Литры на ветер

ЛИТРЫ НА ВЕТЕР

]

ТЕХНИКА

Обозрение

ЛИТРЫ НА ВЕТЕР

Сберечь топливо можно и за счет формы,

даже не трогая содержания.

Алексей ВОРОБЬЕВ-ОБУХОВ

Вот уже почти столетие конструкторы пытаются отыграть хоть несколько сотых у таинственного коэффициента Сх, не жалея ради этого огромных средств. Оценить достигнутое мы можем... расплачиваясь у бензоколонки.

Для начала маленький эксперимент: попробуйте выставить ладонь из окна на скорости под сотню. Чувствуете, с какой силой давит на нее неосязаемый в обыденной жизни воздух? Совершенно очевидно, что это давление будет тем больше, чем шире ладонь, чем быстрее вы едете и чем плотнее рассекаемый воздух. Но тот факт, что, приставив сзади (к тыльной стороне ладони) длинный конус, можно в несколько раз уменьшить эту силу, вызовет у неискушенного в законах аэродинамики читателя удивление. Дело в том, что образующиеся за ладонью завихрения воздуха создают область пониженного давления и она, как пылесос, дополнительно тянет руку назад.

Переведенное на язык физиков, это явление описывается простой с виду формулой: F=1/2CxSrV2. Здесь S — площадь «ладони» (или все-таки наибольшей лобовой проекции автомобиля, поскольку речь идет о нем), r — уже упоминавшаяся плотность воздуха, равная примерно 1,2 кг/мз, V — скорость движения автомобиля. Наконец, пресловутый Сх — коэффициент лобового сопротивления: вот он-то может принимать самые разные значения. Для ладони, расположенной поперек потока, Сх равен примерно 1,2, а с идеально рассчитанным и плотно приставленным к ней сзади конусом его величина может упасть до... 0,2. Такой вот волшебный параметр в руках «колдунов„-аэродинамиков.

Прежде чем покончить с теорией, обратим ваше внимание на то, что скорость в формуле стоит в квадрате: значит, сопротивление воздуха при 100 км/ч будет вчетверо больше, чем при 50 км/ч, а затраты мощности на его преодоление вырастут в восемь (!) раз. Разумеется, мощность двигателя расходуется не только на «рассекание» воздуха. Есть еще потери (на трение и др.) в самом моторе, трансмиссии, на сопротивление качению шин... К тому же в моменты разгона приходится преодолевать инерцию, а взбираясь в гору — и силу тяжести. Какова же доля собственно аэродинамических потерь? Для современных легковых автомобилей при скорости 100 км/ч на ровном шоссе доля сопротивления воздуха в общем сопротивлении движению составит 65% при Сх=0,30 и 77% при Сх=0,70. Те же автомобили на 40 км/ч затратят 30 и 38% соответственно. Ну, а в вяло текущей пробке сопротивление воздуха вообще не играет роли. Так что ответить, насколько удастся снизить расход топлива путем улучшения аэродинамики, можно лишь применительно к конкретному ездовому циклу. Сегодня принято считать, что в идеале, путем доведения формы до совершенства, не противоречащего требованиям комфорта пассажиров, удается отыграть около 40% сжигаемого топлива. Остальное — на совести массы, трения в подшипниках и деформации шин.

Сто лет назад типичные скорости самобеглых колясок редко превышали 30 км/ч и потому об обтекании их воздухом еще не задумывались. Автомобили пока напоминали прародителей — угловатые кареты и высоченные кэбы. Впрочем, для установления рекорда скорости Камилл Женатци дальновидно построил веретенообразный экипаж, который достиг 105,8 км/ч. Знал бы он, насколько выше могла быть скорость, управляй он болидом лежа, а колеса сделай утопленными в кузов! Впрочем, «против лома нет приема» — доведя мощность двигателя до 200 л.с., Гансу Нибелю удалось в 1911 году установить на легендарном «Блитцен-Бенце» очередной рекорд — 228,1 км/ч, несмотря на по-прежнему торчавшие колеса, рессоры и гордо возвышающуюся фигуру гонщика Боба Бурмана. Однако именно с 1911 года начались детальные исследования автомобиля в аэродинамической трубе, и вскоре деталям, коряво торчащим «навстречу ветрам», пришел конец.

Ныне конструкторы автомобилей относятся к коэффициенту Сх с большим уважением, но до сих пор точно рассчитать его невозможно. Любая, казалось бы, незначительная деталь может испортить (или улучшить) все дело. Поставили на колеса гладкие колпаки — выиграли 3%, «законопатили» зазоры между панелями — еще 5%, сделали днище совершенно гладким — припишите себе в заслугу целых 7%. С другой стороны, широкая резина ухудшает коэффициент на 4%, открытые окна — на 5%, поднятые ночью убирающиеся фары — на 10%, а багажник на крыше — на все 40%!

Вопреки расхожему мнению, угол наклона ветрового стекла не сильно влияет на Сх. Другое дело, что сильный наклон, как правило, увязан с меньшей высотой всей машины, а значит, площадью поперечного сечения. В результате сила лобового сопротивления у " Porsche 911" оказывается существенно меньше, чем у " Ауди А8", хотя Сх у первого на две сотых больше! А вот наклон заднего стекла у хэтчбека гораздо важнее (наши графики это наглядно демонстрируют).

За минувшее столетие ученые выяснили: идеал с точки зрения аэродинамики — сильно вытянутая назад каплевидная форма с притупленной передней частью. Площадь поперечного сечения должна достигать максимума примерно на одной трети длины кузова, форма этого сечения — правильный круг. Тогда можно — чисто теоретически — рассчитывать на величину Сх=0,05. Но практически такое тело может только летать, а никак не ездить! При типичной площади поперечного сечения — миделя — 1,9 м2 длина «идеального» кузова должна была бы превысить... 10 метров. Значит, выход один: постараться вписать контуры кузова в головную часть идеальной «капли», а хвост... укоротить или отсечь. Примером первого подхода можно считать «Победу», второму следует большинство современных автомобилей. Кажется странным, что заостренный, но укороченный сзади силуэт с точки зрения аэродинамики оказался хуже просто «обрубленного». Но выяснить это удалось лишь экспериментальным путем при продувке макетов в аэродинамической трубе.

Вообще принято считать, что для проектирования кузова автомобиля с Сх=0,5 хватит пары замеров моделей в масштабе 1:5 в небольшой трубе. Хотите снизить коэффициент на одну десятую — пожалуйте на несколько недель с натурной моделью в большую (и дорогую!) трубу. Ну, а если цель Сх не хуже 0,30, то не обойтись без продувки реального образца и нескольких месяцев доводки! Впрочем, нет правил без исключений: когда в 1979 году в трубу загнали необычный экипаж Эдмунда Румплера (1924 год!), специалисты испытали настоящий шок — его коэффициент сопротивления составил... 0,28. Увы, при жизни конструктора столь совершенную, хотя и странную форму автомобиля покупатели не оценили, лишь фирма «Бенц» позднее использовала некоторые наработки в своих моделях.

В стремлении максимально приблизиться к идеалу, а значит, помимо всего прочего, сэкономить немало постоянно дорожающего топлива, разработчики кузовов начали строить все более дорогие и огромные аэродинамические трубы, приближая условия эксперимента к реальности. Например, колеса испытуемого объекта должны вращаться, а пол под ним уноситься назад со скоростью набегающего воздуха.

Мы уже не раз обращались к теме испытательных стендов, и вы могли прочитать в ЗР об уникальных аэродинамических трубах «Ауди» (ЗР, 2000, № 3 — скорость «ветра» до 300 км/ч, за секунду прокачивается около 900 мз воздуха, мощность вентилятора 2600 кВт), «Хёндэ» (1999, № 12 — 2550 кВт и 200 км/ч, при этом уровень шума лишь 58 дБ), «Бер» (2000, № 1 — скромные 140 км/ч, но зато температура от —30 до +50°С и влажность до 95% — практически любые). Да и ВАЗ не отстал (1999, № 12 — 2300 кВт, 216 км/ч, от —45 до +50°С). Стоимость подобных стендов приближается к 100 млн. долл. и потому неудивительно, что фирмы стремятся использовать эти трубы также для акустических и климатических испытаний.

Но как добивались улучшения аэродинамики, скажем, полвека тому назад? Вот посмотрите на величину Сх известных советских автомобилей: ГАЗ-М1 — 0,8, «Москвич-400» — 0,74, «Победа» — 0,5, ЗИМ — 0,46... Прогресс, что называется, налицо. А все очень просто. Испытуемый автомобиль обклеивали бумажными ленточками и пускали по шоссе. Рядом на машине сопровождения — кинооператор с камерой. Поведение полосок бумаги много могло рассказать специалистам: там, где они плотно прилегают к корпусу — все в порядке, а где трепещут змейками — там вредные завихрения. А как измерить коэффициент на практике? Чаще всего его определяли по замедлению на выбеге. Сначала — с большой скорости, потом — с малой. Разница почти целиком определяется сопротивлением набегающего воздуха.

Вернемся, однако, к современным автомобилям. Убрав все выступающие детали, в том числе и желобки водостоков, сделав днище гладким, нос относительно тупым и широким, а корму сужающейся, конструкторы добились величин Сх, не превышающих 0,30.

Если не удается достичь нужного результата «в лоб», применяют «военные» хитрости, как, например, ФИАТ в своей технологии «4А» (ЗР, 2000, № 3). Внутри задних колесных дисков поставили лопасти «вентилятора», которые по специальным каналам гонят струю воздуха к корме, чем увеличивают в проблемной зоне давление и уменьшают вихреобразование. В результате коэффициент Сх мини-вэна с обрубленной кормой снижается с 0,33 до 0,27 и становится не хуже, чем у типичного седана! Рекордсменом же среди серийных легковушек на сегодня является «трехлитровая» версия " Ауди А2" — Сх=0,25.

А нельзя ли за счет аэродинамики уменьшить расход топлива еще на литр? Оказывается, можно. И сделал это... 78-летний Фриц Фенд, известный специалистам как создатель трехколесных кабиненроллеров «Мессершмит». В отличие от автомобилестроителей, пытающихся создать суперэкономичный двигатель и поставить его в легкий и обтекаемый кузов, авиастроитель Фенд установил один из существующих моторов в «супераэродинамичный» кузов с коэффициентом лобового сопротивления Сх=0,11 (!). На скорости 120 км/ч его «болид» потребляет не более 2 л бензина (!) на 100 км. Из других параметров назовем мощность двигателя — 50 л. с., максимальную скорость — 190 км/ч, динамику — разгон с места до «сотни» за 10 с и габариты... Вот о них разговор особый. Автомобиль-то двухместный, а длина его... четыре метра при высоте 1300 и ширине 1800 мм. Крошкой не назовешь. Зато масса всего 500 кг — а это не менее важно для достижения суперэкономичности, особенно в городском цикле с частыми разгонами и торможениями. Не верьте снимку — F2000 не трех-, а четырехколесный, но колея задних колес так мала, что они скорее напоминают двускатное колесо «Газели». Возможно, этот проект даже пойдет в небольшую серию: начаты приготовления к строительству сборочного завода в Вакерсдорфе.

Вернемся, однако, к прозе жизни. Кроме лобового сопротивления, у аэродинамики есть еще немало неприятных сюрпризов для конструкторов. Один из них — подъемная сила. Необходимая для самолета, она изрядно вредит «рожденному ездить» автомобилю. Между прочим, последний в профиль стал сильно напоминать идеальное крыло и... вот уже " Ауди ТТ" на скорости под двести почти оторвала от земли "задние стойки шасси". Пришлось подпортить силуэт машины антикрылом на багажнике — ради безопасности.

На другой неприятный эффект напоролись конструкторы «Святогора». Казалось бы, что плохого в более покатом, стремительном капоте? А вот поди ж ты: обтекание ветрового стекла изменилось таким образом, что на скорости свыше 130 км/ч щетки стеклоочистителя стали отрываться от стекла. Мелочь? Как сказать...

Надеемся, теперь вы уже не будете равнодушно относиться к приводимым в технических характеристиках цифрам Сх — за ними огромные усилия больших коллективов и высокая культура конструкторской проработки кузова. Так давайте не будем сводить эту работу на нет, привинчивая к новенькой «тачке» несвойственные ей «кенгурины», пороги, «обтекатели», «мухобойки». (О реальном влиянии таких устройств — см. ЗР, 2000, № 2).

Так зависит коэффициент лобового сопротивления от углов наклона ветрового стекла (при прочих равных условиях) и двери задка у хэтчбека.

Модель 1:5 в трубе — это лишь первая прикидка.

Внешне угловатый «Румплер» показал отменный даже по сегодняшним меркам результат — 0,28!

Подъемная сила " Ауди ТТ" до и после установки спойлера.

И это «Фокус» 2010 года? «Форд-Синержи» и...

На ФИАТе вредные «вихри» решили просто «сдуть» колесными турбинками.

..."Форд-GT 90".

Ошибка в тексте? Выделите её мышкой! И нажмите: Ctrl + Enter

Комментарии