Загрузка...
23 августа 2016, 12:40

Острые
крылышки

Как у автомобилей появились крылья –и что такое диффузор — история аэродинамики

© GM, the Healey Museum
Илья Фролов

В своем изучении аэродинамики инженеры прошли от темного средневековья, когда все болезни лечились кровопусканием, до чудесных открытий, позволивших получить преимущество буквально из воздуха. Аэродинамика приводила к великим победам и поражениям, изменению физиологии гонщиков и — иногда — к их гибели. Это история о том, как гоночные машины обрели крылья.

Работа с моделью в аэродинамическом тоннеле. Пол движущийся, чтобы пограничный слой воздуха у поверхности не затормаживал поток.

Появление механических компрессоров позволило автомобилям Гран-при выйти на уровень 600 лошадиных сил уже в тридцатых годах прошлого века, но аэродинамика по-прежнему оставалась мутной водой, и постижение ее базовых принципов заняло следующие десятилетия. Только спустя сорок лет профессия аэродинамика стала одной из самых важных в команде. А ведь, казалось бы, что может быть проще — понять, как воздух обтекает кузов автомобиля? И научиться им управлять.

Как и в случае с самолетом, для автомобильных инженеров, прежде всего, важны показатели подъемной и прижимной силы, и сопротивления воздуха. Хотя в расчет принимается и боковая обтекаемость. От проработанности аэродинамики зависит стабильность автомобиля и его максимальная скорость, экономия топлива и скорость прохождения поворота. Даже дистанция торможения.

Первые попытки использовать воздух в своих интересах продолжались вплоть до Второй мировой войны, но имели хаотичный характер. Весь мир был помешан на рекордах скорости и инженеры, по аналогии с самолетами, полировали обводы кузова, чтобы снизить лобовое сопротивление и разогнаться еще быстрее.

Рекордный ракетный Opel RAK 2. Создатели первых антикрыльев считали, что они должны быть в центре — как у самолета.

Конструкторы Auto Union и знаменитый рекордсмен Малькольм Кэмпбелл даже пробовали понять, как снизить подъемную силу, на рекордном ракетном Opel RAK 2 конца двадцатых стояли боковые «крылышки», прижимавшие машину к земле, но под аэродинамикой в те годы, прежде всего, подразумевалось низкое сопротивление набегающему воздуху.

В самом автомобиле и без того хватало стремительно развивающихся областей — двигатель, тормоза, подвеска — чтобы тратить силы на что-то малопонятное и малоизученное. А низкие мощности послевоенных моторов только продлили тренд на обтекаемые кузова.

Самой революционной, но немного преждевременной попыткой изменить мир, был Porsche 550 швейцарского инженера Майкла Мэя. В 1956 году Мэй приладил к своему Porsche антикрыло, причем установил его прямо по центру — так оно нагружало машину в центре масс.

Антикрыло Мэя могло даже менять угол атаки от -3 до +17. К сожалению, в гонках эта машина так и не поучаствовала.

Чтобы понять природу этой инновации, нужно вспомнить принцип работы крыла самолета, которое похоже на каплю воды на столе. Снизу крыло имеет плоскую форму, и поток воздуха обтекает его по прямой. Верхняя часть крыла выпуклая и за то же самое время потоку приходится проходить большую дистанцию.

Профиль крыла истребителя сороковых годов и характер его обтекания воздухом — сверху поток проходит более длинный путь и ускоряется, что вызывает падение давления.

Как результат, воздух ускоряется, что, согласно закону Бернулли, вызывает снижение давления. За счет разницы давления под и над крылом и возникает подъемная сила, которая с ростом скорости превышает вес самолета и поднимает его в небо.

Собственно, форма кузова автомобиля, особенно спортивного, сама по себе похожа на крыло: воздух проходит по прямой под кузовом и вынужден огибать кузов сверху, что способствует появлению подъемной силы.

Ее, конечно, недостаточно, чтобы взлететь, но разгрузить шины на высокой скорости она способна. А это всего лишь четыре маленьких резиновых пятна, за счет которых автомобиль разгоняется, держится на дороге и тормозит.

Но ведь крыло можно перевернуть и направить эту силу вниз, увеличив давление в пятне контакта — а значит, увеличив и сцепление с дорогой?

Идея Мэя могла ускорить ход истории, но выглядела столь странно, что его просто не допустили на старт гонок в Монце и на Нюрбургринге. Под давлением заводской команды Porsche (!) судьи объявили, что крыло будет ограничивать едущим сзади гонщикам обзор.

Гоночные титаны 50-х — еще без крыльев, но с небольшими аэродинамическими изысками. У Jaguar – стабилизирующий на прямых хвост, у Mercedes-Benz виден открытый аэродинамический тормоз — попытка помочь устаревающим барабанам на фоне революционных дисковых тормозов британцев

И в этой истории нет ничего нового. Человечество уже в первом веке нашей эры могло отказаться от труда рабов и двинуться по пути технической революции, если бы в полной мере оценило открытие принципа паровой турбины, но, как это частенько случалось с прогрессивными идеями, до определенного момента их просто не готовы воспринимать.

Вплоть до начала шестидесятых инженеры увлекались вытянутыми обтекаемыми кузовами, но быстрый рост мощности и похожие на крылья аэродинамичные кузова спортпрототипов стали причиной появления столь заметной подъемной силы, что ее уже нельзя было игнорировать.

На участках некоторых трасс — вроде прямой Мульсан в Ле Мане — максимальная скорость за десять лет выросла с 280 километров в час (Maserati Tipo 63) до 359 (Ferrari 512 M), что начало приводить к серьезным проблемам со стабильностью и стоило гонщикам больших нервов.

Кузова формул шестидесятых в виде сигары гораздо меньше походили на крыло и не генерировали значительной подъемной силы. Правда, данные полеты не имеют никакого отношения к аэродинамике: снимки сделаны на изгибе полотна в районе Флюгплац (Нюрбургринг), что в переводе означает — летное поле.

Маленькие, похожие на пеналы кузова формул, не способствовали появлению подъемной силы, и это объясняет, почему первый значительный скачок в области аэродинамики был сделан именно на машинах с закрытыми колесами.

Крылатая революция

В попытке вернуть стабильность на высоких скоростях, инженеры начали приделывать к переду и заду автомобилей плоскости, которые не использовали принцип крыла, а грубо отклоняли поток вверх и придавливали кузов к земле.

>
Reload
1 / 3

Porsche 906 и Alfa Romeo Tipo 33. Хорошо видны маленькие закрылки, догружающие передок. При этом пришедшая в гонки среднемоторная компоновка позволила сделать кузова еще более обтекаемыми.

Для таких автомобилей, как Porsche 917LH, это стало решением проблемы. С одной стороны, Porsche с их извечно маленькими моторами, были специалистами по не создающим сопротивления обтекаемым кузовам. С другой, их новая модель 917 с 580-сильным 12-цилиндровым оппозитником обещала стать первым шагом марки в высшую лигу и славилась как неистовой мощью, так и коварной, дерзкой управляемостью.

В качестве контрмеры во время тестов 1969 года механики команды J.W. Automotive просто начали приделывать к корме «девятьсот семнадцатого» алюминиевые листы, резать их ножницами по металлу и смотреть, как машина поведет себя на трассе.

Родившиеся в результате этих экспериментов короткохвостые Porsche 917K, с вздернутым «хвостом», имели большее лобовое сопротивление и были на 24 километра в час медленнее на прямой Мульсан, но меньше выматывали гонщиков и легко уходили вперед в поворотах. Оказалось, проблема дьявольского характера машины была совсем не в подвеске.

Эволюция аэродинамики прототипов на примере Porsche 917

Одна из ранних версий Porsche 917, когда машина имела плохую репутацию у гонщиков — первый же круг Ле Мана 1969 года закончился аварией 917 со смертельным исходом. Кузов вытянут под низкое лобовое сопротивление, дефлекторы на носу, отклоняя воздушный поток, догружают передок. Пара закрылков на хвосте механически связаны с задней подвеской. Если машина начинала «взлетать», они поднимались вверх.

Короткая версия 917K (от kurzheck — короткий хвост) уже не имела прекрасной обтекаемости 917LH, но вздернутый хвост с маленькими спойлерами отклонял воздух вверх и тот давил на кузов. Лучшая стабильность и повысившаяся скорость в поворотах компенсировала возросшее лобовое сопротивление и сделала именно эту версию победной и любимой у гонщиков.

Porsche 917/20 был попыткой совместить низкое лобовое сопротивление длиннохвостых 917LH и прижимную силу коротких 917K. Кузов настолько широкий, что в арках не видно колес — это должно было снизить завихрения от них. Задние крылышки добавляли стабильности на прямых. Оставалось самое малое — добавить между хвостиков сзади перекладину.

Инженеры заводских машин оставались одержимы обтекаемостью и минимальным лобовым сопротивлением, но начиная с 1970 года длиннохвостые 917LH уже имели полноценное регулируемое антикрыло. Тем не менее, технические поломки не позволили им победить и в Ле Мане 1971 года — первым опять финишировал куцый 917K.

В итоге, первая победа Porsche в Ле Мане 1970 года пришлась не на вылизанную заводскую версию с низким лобовым сопротивлением, а короткий и клиновидный 917K.

На этом, не самом передовом, но очень наглядном примере Porsche 917, легче всего и понять эволюцию аэродинамики спортпрототипов на стыке шестидесятых и семидесятых.

Поздняя фотография внутренностей Porsche 917 трех разных аэродинамических конфигураций: короткий хвост 917K, длинный хвост 917LH, промежуточный вариант 917/20. Ле Ман 1971 года.

При этом первая успешная попытка приладить к гоночной машине антикрыло произошла как минимум четырьмя годами ранее: в 1966 году на гонке Can-Am в Бриджхэмптоне штат Нью-Йорк американец Джим Холл выставил крылатый Chaparral 2E, а в следующем году его машина Chaparral 2 °F уже стартовала в Ле Мане.

Холл, наконец, открыл инженерам всего мира глаза на новую благодатную область аэродинамики — прижимную силу, которую в авиационном духе пока называли отрицательной подъемной силой.

Можно представить, какое отвращение у окружающих вызывал вид этих очень странных автомобилей, но идея оказалась достаточно эффективной, чтобы ее быстро подхватили конструкторы Формулы-1 и младших формул.

Крылья Lotus 49B 1968 года на высокой скорости давили на автомобиль с силой в 270 килограммов (при стартовой массе машины всего в 505 килограммов), и позволяли быстрее проходить повороты и позже тормозить — чистое преимущество на круге составляло около 0,7 секунды. Правда, площадь антикрыльев сильно увеличивала лобовое сопротивление воздуху, что выглядело бы неприемлемо с позиции конструкторов довоенных Auto Union или современных массовых автомобилей.

Тонкие ножки антикрыльев иногда ломались, что приводило к неприятным авариям. По этой причине их даже успели запретить, но команды отстояли нововведение и сделали их более прочными.

Первым сопротивление от антикрыльев помешало бы набору максимально возможной скорости. Вторым – подпортило бы показатели экономичности: крылатая машина затрачивает больше топлива, чтобы продираться через воздух, и преодолевать большее сопротивление качению нагруженных шин. Но если у вас есть очень мощный мотор, а расход топлива не имеет никакого значения, эти проблемы отходят на второй план.

Очень кстати развитие аэродинамики совпало с приходом в Формулу-1 рекламы. Именно одна из ранних крылатых машин, Lotus 49B, стала первой в мире быстрой табачной витриной — на боках Lotus красовались названия сигарет Golden Leaf фирмы John Player & Sons.

>
Reload
1 / 4

T86B все еще похож на пенал на колесах, но впереди уже появляются экспериментальные крылышки — чтобы догрузить передние колеса. Формула-1 пока черпала вдохновение у машин с закрытыми колесами, но так будет недолго.

Гоночные автомобили теперь редко красились в цвета стран, из которых они происходили, а на крыльях появились дополнительное места для рекламных наклеек. С этого момента бюджеты команд устремились к астрономическим высотам, позволяя инвестировать в исследование аэродинамики все больше и больше денег.

Что привело к самому драматическому скачку скорости в истории автогонок и даже к изменению физиологии гонщиков. Но об этом — в продолжении нашей истории через неделю.

Загрузка...
Загрузка...
Загрузка...