Буря по заказу: аэродинамические тоннели

На ежегодном Всемирном конгрессе Общества автомобильных инженеров SAE, прошедшем недавно в Детройте, в центре внимания оказалось ужесточение государственных нормативов по среднему расходу топлива на модельный ряд в Америке и Европе. К 2020 году он должен снизиться на 30%. В среднем процесс разработки новых моделей от эскиза до серийного прототипа длится четыре года, так что автопроизводители попали в цейтнот. Чтобы удержаться на рынке, им придется в кратчайшие сроки совершить технологический рывок, причем в самом сложном рыночном сегменте массовых моделей.
Буря по заказу: аэродинамические тоннели

Не секрет, что огромное влияние на расход топлива оказывает аэродинамика автомобиля. На скорости 33 км/ч четверть затраченного топлива приходится на преодоление сопротивления воздуха, а на 90 км/ч — уже более половины. По словам Райнера Тифенбахера, главного конструктора проекта купе Mercеdes Benz E-Klasse, именно в аэродинамике таятся огромные резервы экономии. Он считает, что исследователи находятся лишь на пороге понимания сложной аэродинамической алхимии, а серийные машины в ближайшие годы будут обладать коэффициентом лобового сопротивления на уровне 0,20.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Методом «тыка»

Первые серьезные эксперименты по автомобильной аэродинамике начались сравнительно недавно — в начале 70-х годов прошлого века. Пусть вас не обманывают зализанные формы заокеанских моделей 1960-х годов с их авиационными стабилизаторами и хвостовым оперением. Гладкие и стремительные четырехколесные баржи обладали аэродинамикой коробки из-под холодильника.

Впрочем, в эпоху многолитровых карбюраторных моторов с расходом топлива, измеряемым ведрами на сотню, сопротивление воздуха никто не воспринимал как проблему. Первые нефтяные кризисы и очереди на бензоколонках перевернули традиционную методику разработки новых моделей с ног на голову. Тогда робкие выкрики инженеров по аэродинамике, раздававшиеся с галерки много лет подряд, наконец были услышаны большими боссами.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Компании принялись строить собственные аэродинамические туннели и нанимать на работу высококлассных специалистов из смежных отраслей — авиации, космонавтики и судостроения. Но оказалось, что знания летчиков и моряков практически неприменимы в автоиндустрии.

Нина Тортоза, главный инженер крупнейшего в мире аэродинамического туннеля General Motors в Милфорде, рассказывает, что поначалу основы измерений исследователи придумывали методом «научного тыка». Точно таким же образом разрабатывались оборудование для испытаний, дополнительная оснастка и измерительная техника. Первые надежные технологии тестирования были отработаны только к началу 1980-х. После этого ни одна новая модель не выходила на рынок без проверки на аэродинамическом стенде.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

К 1990-м годам специалисты успели накопить серьезный опыт. Именно тогда была создана самая обтекаемая серийная четырехколесная машина за всю историю автоиндустрии — первый в мире электромобиль EV-1 корпорации General Motors с коэффициентом 0,15, а также экспериментальный Sunracer с коэффициентом 0,11.

Управление стихией

Большинство аэродинамических туннелей представляют собой кольцеобразные сооружения с установленным вентилятором большой мощности, способным создавать воздушные потоки со скоростями до 250 км/ч. Перед тем как ворваться в рабочую зону, этот ураган проходит сквозь направляющие створки и сетчатый диффузор. Это делается для достижения однородности потока и оптимального распределения его плотности. Мощные теплообменники, находящиеся перед диффузором, поддерживают температуру потока на заданном уровне. Как правило, это 22 °C.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Тим Уокер, ведущий инженер суперсовременного туннеля компании Volvo, построенного в 2008 году, описывает работу инженеров в рабочей зоне. Первым делом испытуемая модель закрепляется на стенде — массивном поворотном столе с четырьмя стальными движущимися лентами, вращающими колеса. Стенд, в свою очередь, закреплен на балансе — гигантских сверхточных весах, регистрирующих малейшие изменения нагрузки на кузов. Погрешность баланса не превышает 20 г. В средней части стенда, прямо под днищем автомобиля, находится еще одна вращающаяся лента, имитирующая движение дорожного полотна и возникающую в связи с этим прижимную силу (граунд-эффект). Современным специалистам приходится бороться с сопротивлением воздуха буквально на низшем уровне — совершенствовать аэродинамику днища автомобиля. Эта зона кузова долгое время оставалась незаслуженно забытой конструкторами. Сейчас они видят в ней огромный потенциал — ведь на долю днища и колесных арок приходится почти 50% суммарного сопротивления воздуха.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Поворотный стенд позволяет оценить воздействие воздушного потока на автомобиль при боковых порывах ветра, которые сказываются на курсовой устойчивости. Для имитации переменного ветра скоростью 3−5 м/с, очень распространенного на больших автомагистралях, служат специальные створки в конструкции сопла вентилятора. Они же создают в рабочей зоне область турбулентности.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Визуальная оценка динамики потоков воздуха осуществляется при помощи распыления пропиленгликоля. На картинках он выглядит тонкой струйкой белесого дыма, обтекающей кузов. Такая техника позволяет проверить практически любую зону кузова — от капота до днища и колесных арок. Оператор просто переносит распылитель, похожий на большие грабли с форсунками, в нужное место. Все происходящее скрупулезно фиксируется на видео, а затем анализируется. 30−40 лет назад визуализацию потоков производили при помощи тонких полосок ткани, наклеенных на кузов в контрольных точках. В редких случаях этот метод применяется и сегодня. Для визуализации воздушных потоков также используются лазеры. Специальная оптическая система применяется для измерения площади миделя.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Измерительная аппаратура туннеля включает комплекс датчиков для замера скорости и плотности воздуха в различных областях потока, датчики интенсивности воздухообмена и скорости охлаждения тормозных дисков, датчики силы и направления потока в зоне радиатора. Модуль измерения давления воздуха на корпус автомобиля может регистрировать показания до 200 беспроводных датчиков, работающих одновременно. Для изучения турбулентности в подкапотном пространстве служит лазерный доплеровский анемометр.

На страже тишины

В зависимости от программы испытаний используются разные режимы работы вентилятора и различная измерительная аппаратура. Для экономии времени инженеры совмещают сразу несколько тестов. Например, в туннеле Volvo за 16 рабочих часов можно провести до ста тестов с различной заданной конфигурацией. Обычно испытания начинаются с продувки макетов в половину или треть натуральной величины. На этой стадии инженеры по аэродинамике исправляют просчеты дизайна. После этого процесс продолжается уже с полномасштабной моделью из глины, поставленной на колеса. Финишная доработка проводится с предсерийными прототипами, экипированными по полной программе. Это самый тяжелый и ответственный этап работы. В некоторых случаях он может длиться несколько месяцев.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Принято думать, что инженеров по аэродинамике волнует лишь лобовое сопротивление кузова, однако это всего лишь часть задачи. Тим Уокер говорит: «Лобовое сопротивление — главнейший фактор, влияющий на расход топлива. Но 40% нашего рабочего времени тратится на снижение шума в салоне. Для многих людей комфорт — это важнейший критерий при покупке автомобиля». Инженеры используют комплекс акустической аппаратуры, включая так называемую акустическую голову — шлем для манекена, нашпигованный датчиками. Внешняя шумовая нагрузка от работающего автомобиля измеряется при помощи параболического микрофона, укрепленного на специальной подвижной траверсе, перемещающейся вдоль кузова. В процессе доводки новых моделей конструкторам приходится соглашаться на неизбежные компромиссы. Порою неприемлемо высокий шумовой фон или недостаточно эффективная вентиляция двигателя заставляют жертвовать несколькими сотыми долями коэффициента.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Виртуальная труба

В последние годы специалисты по аэродинамике уже не выполняют утомительную рутинную работу по формированию первоначальной геометрии кузова. Сейчас ею занимаются конструкторы на программном обеспечении Computational Fluid Dynamics (CFD). В туннелях проводятся лишь заключительные этапы финишной доводки обтекаемости моделей, акустические исследования, доводка малых форм и навесных аэродинамических элементов. Но даже сейчас, спустя 15 лет с момента появления первых версий софта, специалисты, способные практически применить все возможности компьютерного моделирования аэродинамики, в мире наперечет.

Законы, управляющие потоками, в принципе могут быть описаны математически, что дает возможность последующего анализа и создания виртуальных моделей взаимодействия воздуха и кузова автомобиля. Ведущим разработчиком программ в области CFD является компания Fluent Europe, основанная еще в 1983 году. Ею созданы три основные программы для виртуального дизайна — Fluent, Rampant и Nekton, использующиеся всеми ведущими компаниями мира.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Задача инженера-программиста — определение начальной геометрии кузова и координатной сетки — комплекса узловых точек на виртуальном кузове, в которых будут производиться измерения. Сетка делит поверхность кузова на множество элементов. Первые сетки в программах CFD были правильными, или структурированными. Четыре точки образовывали условный прямоугольник, который затем проходил тестирование в виртуальных воздушных потоках. Но сейчас появилась возможность создавать неправильные сетки, образующие тетраэдры, гексаэдры и любые произвольные фигуры. Это, вкупе с ростом быстродействия компьютеров, позволяет производить более точные измерения свойств сложных поверхностей. В случае возникновения проблем в определенных участках кузова — нежелательной турбулентности, срыве потока, излишнем давлении и так далее, инженер может нарисовать отдельную сетку именно для этого участка и попытаться найти оптимальное решение.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Однако пока что без аэродинамических туннелей обойтись невозможно. С помощью компьютерной симуляции можно отмести все заведомо неудачные варианты дизайна и сделать пару-тройку натурных моделей. И уже затем заняться их финишной доводкой в туннеле. Таким образом можно сэкономить драгоценное время и большие деньги. В любом случае, официальные коэффициенты лобового сопротивления автомобилей — условные цифры. Когда в 2008 году группа любопытных инженеров «продула» одну и ту же модель автомобиля во всех 17 крупнейших туннелях Европы, то ни в одном случае результаты тестирования не совпали. Разница достигала 8%. Причина кроется в том, что воздушная стихия не укладывается в простой набор математических формул. Малейшие колебания влажности, плотности и температуры воздуха, высота местности над уровнем моря, давление в покрышках и так далее оказывают серьезное влияние на фактическое лобовое сопротивление автомобиля. Не зря инженер экстра-класса Майкл Симко из корпорации General Motors, отдавший сорок лет делу примирения автомобиля и ветра, сказал о своей профессии: «Аэродинамика — это черная магия».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Софт, напротив, стабилен и позволяет моделировать стандартные внешние условия и получать достоверные результаты. Например, знаменитый электрический трицикл Aptera американца Стивена Фэмбро, имеющий коэффициент лобового сопротивления 0,16, был полностью спроектирован на CFD и лишь затем построен в реальности. Последующая продувка модели в туннеле полностью подтвердила теоретические расчеты. Таким же образом студентами Массачусетского технологического института в этом году был создан трицикл на солнечных панелях Eleanor. На сегодняшний день Eleanor с коэффициентом лобового сопротивления 0,11 является самым совершенным транспортным средством на планете с точки зрения аэродинамики.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Ветер на грани

Издавна считалось, что дизайнеры и инженеры по аэродинамике никогда не бывают довольны друг другом. Первые создают шедевры, а вторые отсекают от них все лишнее. В итоге великолепные концепты с революционными формами превращаются в безликие серийные мыльницы. Но последние тенденции в автодизайне — возвращение к угловатым силуэтам и острым граням — только на первый взгляд вступают в конфликт с аэродинамикой. Парадокс, но в некоторых случаях неуклюжие внешне кузова демонстрируют великолепный коэффициент лобового сопротивления.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Уэйн Костер, инженер по аэродинамике компании Ford, в 2005 году получил задание провести анализ и доводку ретроконцепта Ford Fairlane, который впоследствии вышел в серию под названием Flex. Он был поражен тем, что ящикообразный кроссовер практически не потребовал обычного в таких случаях срезания углов и закругления граней. Сотни тестов в туннеле показали, что оригинальная форма кроссовера не нуждается в доработке. Более того, лобовое сопротивление было дополнительно снижено благодаря тщательной проработке и заострению граней передней оптики, бампера и капота. «Считается, что все округлое заведомо более аэродинамично, нежели угловатое, — говорит Костер, — но продувка моделей в туннеле порой говорит об обратном. Четко выраженные грани могут резко снижать сопротивление воздуха, направляя его поток в нужную сторону».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Первыми в автоиндустрии понятие «аэрогрань» ввели в обиход дизайнеры Toyota во главе с Вахеи Хираи. Последние модели компании — микрокар Toyota iQ, стремительный и острый, как бритва, концепт FT-HS и Prius нового поколения — наглядно демонстрируют умелое применение аэрограней во внешнем дизайне. Кевин Хантер, ведущий дизайнер калифорнийской студии Toyota, объясняет положительное воздействие аэрограней тем, что они отсекают потоки воздуха от боковых поверхностей кузова и резко снижают турбулентность в области колесных арок. Причем в некоторых случаях аэрограни — это совсем небольшие элементы — забавные «наросты» на передней и задней оптике и капоте, «плавники» на задней части крыши и так далее.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

«Когда мы говорим об аэродинамике, мы всегда обращаем внимание на переднюю часть автомобиля, но в общем результате форма задней части играет более важную роль», — говорит Фримэн Томас, один из ведущих дизайнеров Ford. «Завихрение воздуха в области кормы резко повышает сопротивление воздуха, и наша задача — уменьшить его до минимума». Яркий пример применения техники аэрограни для снижения турбулентности — дизайн внешней части заднего фонаря Mazda 3 последнего поколения. Почти незаметная визуально деталь радикально изменила структуру воздушных потоков в задней части кузова.

Автор благодарит Стефана Элфстрома, Тима Уокера, Майкла Симко за помощь в подготовке материала