Буря по заказу: аэродинамические тоннели

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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».

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.

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.

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».

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.

«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