Как у автомобилей появились крылья — история аэродинамики

  • 24 Авг, 2016 Источник: Motor

Острые крылышки.

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.

Как у автомобилей появились крылья - история аэродинамики. Фото №1

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

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.

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.

 

Как у автомобилей появились крылья - история аэродинамики. Фото №2

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

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. 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.

 

Как у автомобилей появились крылья - история аэродинамики. Фото №3

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.

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.

 

Как у автомобилей появились крылья - история аэродинамики. Фото №4

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.

 

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.

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.

 

Как у автомобилей появились крылья - история аэродинамики. Фото №5

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.

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.

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.

 

Как у автомобилей появились крылья - история аэродинамики. Фото №6

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.

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.

 

Как у автомобилей появились крылья - история аэродинамики. Фото №7

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.

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.

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.

Подписывайтесь на Квибл в Viber и Telegram, чтобы быть в курсе самых интересных событий.