„Аеродинамиката е за тези, които не могат да правят мотори.”

20 Jan 2025

Ниското въздушно съпротивление спомага за намаляване на разхода на гориво. В това отношение обаче има огромни възможности за развитие. Стига, разбира се, аеродинамичните специалисти да са в съгласие с вижданията на дизайнерите.

„Аеродинамиката е за тези, които не могат да правят мотори.” Тези думи са изречени от Енцо Ферари през шейсетте години и ясно демонстрират отношението на голяма част от тогавашните конструктори към този технологичен аспект в автомобила. Само десетина години по-късно обаче идва първата петролна криза и променя из основи цялостната им ценностна система. Времената, в които всички сили на съпротивление при движението на автомобила и най-вече тези, произхождащи от преминаването му през въздушните слоеве, се преодоляват с екстензивни технически решения – като увеличаване на работния обем и мощността на моторите – без оглед на количеството консумирано гориво, си отиват и инженерите започват да търсят по-ефективни начини за постигане на целите си.

Към този момент технологичният фактор аеродинамика е покрит с дебел слой прах на забвение, но не е напълно нов за конструкторите. Историята на техниката свидетелства, че още през двайсетте години напредничави и изобретателни мозъци като този на германеца Едмунд Румплер и унгареца Паул Жараи (създал формите на култовата Tatra T77) оформят обтекаеми повърхности и поставят основите на аеродинамичния подход при проектирането на автомобилни каросерии. Те са последвани от втората вълна аеродинамични специалисти, като барон Райнхард фон Кьоних-Факсенфелд и Вунибалд Кам, които развиват техните идеи през трийсетте години.

За всички е ясно, че с увеличаване на скоростта идва граница, над която въздушното съпротивление започва да се превръща в критичен фактор за задвижването на автомобила. Създаването на аеродинамично оптимизирани форми може значително да измести тази скоростна граница нагоре и се изразява с така наречения коефициент на обтекаемост Cx, като стойност от 1,05 има куб обърнат перпендикулярно на въздушния поток (ако той се завърти на 45 градуса по оста си така че ръбът му е насочен срещу потока той се снижава до 0,80). Този коефициент обаче е само едната част на уравнението за въздушното съпротивление – като съществен елемент в него трябва да се добави и размерът на челната площ на автомобила (A). Първата от задачите на аеродинамичните специалисти се състои в това, да създадат изчистени, аеродинамично ефективни повърхности (факторите за които, както ще видим, в автомобила са много), които в края на краищата водят до постигане на по-нисък коефициент на обтекаемост. За измерването на последния е необходим аеродинамичен тунел, който е скъпо и изключително сложно съоръжение – като пример за това може да служи пуснатият в експлоатация през 2009 г. тунел на BMW, който струваше на компанията 170 милиона евро – и това е само първоначална инвестиция, без отчитане на последвалите допълнения и модернизации. По презумпция гигантският вентилатор, който изразходва толкова електрическа енергия, че се нуждае от отделна трансформаторна станция, е едно изключително високотехнологично съоръжение, но наравно с него е прецизният ролков стенд, измерващ всички сили и моменти, които въздушната струя упражнява върху автомобила. Негова е задачата да остойности цялото взаимодействие на автомобила с въздушните потоци и да помогне на специалистите да изследват всеки един детайл и да го променят по начин, който не само да го направи ефективен във въздушната струя, но и да е в съгласие с желанията на дизайнерите. Принципно погледнато, основните компоненти на съпротивлението, което среща автомобилът, възникват при сгъстяването и отместването на въздуха пред него и – нещо изключително важно – вследствие на силната турбуленция зад задната му част. Там се формира зона на ниско налягане, което се стреми да издърпа автомобила, а то от своя страна е примесено със силното влияние на завихрянето, което специалистите по аеродинамика наричат още „мъртво вълнение”. По логични причини зад комби моделите нивото на подналягането е по-високо, в резултат от което се влошава коефициентът на обтекаемост.

Фактори на аеродинамичното съпротивление

Последният зависи не само от фактори като общата форма на автомобила, а и от специфични детайли и повърхности. На практика общата форма и пропорции на съвременните автомобили имат 40-процентен дял от общото въздушно съпротивление, като една четвърт от този фактор се определя от повърхностната структура на обекта и елементи като огледала, светлини, регистрационен номер и антена. 10% от въздушното съпротивление се дължат на потока, отправящ се през отворите към спирачките, двигателя и трансмисията. 20% са резултат от завихрянето в различните подподови конструкци и окачването, тоест от всичко, което се случва под автомобила. И най-интересното – цели 30% от въздушното съпротивление се дължат на вихрите, създадени около колелата и калниците. Една практична демонстрация на този феномен дава ясна индикация за това – коефициентът на обтекаемост от 0,28 на автомобил се намалява на 0,18, когато се премахнат колелата, а отворите на калниците се прикрият. Неслучайно всички автомобили със забележително нисък коефициент на обтекаемост – като например първият Insight на Honda и електромобилът EV1 на GM – са с прикрити задни калници. Цялостната аеродинамична форма и затворената предна част поради факта, че електромоторът не се нуждае от големи количества въздух за охлаждане, са дали възможност на конструкторите на GM да проектират модела EV1 с коефициент на обтекаемост от едва 0,195.

Като следствие от описаните причини става ясно защо електрическите автомобили имат по-нисък коефициент на обтекаемост при подобни останали параметри като размери и форми в сравнение с тези на двигателите с вътрешно горене – заслугите, например Model 3 на Tesla да има Cx от 0,21, са оптимизацията на два основни компонента. Първият е свързан с намаляването на необходимостта от големи количества въздух за охлаждащата система на двигателя, като създава предпоставки за формиране на почти затворена предна част на автомобила, без големи отвори за радиаторна решетка. Вторият е равната повърхност на подподовата конструкция на автомобила – благодарение на липсата на необходимост от създаване на сложна конфигурация за карданни валове и изпускателни тръби и плоската архитектура на батерията.

За намаляване на завихрянето около колелата при автомобилите се използват т.нар. „въздушни завеси“ под формата на тънки вертикални потоци въздух, насочени от отвори в периферията на предната броня, преминаващи покрой колелата и стабилизиращи вихрите. Потокът към двигателя при моделите с ДВГ се ограничава от аеродинамични жалузи, а дъното се покрива с панели, доколкото е възможно.

Колкото по-ниски са стойностите на силите, измерени от ролковия стенд, толкова по-нисък е Cx. По стандарт той се измерва при скорост от 140 км/ч – стойност от 0,30 например означава че 30 процента от въздуха, през който преминава автомобилът, се ускоряват до скоростта на неговото движение. Що се отнася до челната площ, то отчитането й изисква далеч по-лесна процедура – за целта с помощта на лазер се очертават външните контури на автомобила при поглед отпред и се изчислява заградената площ в квадратни метри. Впоследствие тя се умножава по коефициента на обтекаемост, за да се получи пълното въздушно съпротивление на автомобила в квадратни метри.

Ако се върнем към историческия план на нашия аеродинамичен разказ, ще установим, че създаването на нормирания цикъл за измерване на разхода на гориво (NEDC) през 1996 г. всъщност изиграва отрицателна роля по отношение на аеродинамичната еволюция на автомобилите (която доста напредва през осемдесетте години), тъй като при него аеродинамичният фактор има несъществено влияние поради краткия период на движение с висока скорост. Въпреки намаляването на коефициента на обтекаемост през годините, увеличаването на размера на автомобилите във всеки един клас води до увеличаване на челната площ и оттам до нарастване на въздушното съпротивление. Автомобили като VW Golf, Opel Astra и BMW серия 7 оказваха с по-високо съпротивление на въздуха в сравнение със своите предшественици от 90-те години. Принос към тази тенденция има и кохортата от внушителни SUV модели със своята голяма челна площ (включително големи гуми) и влошен коефициент на обтекаемост. Този тип автомобили са критикувани най-вече заради огромното си тегло, но на практика този фактор придобива по-малка относителна стойност с увеличаване на скоростта – докато при движение извън града със скорости около 90 км/ч делът на въздушното съпротивление е около 50 процента, при магистрална скорост той нараства до 80 процента от общото съпротивление, което среща автомобилът.

Аеродинамичният тунел

Още един пример относно ролята на въздушното съпротивление за ефективността на автомобила са малките градски автомобили, типичният представител на които бе Smart. Двуместният мъник може и да е пъргав и повратлив в градските улици, но късата и висока като пропорции каросерия е изключително неефективна от аеродинамична гледна точка. На фона на ниското тегло, въздушното съпротивление става все по-важен елемент и при Smart започва да оказва силно влияние още при скорост от 50 км/ч. Нищо чудно, че той не успя да оправдае надеждите за нисък разход въпреки леката си конструкция.

Независимо от недостатъците на Smart обаче отношението на фирмата майка Mercedes към аеродинамиката е пример за методичен, последователен и активен подход към процеса на създаване на ефективни форми. Може да се твърди, че резултатите от инвестициите в аеродинамични тунели и упоритата работа в тази област са особено видни именно в тази компания. Особено ярък пример за ефекта от този процес е и фактът, че актуалната S-класа (Сх 0,22 в режим Sport+) оказва по-малко съпротивление на въздушните слоеве отколкото един Golf VIII (0,275). В процеса на търсене на повече вътрешно пространство формата на компактния модел се е сдобила с доста голяма челна площ, а коефициентът на обтекаемост е по-лош от този на S-класата поради по-малката дължина, която не позволява създаване на обтекаеми повърхности и най-вече поради резкия преход в задната част, улесняващ генерирането на вихри. Така моделът се добавя към рекордьора с най-ниският регистриран коефициент на обтекаемост на автомобил с двигател с вътрешно горене – Mercedes CLA 180 BlueЕfficiency (0,22) – случайно или не пак дело на Mercedes. Всичко това е ярък пример за факта че фокусирането в далечното минало основно върху формата на автомобила със следване на прочутата форма на капката съвсем не достатъчно и далеч от реалността при създаването на един функционален автомобил. Всеки детайл, всеки компонент е важен по отделно и интегрално в рамките на общите повърхности и цялостна форма. На пръв поглед някои от моделите на Mercedes, например, не изглеждат чак толкова аеродинамични с изострените ръбове на страничните форми например (това пък още по-валидно за моделите на Lexus), но цялостният ефект от прикритите повърхности на подподовата конструкция, подвеждането на въздуха в задната част и регулираната аеродинамика на предната част казват своето. И като става дума за регулирана аеродинамика – светът на спортните автомобили е една съвсем друга вселена в тази област. При изключително високите скорост и динамиката на промяната им, аеродинамиката е един от основните фактори в тази област. Главното противоречие е в необходимостта от – в рамките на строго фиксираните размери и всевъзможни ограничения – създаване на силна притискаща сила в завоите и висока скорост с възможно най-ниско аеродинамично съпротивление на правите. При това става дума за сложна динамика на флуидите, както под автомобила, с ускоряването на потока и създаване на „издърпваща“ сила, зад него с контрола на вихрите и работата на дифузьора, така и потоците за охлаждане и генериране на притиската сила върху сложно конфигурираното предно и задно крило. Дори без „орнаментацията“ си един автомобил от Формула 1 например има коефициент на обтекаемост от около 0,63. Следват конфигурацията на подподовата конструкция, каналите, многоелементното предно и задното крило и т.н. които могат да доведат коефициента на обтекаемост до над 1,3!

Но, както казахме, това е друга вселена и изисква отделен материал. Това, което е важно да се спомене в реалния свят на „конвенционалните автомобили е взаимодействието между дизайнерите и специалистите по аеродинамика. Защото стилистите могат да създадат невероятно красиви форми, инженерите да ги върнат в кота нула, когато след анализа в аеродинамичния тунел се окаже че някой детайл генерира много вихри. И понеже, както споменахме от аеродинамична точка формите работят интегрално, всичко трябва да започнсе отначало. А когато двете звена най-накроя се обединят около някаква идея, всичко може да бъде запратено по дяволите от инженерите по производството, които могат просто да завят – това няма как да бъде изработено….

Предимството на електромобилите

Още един пример за значимостта на аеродинамичната форма на фона на теглото са съвременните хибридни модели и още повече електрическите автомобили. При Prius например необходимостта от високоефективна от аеродинамична гледна точка форма е продиктувана и от факта, че с увеличаване на скоростта коефициентът на полезно действие на хибридната система за задвижване рязко намалява. При електромобилите пък от изключително голямо значение е всичко, свързано с увеличаване на пробега в електрически режим. Според експертите 100 кг намаляване на теглото биха увеличили пробега на автомобила само с няколко километра, но за сметка на това аеродинамиката е от първостепенно значение за електрическия автомобил. Първо, защото голямата маса на тези автомобили им позволява да връщат част от изразходената енергия чрез рекупериране и второ, защото големият въртящ момент на електромотора позволява компенсиране в известна степен на влиянието на теглото при потегляне, а ефективността му намалява при високи оборотни режими и респективно при висока скорост. Освен това, силовата електроника и електромоторът се нуждаят от по-малко въздух за охлаждане, което позволява намаляване на отвора в предната част на автомобила, който, както отбелязахме, е съществен виновник за част от влошената обтекаемост на каросерията. Още един елемент в мотивирането на конструкторите за създаване на аеродинамично по-ефективни форми при съвременните plug-in хибридни модели е режимът на движение без ускорение само с помощта на електромотора, или т.нар. sailing. За разлика от ветроходите, откъдето произхожда този термин и при които вятърът трябва да движи лодката, при автомобилите пробегът с електричество би се увеличил, ако автомобилът оказва по-малко съпротивление на въздуха. Създаването на оптимизирана в аеродинамично отношение форма е най-ефективният от гледна точка на инвестициите начин за намаляване на разхода на гориво.

Текст: Георги Колев

Коефициенти за обтекаемост на някои интересни автомобили:

Mercedes Simplex

Производство 1904 година, Cх = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

Производство 1921 година, Cx = 0,28

Ford Model T

Производство 1927 година, Cx = 0,70

Експериментален модел на Кам

Производство 1938 година, Cx = 0,36

Mercedes Rekordwagen

Производство 1938 година, Cx = 0,12

VW Bus

Производство 1950 година, Cx = 0,44

VW Костенурка

Производство 1951 година, Cх = 0,40

Panhard Dyna

Производство 1954 година, Cх = 0,26

Porsche 356 A

Производство 1957 година, Cх = 0,36

MG EX 181

Производство 1957 година, Cх = 0,15

Citroën DS 19

Производство 1963 година, Cх = 0,33

NSU Sport Prinz

Производство 1966 година, Cх = 0,38

Mercedes C 111

Производство 1970 година, Cх = 0,29

Volvo 245 Комби

Производство 1975 година, Cх = 0,47

Audi 100

Производство 1983 година, Cх = 0,31

Mercedes W 124

Производство 1985 година, Cх = 0,29

Lamborghini Countach

Производство 1990 година, Cх = 0,40

Toyota Prius 1

Производство 1997 година, Cх = 0,29

Volkswagen XL1

Създаден 2011 година, Cx = 0,19

Прототип Ecorunner Shell Ecomarathon

Създаден 2018 година, Cx = 0,045

Lucid Air

Производство 2022 г., Cx = 0,197

General Motors EV1

Производство 1996 г., Cx = 0,19

Xiaomi SU7

Производство 2024 г., Cx = 0,195

По-добра от Duster?