Аеродинамичният автомобил – (не)възможната формула?

21 Jan 2025

„Аеродинамиката е за тези, които не могат да правят мотори.” Думи, изречени от Енцо Ферари през шейсетте години и ясно демонстриращи отношението на голяма част от тогавашните конструктори към този технологичен аспект в автомобила. Идеята на следващите редове е да изясним защо е било така и какво се е променило.

Само десетина години след изказването на Енцо Ферари 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. Сред имената, които историята на развитието на аеродинамичните концепции споменава е и това на българина Владимир Шопов.

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 (или Cd), 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. Част от целият процес на създаване на формите е така нареченият Computational Fluid Dynamics (CFD), който на практика е сложен софтуер за симулиране на поведението на формата (в конкретния случай автомобила) по отношение на взаимодействието му с въздушните слоеве. Освен това чисто практично за измерването на коефициента на обтекаемост е необходим аеродинамичен тунел, защото колкото и странно на изглежда CFD няма потенциала да замести получаването и анализа на огромния брой данни получени в аеродинамичния тунел.

Последният от своя страна е скъпо и изключително сложно съоръжение – като пример за това може да служи пуснатият в експлоатация през 2009 г. тунел на BMW (всъщност цяла поредица от архитектурно вградени един в друг аеродинамични тунели, на представянето на който имах щастието да присъствам), който тогава 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 и хечбек 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 конструкции 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, както например направи това Wet Nellie – онзи Lotus Esprit на Джеймс Бонд в „Шпионинът, който ме обичаше“ с Роджър Мур. 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 0,23, са оптимизацията на два основни компонента. Първият е свързан с намаляването на необходимостта от големи количества въздух за охлаждащата система на двигателя, което 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 голяма част от модерните автомобили се използват т.нар. „въздушни завеси“ под формата на тънки вертикални потоци въздух, насочени от отвори в периферията на предната броня, преминаващи покрай колелата и стабилизиращи вихрите. Потокът към двигателя при моделите с ДВГ се ограничава от аеродинамични жалузи (същото решение се използва и при електрическите автомобил, просто ефектът не е толкова ярко изразен), а дъното се покрива с панели, доколкото е възможно.

Колкото по-ниски са стойностите на съпротивителните сили, измерени от ролковия стенд, толкова по-нисък е Cx. Принципно във формулата за силата необходима за преодоляване на въздушното съпротивление фигурират параметри като плътността на въздуха, квадратът на скоростта на автомобила и коефициентът на обтекаемост. Конструкторите обикновено измерват последния при скорост от 140 км/ч, а стойност от 0,30 например, като съвсем опростен модел означава че 30 процента от въздуха, през който преминава автомобилът, е бил ускорен до скоростта на неговото движение. В такъв случай става ясно защо един куб има Cx = 1,05. 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, постепенното увеличаване на размера на автомобилите във всеки един клас води до увеличаване на челната площ и оттам до нарастване на въздушното съпротивление. Така се оказва че автомобили от първото десетилетие и половина на 21 век като например VW Golf, Opel Astra и BMW серия 7 оказват 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 луксозният модел се добавя към друг рекордьор с изключително нисък регистриран коефициент на обтекаемост за 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, намаляване на налягането и създаване на „издърпваща“ сила, зад него с контрола на вихрите и работата на дифузьора, така и потоците за охлаждане и генериране на притискаща сила върху сложно конфигурираните редно и задно крило. Дори без „орнаментацията“ си един автомобил от Формула 1 например има коефициент на обтекаемост от около 0,63. С конфигурацията на подподовата конструкция, каналите, многоелементното предно и задното крило и най-вече, благодарение на откритите гуми коефициентът на обтекаемост надминава 1,0! Тоест е равносилно на съпротивлението на куб, но…с много важното уточнение че става дума прецизно моделирани форми за създаване на сили на притискане.

Но, както казахме, това е друга вселена и изисква отделен материал. Това, което е важно да се спомене и касае реалния свят на „конвенционалните“ автомобили е взаимодействието между дизайнерите и специалистите по аеродинамика. Защото стилистите могат да създадат невероятно красиви форми, но 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 започне 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 заявят – това няма как да бъде изработено….

Предимството на електромобилите

Още един пример за значимостта на аеродинамичната форма на фона на теглото са съвременните хибридни и електрически 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 и намаляване на аеродинамичния шум, който става отчетлив когато липсва звукът от двигателя с вътрешно горене. 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.

Тези предимства обаче са добавка към изначално ефективните аеродинамични форми. Много ярко може да бъде сравнението между електрическите модели Ionic 5 и Ionic 6 на Hyundai. Докато при първият е търсен ефектът на „ретро“ формата с намигване на оригиналния Pony и създаване на кросувър с уклон към хечбек, вторият е насочен към цялостно посвещаване на конструкцията на аеродинамичната ефективност. Резултатът е коефициент на обтекаемост от 0,288 срещу 0,21 при една и съща основа (платформата E-GMP)! И само като факт: докато Tesla Model 3 има Cx = 0,23, Tesla Cybertruck варира от 0,382 (без огледала със затворена задна част) до 0,585 при вдигната каросерия и отворена задна част. При това тук става дума само за обтекаемост на формите, но не и за техните размери.

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 един от най-ефективните от гледна точка на инвестициите начини за намаляване на разхода на гориво.