Законы классической механики не дают автодизайнерам развернуться

Телеграф «Вокруг Света»: Воздушные оковы дизайнера 

Воздушные оковы дизайнера

Законы классической механики не дают автодизайнерам развернуться

  
В автомобиле SLR McLaren его создатели стремились объединить стиль SLR 50-х годов с современными высокотехнологичными решениями. Разработка аэродинамической концепции велась Mercedes-Benz совместно с McLaren. Днище автомобиля было решено сделать практически гладким, а под задней частью кузова установить специальный шестиканальный диффузор, как бывает у автомобилей Формулы-1. Фото: Daimler AG

Многие полагают, что внешний вид автомобиля определяется исключительно технической эстетикой и вкусами дизайнеров. Но в действительности это не так: свобода дизайнера очень ограничена техническими возможностями автомобильной промышленности и объективными законами классической механики. В сражении с сопротивлением воздуха и в стремлении максимально использовать его поток для улучшения устойчивости автомобиля на дорогах у конструкторов и дизайнеров нередки удачные находки, но бывают и лжеулучшения, когда создаётся лишь видимость хороших аэродинамических качеств. 

Первые «безлошадные экипажи» унаследовали форму экипажей конных — как правило, легких прогулочных колясок. Учитывая, что скорость передвижения таких автомобилей редко достигала 20 км/ч, говорить о серьёзном влиянии воздушного потока на технические характеристики такого транспорта не приходится. Скорее, мог досадить порыв ветра. Но уже ко второму десятилетию своей истории автомобили претерпели серьёзные изменения. Появление всё более мощных двигателей вынудило конструкторов задуматься о способах преодоления сопротивления встречного потока воздуха. 

Первые достижения в аэродинамике автомобилей совершались благодаря спортивным автомобилям, которые несколько отличались от своих серийных собратьев — энтузиасты-водители заменяли детали на меньшие по размеру, а то и вовсе отказывались от них за ненадобностью. Так, у автомобилей для пробегов и кольцевых гонок появились маленькие щитки-крылья на колесах, защищавшие от грязи, но не создававшие такого сопротивления, как заводские крылья-подножки. Этой же цели служили маленькие щитки вместо цельного переднего стекла. Тогда же додумались закрывать брезентом место, где никто не сидит — силуэт автомобиля получался более гладким.

  
Сигароподобный гоночный автомобиль Type C 1936 года от Auto Union на гонках Donau-Ring в 2002 году. Фото: AUDI AG

В 1920-е годы спортивный автомобиль стал самостоятельным явлением — до этого для спортивных целей использовались исключительно переделанные серийные модели. Одноместный, похожий из-за сужавшейся «кормы» на лодку автомобиль с открытыми колёсами и низким стеклянным щитком перед водителем — вот характерный образ спортивных авто того времени. 

В 1930-е годы их облик поменялся: кузов сузился, поэтому в дверях появились специальные вырезы для локтей. Дальнейшее развитие технологий и конструкторской мысли привело и к еще большей дифференциации: автомобили теперь делали специально для конкретных типов гонок. Такими стали знаменитые сигароподобные автомобили Mercedes-Benz и Auto Union межвоенной эпохи. Дизайн спортивных автомобилей, создававшихся в последние перед Второй мировой войной годы, до сих пор восхищает своей неповторимостью, функциональностью и красотой.

За два межвоенных десятилетия произошли серьезные изменения в компоновке и серийного автомобиля. Посмотрите на дореволюционные Руссо-Балты — они довольно высокие, и при их создании использовали прямую раму лестничного типа (автомобиль без установленного кузова напоминал лежащую лестницу с приделанными колесами). Когда на раму устанавливался кузов, особенно закрытый, конструкция получалась неустойчивой, с большой площадью поперечного сечения, из-за этого и лобовое сопротивления оказывалось очень высоким. Было ясно, что высоту автомобиля нужно уменьшать, но неясно, как это сделать.

  
Lancia Lambda 1922–1925 годов. Итальянcкий конструктор Винченцо Ланча называл свои автомобили буквами греческого альфавита. Начал он с «альфы», каждая новая модель называлась следующей греческой литерой. Так через некоторое время появилась Lancia Lambda. Этот длинный низкий четырехдверный «фаэтон» с откидывающейся крышей над задними сиденьями, рассчитанный на шестерых человек, перевернул существовавшее в то время представления об автомобиле. Фото: Fiat Group

В 1922 году в Италии появляется «низкорослая» Lancia Lambda. Винченцо Ланча (Vincenzo Lancia, 1881–1937) первым из конструкторов применил революционную конструкцию — несущий кузов. Все агрегаты крепились к кузову, а не к раме. К слову, Lambda также была первой серийной машиной с независимой подвеской, амортизаторами и многими другими новшествами, достойными отдельного рассказа. Уменьшение высоты автомобиля достигалось также благодаря двигателю V-образной компоновки с малым углом между цилиндрами. Такой двигатель получался короче и ниже, чем рядный, и ýже, чем традиционные V-образные двигатели. Внешне машина выглядела угловатой и излишне удлиненной, но за счет уменьшения высоты у нее улучшилась  управляемость и снизилась площадь поперечного сечения. 

Lancia Lambda нельзя назвать неудачной моделью — за девять лет было произведено больше одиннадцати тысяч машин, но автомобильная индустрия по какой-то причине не приняла несущий кузов в качестве стандарта. Возможно, произошло это из-за сложившейся практики заказывать кузов в кузовных ателье или по причине отсутствия расчетных методов, позволяющих делать несущие кузовы изящными. В любом случае, стандартом межвоенной эпохи стали автомобили на изогнутых рамах. Взгляните на автомобили исчезнувшей американской компании Duesenberg. При таком низком ветровом стекле внутри должно оставаться мало места. Но как раз после моторного отсека рама искривляется и уходит вниз, так что салон получается полноценным. В области заднего моста рама возвращается вверх, это позволяет разместить все агрегаты ходовой части. Такое решение не выигрывает у несущего кузова Lancia в плане аэродинамики, но оно привлекательно по технологическим причинам — на одной раме можно выпускать автомобили с несколькими типами кузовов. К концу 1930-х годов европейские автопроизводители начали выпускать автомобили на изогнутых рамах. В качестве примера можно привести BMW 328 1939 года и её спортивную версию Mille Miglia. Подтверждением отличных характеристик стала максимальная скорость 150 км/ч при объеме двигателя около двух литров. 

Послевоенный период знаменит появлением «народных» автомобилей. Ими стали Fiat 500, модель VolksWagen, известная как Käffer («Жук»), и Citroën 2CV. Все они обладали весьма скромными двигателями, поэтому особое внимание уделялось аэродинамике кузова. Эти автомобильчики запомнились плавными линиями, округлыми формами. Длинный карданный вал отсутствовал, а коробка передач, двигатель и приводные полуоси устанавливались единым блоком. У Fiat и у VW заднее расположение двигателя и задний привод, у Citroën двигатель расположен спереди и передний привод. 

  
Cadillac Eldorado 1959 года. Фото (Creative Commons license): General Motors

Когда же быт Европы наладился, началась мода на понтонный дизайн кузова, который характеризовался отсутствием выступающих крыльев, их рудиментов и подножек.  Для моделей того периода характерны достаточно гладкие боковины со стилистическими штамповками.  

Понтонный дизайн увлёк и американских автоконструкторов, хотя и ненадолго. Как раз в конце 1950-х американские автомобильные концерны начинают ежегодно обновлять модели. Поэтому, если Cadillac Eldorado 1953 и 1954 годов были в стиле понтон, то уже после 1957 года модели выполнялись в аэрокосмическом стиле, который легко распознать по характерным «стабилизаторам» на задних крыльях, обилию хрома, панорамным ветровым и задним стеклам, задним фонарям, напоминающим по форме реактивные двигатели. Все эти украшения не давали преимущества в аэродинамических характеристиках из-за большого веса самих автомобилей и избыточности стилистических решений. Это тот случай, когда автомобиль скорее казался аэродинамичным, чем был таковым. 

  
Cамый известный автомобиль компании Citroёn — модель DS. Поскольку буквенный индекс его названия был созвучен французскому слову «déesse» — богиня, автомобиль так и прозвали «Богиней». Дизайнеры до сих пор считают Citroёn DS одним из самых красивых автомобилей в истории человечества. Как правило, фотографии не дают полного представления о потрясающей элегантности этой машины. Фото: © Citroën Communication

В это же время появился удивительный автомобиль Citroën DS. Французские инженеры изобрели гидропневматическую подвеску, но решили на этом не останавливаться и снабдили свой представительский автомобиль большим количеством различных нововведений — низкий капот, ниспадающая линия крыши и крышки багажника, частично закрытые арки задних колес. Автомобиль обладал неплохими аэродинамическими характеристиками и выглядел настолько обтекаемым, что в фильме «Фантомас» Citroën DS летал при помощи выдвигающихся крыльев. И в это было легко поверить.

В июне 1968 года на автомобиле Формулы-1 Ferrari 312 впервые появляется антикрыло, позволяющее создавать дополнительную прижимную силу. Появление этого решения ознаменовало важный поворот в сознании конструкторов и дизайнеров. Если раньше они старались избегать влияния воздушного потока, то теперь воздух должен был работать на автомобиль. Дальнейшее развитие автоспорта связано с использованием встречного потока для улучшения характеристик автомобиля. В 1970 году известный автоконструктор Колин Чепмен (Anthony Colin Bruce Chapman, 1928–1982) создал передовой автомобиль-клин Lotus 72, весь корпус которого походил на антикрыло. Но ещё большую известность получил другой его автомобиль — Lotus 78 1976 года, впоследствии переработанный в Lotus 79. Особенность Lotus 78 заключалась в профилированном днище и наличии резиновой «юбки» по бокам. Задняя часть автомобиля была приподнята, что вместе с профилем днища создавало разряжение под автомобилем. А резиновые «юбки» по бокам не давали попадать в зону разряжения лишнему воздуху. Позднее появились модели, где граунд-эффект (именно так назвали эффект прилипания автомобиля к дороге) создавался за счет вентиляторов.

  
Концерн General Motors использует самую мощную на сегодняшний день аэродинамическую трубу, которая находится недалеко от Детройта. Воздушный поток, достигающий скорости 240 км/ч, создает циклопических размеров (диаметр около 13 м) вентилятор, который приводится в действие электродвигателем мощностью 4500 л.с. Согласно законам аэродинамического моделирования, воздушный поток, огибающий машину, должен быть достаточно объемным — чтобы избежать влияния стен, искажающих картину обтекания. Как и любой прибор такого рода, мичиганская труба оборудована точнейшими «весами», замеряющими аэродинамическое сопротивления автомобиля в целом и его отдельных частей. Фото (Creative Commons license): Joe Polimeni/General Motors

В 1970-е годы появляются полноразмерные аэродинамические трубы — стенды для испытания аэродинамики автомобиля. Ранее автоконструкторам приходилось обклеивать испытуемый автомобиль маленькими полосками бумаги и в движении снимать на кинокамеру с соседнего автомобиля их колебания. Появление аэродинамических труб улучшило ситуацию с испытанием верхней части автомобиля, но нижняя часть долгое время создавала проблемы — сказывалось то, что под автомобилем находилась неподвижная поверхность, искажавшая результаты. К концу 1980-х годов с внедрением системы отсоса воздуха через отверстия в полу, которая позволяла имитировать движение полотна дороги под автомобилем, стало возможным получать достоверные результаты, не прибегая к постройке специальных макетов. Сегодня передовые аэродинамические трубы оснащены подвижным полотном и способны имитировать скорость до 240 км/ч.

Нефтяной кризис 1970-х годов вынудил инженеров отказаться от лжеулучшений и заняться серьёзной работой. Вскоре они избавились от «стабилизаторов» на кузове и «ракетных хвостов», разработали гладкие боковины и достаточно низкий капот. В первой половине 1980-х годов появляются автомобили с клиновидным силуэтом: Mercedes-Benz 190 и удивительная Audi 100, коэффициент лобового сопротивления которой составил 0,32! 

За последнее десятилетие аэродинамичные обводы кузова стали стандартом: практически все линии автомобиля приобрели округлые формы. Но, как оказалось, округлый кузов не гарантирует хорошей аэродинамики. В Audi TT первого поколения обнаружился серьезный изъян — с ростом скорости задние колеса отрывались от дорожного полотна. Причиной этому стала излишняя округлость автомобиля. Только после установки спойлера подъемную силу удалось нейтрализовать.

Сегодня коэффициент лобового сопротивления (коэффициент обтекаемости) большинства европейских автомобилей приближается к 0,3. Для примера, коэффициент лобового сопротивления ВАЗовской «семёрки» составляет 0,46. Чтобы снизить коэффициент хотя бы на одну сотую, требуется прикладывать всё больше усилий. Последняя модель Mercedes-Benz E класса обладает коэффициентом лобового сопротивления 0,26, и это большое достижение. Конструкторам пришлось применять специальные спойлеры на днище для снижения сопротивления от каждого колеса и множество других хитростей. Наименьшим же коэффициентом лобового сопротивления обладают автомобили, предназначенные для установления рекордов скорости, их коэффициент равен 0,2–0,15. 

  
Mercedes-Benz F 700. Фото: Daimler AG

По мнению дизайнеров Mercedes-Benz F 700, пришла пора снова изменить представление о том, каким должен быть автомобиль. Представительский автомобиль с двигателем 1,8 л. обладает характеристиками автомобиля с V-образными двигателями объемом 3 л. Естественно, достичь этого без новых аэродинамических решений. Дизайнеры начали с переосмысления опыта прошлого — закрыли задние арки полупрозрачными колпаками. Благодаря небольшому двигателю салон удалось сдвинуть вперед и вниз (компоновка «cab forward»). Капот двигателя очень плавно переходит в ветровое стекло кабины. Заднее стекло переходит в ниспадающую крышку багажного отсека. Облик F 700 необычен. Но, возможно, именно так в будущем будут выглядить автомобили, которые возьмут вверх в затянувшейся битве с воздухом.

Алексей Коваль, 04.03.2008

This entry was posted in Uncategorized and tagged , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s