Теория движения

Сальто назад на скорости 300 км/ч. А Вам слабо?

Только ленивый не выдвигал свою теорию по поводу знаменитых полетов в Ле-Мане. Некоторые утверждают, причина была в аэродинамике, другие уверены, виновата подвеска. А если учесть все возможные факторы? Перед нами откроется полная картина произошедшего, из чего можно будет сделать как всегда неожиданные выводы и предположения. Итак, вернемся почти на десять лет назад и попробуем узнать, откуда растут крылья у спортивных машин.

Многие следят в гонках исключительно за любимыми пилотами. Машины такими болельщиками классифицируются на "ведра" и "самовозками".

Считаем это в принципе не правильным. Гонки - не футбол, где можно победить исключительно на морально-волевых. Да и в том же футболе иногда массажистов даже вспоминают. А что уж говорить про гонки, где пилот - всего лишь наконечник стрелы (с) Биг Найдж. От взаимодействия сотен людей зависит, будет ли Ваш любимец стоять на верхней ступени подиума или же бросит якорь на обочине уже в начале гонки.

Итак, добро пожаловать в мир Техники.

Первая статья о герое конца девяностых. Наследнике чемпионской машины 97 года. Мерседес ЦЛР и его полеты в Ле-Мане:

Статья Дэвида Хансена, приправленная собственными умозаключениями.

Для начала коснемся вопросов аэродинамики. Почему закрытые прототипы более склонны к полетам, нежели их открытые сородичи? Кстати, данный вопрос особенно актуален сейчас, когда так называемые купе будут постепенно вытеснять баркетты с трасс в старшей категории.

Начнем с нескольких иллюстраций. Конечно, в соответствии с самыми фундаментальными из технических принципов, мы пытаемся упростить аэродинамику, чтобы читатель мог ясно представить себе, каковы потенциальные проблемы. Дэвид сделал пару набросков, чтобы сравнить характер обтекания кузова купе и баркетты. В данном случае это Мерседес ЦЛК ГТР и Ауди Р8. Сразу бросается в глаза тот факт, что своеобразное крыло, окутывающее купе, является намного более толстым, то, что окутывает Ауди. Что это означает?

Для более толстого крыла у купе очевидно, что расстояние, которое воздух должен преодолеть по пути от носа к хвосту гораздо больше, чем у тонкого крыла у баркетты. Если предположить, что поток воздуха с обеих сторон от крыла движется с одинаковой скоростью, легко представить, что на прохождение над автомобилем ему нужно больше времени. Вспомнив закон Бернулли, который говорит о том, что. чем быстрее перемещается воздух, тем ниже давление, мы можем предположить, что более толстое крыло производит больше подъемной силы, чем тонкое. Кстати, именно поэтому наиболее выгодная с точки зрения аэродинамики форма половинки капли не нашла применения в автомобилестроении – автомобиль просто напросто взлетал бы при первой удобной возможности.

Чтобы проверить, насколько велики подъемные силы и разряжение на поверхности автомобиля далеко ходить не надо. Возможно самое достоверное графическое свидетельство – проблемы, с которыми столкнулись специалисты из Ингольдштпдта на тестах купе Ауди Р8Ц в 99 году. В Интернете можно найти фотографии этого автомобиля с оторванной напрочь дверью.

Это была одна из главных проблем во время тестирования автомобиля. Даже кожух двигателя однажды попытался отделиться от автомобиля. Очевидно, разряжение, действующее на элементы обшивки, было больше, чем ожидал проектировщик. На Пти Ле-Мане 98 года на главной прямой автомобиль Мазда РИкс-7 дважды лишался заднего стекла благодаря разряжению и просчетам в конструкции.

Какие же силы противодействуют подъемной и удерживают автомобиль на асфальте при скорости под 350 км/ч? Прежде всего вес – около тонны. Во-вторых – граунд-эффект. «Подождите, скажете Вы, - у них плоское днище, они не могут использовать влияние ускорения потока у поверхности земли." А вот и нет. Носовая часть плоского днища расположена ближе к земле, чем хвостовая часть. Получаемый угол наклона кузова равняется 2-5 градусам. Этот небольшой угол обеспечивает львиную долю всей прижимной силы, действующей на автомобиль. Любой, кто видел эти автомобили, может засвидетельствовать, угол, который плоское днище образовывает с поверхностью дороги, едва заметен. Обычно, если команда экспериментирует с изменением продольного угла наклона кузова для каждой трассы, изменения заключаются всего лишь в 3-4 миллиметрах. Это к вопросу о том, насколько важен угол наклона кузова.

А теперь представим на секунду, что нос оказывается расположен относительно дороги по каким-либо причинам выше хвоста. Аэродинамическая сила, производимая днищем автомобиля, становится подъемной. Это давление быстро и необратимо растет, поскольку нос все время поднимается вверх. Максимально возможная подъемная сила может быть достигнута в пределах нескольких градусов подъема носа. На скорости 320 км/ч эта сила может достигать 2 тонн. Это вдвое больше, чем нужно, чтобы поднять автомобиль над землей. Следующие иллюстрации были произведены при анализе CFD (математическое моделирование динамики газовых сред) крыла без влияния сторонних объектов и того же самого крыла в близи поверхности земли.

Красная область указывает на высокое давление. Заметьте, насколько обширнее красная область под крылом, расположенным в непосредственной близости от какого-либо объекта. Это иллюстрирует главную проблему не только всего кузова в целом, но и установки антикрыльев – существенное влияние близкорасположенных объектов, основной аспект исследования для так называемой «интерференционной» аэродинамики.

Теперь вспомним, что у кузова есть начинка. Как она может повлиять на летные способности автомобиля? Так как у большинства спортивных автомобилей двигатели расположены перед задней осью, и так как правила для Гранд Ам и АЛМС предполагают, что ноги водителей должны остаться позади переднего оси, разумно ожидать что центр силы тяжести этих автомобилей расположен ближе к корме. Будет ли этот центр совпадать с точкой приложения подъемной силы? Это установить без дополнительных исследований и засекреченной информации практически невозможно. Проводя параллели с теорией аэродинамики для крыла самолета, можно предположить, что точка приложения подъемной силы расположена ближе к передней части крыла – там где оно имеет большую ширину и само давление под крылом максимальное. Следовательно, центр подъема при «неправильном» продольном угле наклона кузова расположен ближе к носу, чем центр тяжести. Эта пара сил образует момент, который стремиться повернуть автомобиль вокруг его оси. В дополнение ко всем неприятностям у автомобиля на хвосте расположено еще и антикрыло, которое, естественно, имеет тенденцию поднимать нос автомобиля. С началом подъема носа автомобиля на высокой скорости ничто не может остановить процесс. И мы, конечно, не ожидаем от автомобиля, что он, подобно экраноплану, просто напросто зависнет над дорогой. Если процесс «сальто» запущен, пилоту остается надеяться на мягкое приземление. А зрителям – на то, что их по близости от этих акробатических этюдов не будет. Внезапное появление подъемной силы ничем скомпенсировать нельзя, что с блеском доказали полеты Мерседеса в Ле-Мане и Порше в американском его аналоге.

А что же «подвесочная» теория? Как известно, заднюю подвесу пытаются сделать мягкой в разумных пределах, чтобы беспрепятственно передавать всю мощность двигателя дорожному полотну, несмотря на микронеровности рельефа. Как видно из фотографии прототипа Райли и Скотта Мк III, на вершине подъема передние колеса отрываются от земли в следствие возникновения вертикальных и горизонтальных ускорений, и как следствие, перераспределения веса.

К счастью, скорость на данном участке трассы не достаточна для возникновения достаточной подъемной силы. Не были ли полеты Мерседеса ЦЛР вызваны более мощным двигателем? Как известно, хотя Штутгарт и выиграл на ЦЛК ГТР чемпионат ФИА ГТ, для победы в Ле-Мане взвешенного сочетания скорость/надежность не хватило. Модель ЦЛР была развитием идей, заложенных в удачный ЦЛК. Благодаря новому V8 (вместо V12) он стал легче и прибавил в удельной энерговооруженности. Но для того, чтобы передать мощность двигателя, как говорилось выше, заднюю подвеску, видимо, сделали немого более мягкой, чем на ЦЛК. Авария Мерседеса произошла на небольшом подъеме, где, в следствие определенной мягкости подвески и большего перераспределения веса, нос автомобиля вполне мог оказаться выше хвоста, чего было достаточно для запуска необратимого на данной скорости процесса.

В сериях с плотной борьбой, когда машины на большой скорости следуют друг за другом цепочкой вероятность продольного переворота значительно возрастает. Для машины, находящейся в разряжении аэродинамической тени достаточно небольшой неровности дорожного полотна, чтобы встать на дыбы. В случае с ЦЛР никаких объектов, обеспечивающих разряжение над кузовом, по всей видимости не было.

Если взглянуть на проблему более широко, можно прийти к неожиданным выводам. Всегда ли порывы чиновников из технических комиссий различных серий к повышению безопасности приводят исключительно к положительным результатам. Не кажется ли читателям, что инженеры и конструкторы, зажатые в тесные рамки жесткого технического регламента сознательно идут на риск, чтобы выжать из отвечающей всем правилам конструкции максимум, на что она способна?

Часто узкие места конструкции становятся очевидны только после серьезного происшествия…

• < Назад