Ноги, хвост... Главное - крылья!

Современный автомобиль Формулы-1 немыслим без антикрыльев. Аэродинамика давно стала ключевым моментом в борьбе за повышение гоночных характеристик машин Формулы-1. А такой авторитетный специалист как технический директор McLaren Эдриан Ньюи вообще считает, что техника Формулы-1 ближе к самолетам, чем к обычным автомобилям.

Первым делом самолеты
Как работает крыло обычного дозвукового самолета? Профиль такого крыла представляет собой некий несимметричный контур (рис. 1, а). Набегающий поток воздуха огибает это препятствие. Часть газа обтекает крыло вдоль верхней поверхности, часть - снизу. Благодаря специальному профилю крыла поток газа, текущий сверху вынужден развивать большую скорость, поскольку верхний контур длиннее нижнего. И согласно закону Бернулли (см. врезку) на верхней части крыла возникает большее разрежение, чем на нижней, в результате чего на крыло начинает действовать подъемная сила Fy.Однако поток воздуха трудится не бескорыстно, создавая помимо «полезной» подъемной силы еще и «вредную» силу аэродинамического сопротивления Fx.

Разворот крыла относительно потока воздуха (изменение угла атаки α) приводит к изменению сил Fy и Fx, позволяя таким образом регулировать подъемную силу крыла (рис. 1, б). Путь потока воздуха, обтекающего крыло сверху, в этом случае становится еще больше, соответственно возрастает и подъемная сила. Однако и сила сопротивления при этом растет.
Тем не менее благодаря своей высокой эффективности (коэффициент аэродинамического качества может превышать 20 единиц) и возможности регулирования подъемной силы в широких пределах крылья подобного типа нашли широкое применение в дозвуковой авиации. В автоспорте же их просто перевернули и заставили вместо подъемной производить прижимную силу.

Гнуть свою линию
В Формуле-1 «плоские» (с прямой хордой) антикрылья использовались лишь в начале «аэродинамической эры» в конце 60-х годов. Но при малом сопротивлении «плоские» профили обеспечивают сравнительно небольшие коэффициенты прижимной силы сy, поэтому в чистом виде в Формуле-1 они сейчас не используются. Крылья самолета создают достаточную подъемную силу за счет своей площади и большой скорости набегающего потока. Инженеры же Формулы-1 вынуждены «упаковывать» антикрылья в небольшие объемы пространства, где их размещение дозволено регламентом. А учитывая «тихоходность» автомобилей Формулы-1 по меркам даже дозвуковой авиации, единственным способом увеличения прижимной силы на антикрыле становится обеспечение большего значения коэффициента сy с помощью специального профиля.
Как его получить? Очень просто: необходимо изогнуть среднюю линию профиля (рис. 2, а). Такое антикрыло будет работать не только за счет разгона воздуха на нижней кромке, но и за счет разворота потока газа. Возникающие при этом центробежные силы передаются на крыло и вносят свою лепту в создание прижимной силы, то есть используется реактивное воздействие струи воздуха на крыло.
Однако изгибать крыло можно до определенного предела, иначе возникнет другое нежелательное явление - срыв потока на задней поверхности. Поток воздуха, текущий вдоль нижней поверхности крыла, не может «вписаться» в слишком крутую траекторию, задаваемую профилем, поэтому в задней части крыла образуется зона разрежения, куда затягивается уже миновавший было крыло воздух, и возникают срывные вихри (рис. 2, б). Естественно, что это резко повышает силу аэродинамического сопротивления и снижает эффективность работы крыла.

Сложный состав
Для решения этой проблемы был найден простой путь: крыло большой кривизны необходимо выполнять из нескольких аэродинамических элементов (рис. 3). Газ, перетекающий сквозь щели, препятствует возникновению зоны сильного разрежения за крылом, исключая появление мощных вихрей и повышая аэродинамическую эффективность крыла. Кроме того, на передних кромках отдельных крыльев возникает дополнительное ускорение потока, что позволяет увеличить прижимную силу, возникающую на таком составном крыле.
Крылья подобной схемы используются на современных автомобилях Формулы-1. Конечно, но максимальной аэродинамической эффективности они уступают крыльям летучих собратьев, зато обеспечивают куда более привлекательные значения коэффициента сy (рис. 4). График отражает зависимость аэродинамического качества двух типов антикрыльев от коэффициента прижимной силы. По мере увеличения угла атаки до определенного момента аэродинамическое качество растет, потом, достигнув максимума, оно снижается, хотя коэффициент подъемной силы еще некоторое время продолжает увеличиваться. Затем крыло, по сути дела, перестает работать, и оба параметра снижаются. «Плоское» крыло показывает хороший результат по максимальной эффективности, зато составное криволинейное крыло обеспечивает солидный коэффициент прижимной силы сy.
Для более эффективного использования пространства, отведенного под размещение антикрыльев, их часто выполняют по схеме «биплан» или «триплан» (рис. 4, б и в). При этом антикрыло состоит из двух или трех, каждое из которых, в свою очередь, может включать несколько аэродинамических плоскостей. Действующие с начала 2001 года требования ограничивают число аэродинамических элементов в верхней части заднего антикрыла тремя. Раньше это количество было неограниченно, и на трассах, требующих большой прижимной силы, задние антикрылья представляли собой внушительные структуры, состоящие из 6-8 узких крылышек. В конечном итоге новый регламент привел к уменьшению общей площади задних антикрыльев и к снижению коэффициента сy.
Ограничения технического регламента сделали получение достаточной прижимной силы более сложной задачей. Ведь решать проблему теперь приходится не числом, а умением. Ограниченное число аэродинамических элементов нужно расположить друг относительно друга в наиболее эффективном порядке, который, кроме всего прочего, должен исключать появление нежелательных вихрей. Но оказывается, и срыв потока может служить для увеличения прижимной силы.

Нестись вихрем
Одним из способов повышения прижимной силы, действующей на антикрыло, является применение специальных закраин на его задней кромке (рис. 5). Закраины создают определенное аэродинамическое сопротивление и выглядят на первый взгляд довольно вредными элементами, но возникающее за ними разрежение позволяет еще больше ускорять поток воздуха под крылом и увеличивать таким образом разрежение, действующее на его нижнюю часть. Часто закраины выполняются довольно хитроумной формы при виде спереди, что позволяет нужным образом организовать воздушный поток в поперечном направлении, например, «заманить» его под днище машины.

Как и крылья самолетов, антикрылья автомобилей меняют свои аэродинамические характеристики при изменении углов атаки. Этим пользуются инженеры при точной настройке во время испытаний и тренировок. Однако следует иметь в виду, что пределы эффективных регулировок сложных крыльев Формулы-1 невелики, поэтому, по сути дела, для каждой конкретной трассы разрабатывается своя конструкция антикрыльев, настроенных на требуемую прижимную силу, а изменением угла атаки производят «косметические» регулировки. Антикрылья, разработанные для Гран При Италии, не дадут желанного преимущества в Монако, сколь ни экспериментируй с углами атаки.
Антикрылья современной Формулы-1 не всегда создаются на основе одного аэродинамического профиля. Очень часто антикрыло имеет различные формы профиля и углы атаки в разных продольных сечениях. Ведь на самом деле поток газа вокруг реального крыла не плоский, как показано на рисунках для наглядности, а трехмерный, да еще изобилующий разнокалиберными вихрями, поэтому для эффективного его обуздания необходимо применять антикрылья замысловатой формы. Особенно в этом смысле выделяется переднее антикрыло, являющее собой сложную трехмерную конструкцию, изогнутую сразу в нескольких плоскостях.
Изучая особенности работы антикрыльев автомобилей Формулы-1, важно помнить, что отдельные аэродинамические элементы работают не обособленно, а в тесной взаимосвязи друт с другом. Например, воздушный поток, попадающий на заднее антикрыло, имеет отнюдь не горизонтальное направление. Сильное разрежение, действующее в задней части машины за диффузором, отклоняет набегающий на заднее антикрыло поток вниз, поэтому передняя кромка заднего антикрыла слегка задрана, обеспечивая безотрывное обтекание крыла ниспадающим потоком.
А на работе переднего антикрыла сказывается близость поверхности трассы. Трасса поджимает воздушный поток к антикрылу (рис. 6), заставляя газ разгоняться под крылом несколько сильнее, чем если бы оно свободно парило в небесах. В результате повышается разрежение, действующее снизу крыла, и, соответственно, увеличивается коэффициент прижимной силы сy. Для эффективной реализации подобного «граунд-эффекта» антикрыло должно располагаться достаточно близко к поверхности трассы, однако с начала сезона 2001 года технический регламент ограничивает минимальное расстояние от антикрыла до базовой плоскости величиной 100 мм (раньше оно составляло 50 мм), что, естественно, снижает прижимную силу на переднем антикрыле. Как, впрочем, и было задумано.
Помимо самих аэродинамических плоскостей в конструкцию антикрыла автомобиля Формулы-1 входят вертикальные торцевые пластины, призванные исключить перетекание воздуха с верхней части антикрыла на нижнюю, где действует разрежение. Ведь перетекание воздуха приведет к образованию мощных конусообразных вихрей, что резко снизит аэродинамическое качество всего автомобиля. Торцевые пластины передних крыльев часто имеют небольшие дополнительные дефлекторы для направления воздуха в обход самых ненавистных для спецов по аэродинамике элементов - колес.

У всех свои недостатки
Использованию антикрыльев в гоночных автомобилях присущ один принципиальный недостаток. Дело в том, что и прижимная сила, и аэродинамическое сопротивление антикрыла увеличиваются пропорционально квадрату скорости автомобиля. Но при движении по прямой гигантская прижимная сила не нужна, тем более не нужно аэродинамическое сопротивление, ей сопутствующее. А антикрыло при большой скорости, как назло, «трудится» особенно усердно, заставляя инженеров постоянно искать компромисс между настройками на быстрые и медленные участки трассы. Избежать этого недостатка помогли бы антикрылья с изменяемыми геометрическими характеристиками. Например, эластичные антикрылья, меняющие форму и угол атаки при увеличении скорости. На рисунке 7 приведены характеристики жесткого и эластичного антикрыльев. Гибкое антикрыло, обеспечивая хорошую прижимную силу в среднем скоростном диапазоне, при увеличении скорости прогибается под напором воздушного потока, уменьшает угол атаки и оказывает куда меньшее сопротивление движению на больших скоростях. Увы, такие антикрылья в настоящее время запрещены правилами, и одной из процедур проверки автомобиля Формулы-1 на соответствие техническому регламенту как раз является определение жесткости его антикрыльев.
Однако только лишь антикрыльями проблема аэродинамической эффективности гоночного автомобиля не исчерпывается. Значительную лепту в создание прижимной силы вносит само шасси, играя роль большого антикрыла, парящего в нескольких сантиметрах над поверхностью трассы. Но это тема для отдельного разговора.

Основные понятия аэродинамики
На любой объект, движущийся в газовой среде, действует аэродинамическая сила F. Силу F для удобства раскладывают на две составляющие. Одна из них направлена параллельно скорости движения объекта, но в противоположную сторону - сила аэродинамического сопротивления Fx. Другая - перпендикулярно скорости движения объекта - подъемная или прижимная сила Fy.
Проводя эксперименты, ученые установили, что часто аэродинамические силы пропорциональны произведению плотности воздуха ρ, квадрата скорости движения объекта относительно воздуха V и характерной геометрической характеристики элемента S, благодаря которой аэродинамические силы возникли (например, площадь крыла):

где сx - коэффициент аэродинамического сопротивления, cy - коэффициент подъемной или прижимной силы, ρ - плотность воздуха.
Коэффициент сx достаточно часто используется и в мире обычных автомобилей. С его помощью характеризуют обтекаемость дорожных машин. Коэффициент cy отражает способность объекта создавать подъемную или прижимную силу.
По большому счету, специалисты по аэродинамике в Формуле-1 преследуют две основные задачи: достижение высокого коэффициента прижимной силы cy и снижение коэффициента сопротивления сx. Эти коэффициенты связаны друг с другом, и изменение одного ведет к изменению другого. Например, увеличение коэффициента cy за счет установки дополнительного аэродинамического элемента приводит к увеличению коэффициента сопротивления сx. Для оценки того, насколько сильно создание той или иной прижимной (подъемной) силы сказалось на обтекаемости объекта, вводят коэффициент аэродинамического качества К, равный отношению сx к cy.
Естественно, важны не только величины аэродинамических сил, но и точки их приложения. Точки приложения сил Fx и Fy к автомобилю Формулы-1 определяют его аэродинамический баланс.

Закон Бернулли

Закон Бернулли является одним из проявлений закона сохранения энергии. Суть его можно свести к следующему: при разгоне газового потока давление в нем уменьшается. Наоборот, при торможении потока давление в нем растет. Говоря проще, при разгоне потока молекулы газа как бы «отвлекаются» на движение, соответственно сил на хаотичное «стучание» по поверхности движущегося объекта у них становится меньше, что и проявляется в снижении давления газа.
Благодаря этому принципу возможна работа большого количества технических приборов, например, карбюраторов, в которых разрежение в разогнанном газовом потоке используется для всасывания паров топлива из поплавковой камеры.

Артем Краснов