История преодоления: как электромобили изменили форму машин

Противники электромобилей в частности и современных автомобилей вообще часто вменяют им в «вину» скучный дизайн. Действительно, если посмотреть на современные электромобили, то за редким исключением вроде Tesla Cybertruck, все они выглядят на удивление похоже. Регулярно доходит даже до того, кто у кого украл дизайн. Так в чем же дело? Ответ прост — в аэродинамике. Ее значение с приходом электромобилей стало решающим. И тот, кто способен снизить сопротивление воздуха оказывается в выигрышном положении. А законы физики едины, то есть аэродинамичные машины просто обязаны быть похожими.

Самолет наоборот

Знаменитому российскому авиаконструктору Андрею Туполеву приписывают одну фразу. Его как-то попросили создать атомный самолет. На что Туполев ответил, что атомная станция — это дом. А дома не летают.

Эти золотые слова справедливы и для автомобилей. Автомобиль можно сделать каким угодно в плане дизайна. Но он должен ездить и ездить хорошо. Применительно к электромобилям хорошо — это в том числе и далеко на одном заряде.

На что вообще тратится энергия при движении автомобиля. Если разогнать любую машину, включить «нейтраль» в трансмиссии, то при движении по прямой она рано или поздно остановится. Остановят ее именно те силы, на преодоление которых и тратится энергия. И тут не так важно, откуда эта энергия берется — от сжигания топлива или из электрической батареи.

Разница на самом деле только в том, что зарядить батарею несколько сложнее (и дольше),чем заправить бак бензином, а сам бак занимает меньше места.

Так на что тратится энергия. Начнем с самого очевидного — на преодоление силы трения механизмов автомобиля. С учетом современного уровня металлообработки и качества смазочных материалов, на это уходит совсем немного энергии.

Другая статья расхода — преодоление сопротивление качению шин автомобиля. При движении шина немного сминается, а для этого нужна энергия. Эта энергия и расходуется. Вот почему современные автопроизводители советуют накачивать шины до некомфортных с точки зрения плавности хода 2,3 и более атмосфер. А производители шин выпускают эко-модели с пониженным сопротивлением качению.

Однако все это — цветочки. Главный источник расхода энергии — преодоление сопротивления воздуха. Оно возрастает в квадратной прогрессии относительно скорости. Проще говоря, при увеличении скорости автомобиля вдвое, например с 50 до 100 км/ч, сопротивление воздуха возрастает в четыре раза. И при скорости 100% именно на преодоление сопротивления воздуха расходуется до 75% энергии.

Более того, максимальная скорость любого автомобиля ограничена именно воздухом. Фактически, максимальная скорость — это такая скорость, при которой на преодоление сопротивления воздуха хватает максимальной мощности автомобиля.

Для примера, возьмем серийную машину с самой большой максимальной скоростью в мире. Это гибридный Bugatti Tourbillion мощностью 1800 л.с., который может развивать 445 км/ч. Чтобы ехать еще быстрее ему нужно больше мощности.

Вы спросите, а как же самолеты летают быстрее? Ну, во-первых, они мощнее. А во-вторых, они летают выше, где воздух более разрежен, а значит и его сопротивление ниже.

Изобретение аэродинамики — от Жуковского до Росса Брауна

До конца 19 века аэродинамике не придавали большого значения, да и самой такой науки не существовало. Действительно, как улучшить обтекаемость лошади? Никак! Знания о силах воздушных потоков применялись, скорее, в парусном судоходстве, нежели об этом думали конструкторы наземных транспортных средств.

Идея о том, что протекание воздушных потоков требует особого изучения появилась с возникновением авиации. Идея подъемной силы проста: площадь крыла сверху должна быть больше площади снизу. Тогда поверху то же количество воздуха будет проходить больший путь, то есть как бы растягиваться. Растяжение означает понижение давления, а значит давление на крыло в полете сверху будет ниже, чем снизу — вот и возникает подъемная сила.

Казалось бы, что проще — сделать крыло в профиль с плоской нижней частью и полукруглой верхней — и проблема решена. Но практика показала, что воздух не хочет протекать по такой очевидной траектории и возникают паразитные завихрения.

Началось кропотливое изучение физики воздушных потоков. Первопроходцем в этой области по праву считается российский ученый Николай Жуковский, основоположник аэродинамики, предложивший, фактически, современный профиль крыла самолета.

Уже к середине 1920-х аэродинамикой увлеклись и автомобильные конструкторы. Стало понятно, что рост скорости без снижения сопротивления воздуха попросту невозможен. Поначалу боролись именно за обтекаемость, причем методом проб и ошибок. Главной ошибкой, однако, стал сам изначальный подход.

Оказалось, что как и в случае с самолетами, для автомобилей крайне важна подъемная сила. Только она должна быть со знаком минус — то есть прижимной. Эта казалось бы очевидная мысль стала догмой ценой многих аварий, унесших не одну жизнь. Обтекаемые автомобили, красивые, как крылья, попросту улетали с дороги.

Если вам кажется, что речь о давно минувших днях, и специалисты по автомобильной аэродинамике давно со всем разобрались, то вы ошибаетесь. Помните купе Audi TT? Первое поколение этой машины появилось сравнительно недавно — в 1998 году. И тут же вызвало скандал. На скорости 150 и более км/ч машина просто улетала с дороги. Производитель был вынужден объявить отзывную компанию и дооснастить уже выпущенные машины небольшими спойлерами сзади — они способствовали тому, чтобы воздух позади машины не стягивался с покатой крыши, вызывая подъемную силу, а, напротив, высасывался из-под днища.

Спустя всего всего год Mercedes выпустил на гонку «24 часа Ле-Мана» гоночный автомобиль CLR, который на скоростной прямой Мульсан буквально взмывал в воздух, поднимался на несколько метров, совершал в воздухе переворот и падал на землю. Нет, так задумано не было. Разбив таким образом три машины из четырех, команда снялась с гонки. Благо никто из пилотов не получил серьезных травм.

С прижимной силой учение разобрались только в начале 21 века. В 2008 году, читая новый технический регламент Формулы 1, руководитель команды Honda Росс Браун произнес: «если все написанное — правда, в следующем году мои машины будут непобедимы».

Брауну не поверила даже Honda. Команда была на последнем месте в зачете, и производитель принял решение уйти из Ф1. Браун выкупил команду, дал ей свое имя, и его новая машина в следующем году действительно оказалась непобедима. Благодаря аэродинамике, она буквально липла к асфальту и проезжала повороты с невиданной скоростью.

Как электромобили изменили индустрию

Однако настоящий прорыв в автомобильной аэродинамике происходит на наших глазах. Сопротивление воздуха складывается из двух основных параметров. Это площадь лобового сечения автомобиля и коэффициент лобового сопротивления. Чем ниже значение каждого из этих параметров, тем меньше нужно энергии для движения автомобиля.

Поначалу конструкторы больше трудились над снижением площади. Потому, автомобили из фильмов 1970-х годов такие длинные и низкое. Именно таким способом можно сделать машину достаточно просторной, но в то же время компактной в лобовой проекции. Идеалом впрочем стали спорткары — предельно низкие машины.

Однако вскоре выяснилось, что далеко не все автомобилисты готовы ездить в низких машинах. Уже в 1980-е развернулся обратный тренд, когда популярными стали сначала минивэны, а позже кроссоверы. Цены на топливо тогда шли вниз, и поначалу проблем не было. До появления электромобилей.

Для электрокаров низкое сопротивление воздуха — залог большого запаса хода. И инженерам вновь пришлось решать задачу снижения этого сопротивления. Сделать машины ниже уже не особо получалось -покупатель хочет автомобили с высокой и комфортной посадкой. А значит нужно снижать коэффициент лобового сопротивления — он обозначается как Cd.

Условно говоря, если автомобиль обладает «аэродинамикой кирпича», то его Cd равен 1. Если воздух вообще без сопротивления обтекает машину, то Cd равен 0. На практике крайние значения невозможны. Но чем ближе Cd к 0, тем лучше.

Мода на обтекаемые кузова возникла на самом деле еще в конце 1980-х, причем это был мировой тренд. Скажем, специалисты АвтоВАЗа благодаря тщательной проработки кузова в аэродинамической трубе смогли снизить коэффициент своей «Десятки», ВАЗ 2110 до 0,3. Это до сих пор лучший показатель среди всех отечественных автомобилей. У Lada Priora и Lada Vesta он хуже.

Но именно с появлением массовых электромобилей в этой области был достигнут существенный прогресс. Сейчас даже у кроссовера Tesla Model Y Cd равен 0,23! А у лучших серийных электрических седанов (седан по определению более обтекаем) этот показатель ниже 0,2!

Вот почему мы в Rucars обязательно указываем коэффициент лобового сопротивления, когда пишем о новых моделях. В сочетании с габаритами, весом и емкостью тяговой батареи именно этот показатель в конечном счете определяет запас хода.