Технология аеродинамічній труби для болідів Формули 1

управління освіти Адміністрації р. Єкатеринбурга управління освіти Адміністрації Кіровського району р. Екатеринбурга.

Недержавне освітнє установа СОШ «Индра».

Технологія аеродинамічній труби для болідів Формули 1.

|Направление: |науково-технічний | |Дослідницька робота (реферат) |із фізики |.

|Исполнитель, |Ю. А. Бондин | |учень 8 класу | | | | | |Учитель фізики СОШ «Индра» |М. Ю. Бондина | | | | |Керівник, |А. Р. Бондин | |директор в розвитку | | |ЗАТ «Адаптируемые Прикладні Системи», | | |к.т.н., доцент | |.

р. Екатеринбург.

2005 г.

Содержание Введение. 3 1. Основи аеродинаміки. 4 1.1. Помилка Ньютона. 6 1.2. Ефект Бернуллі. 10 1.3. Прилади для вимірів тисків і швидкостей серед. 12 1.4. Обтікання тіл повітряним потоком. 15 2. Аеродинаміка боліда Формули 1. 19 2.1 Передні і задні антикрылья. 19 2.2. Диффузор. 22 2.3. Бічні дефлекторы. 23 2.4. Воздухозаборник. 24 2.5. Слипстрим. 25 3. Аеродинамічні труби. 27 3.1. Історія створення та розвитку технології аеродинамічній труби. 28 3.2. Конструкції аеродинамічних труб. 31 3.3. Аеродинамічні труби для болідів Формули 1. 34 3.4. Вазовская труба. 41 Використані джерела. 44.

Відомо, що Формула-1 (F1) одне із найбільш видовищних видів спорту поступається за кількістю глядачів хіба, що тільки чемпіонату світу з футболу. Тисячі глядачів на трибунах автодромов мільйони телеглядачів у своїх екранів дві години азартно спостерігають за автомобілями Формули-1, несущимися трасою з шаленою швидкістю. На прямих боліди розвивають швидкість до 380 км/год (Хоккенхайм — Девід Култхард) й ті, хто сидять на трибунах бачать автомобіль лічені секунди, який завжди встигаючи розрізнити шолом пілота. Саме швидкість робить Формулу-1 настільки популярной.

У ідеалі єдино важлива мета гоночного боліда Формули 1 — перемогти. І найкраща — та конфігурація і начинка машини, яка допомагає досягти этого.

Існує багато чинників, які слід урахувати під час створення цих неймовірно складних машин. Основні елементи боліда — монококовое шасі, корпус, підвіска, двигун, і колеса. Конструктор має знайти оптимальні рішення кожного з цих елементів, щоб зробити краще, що може дозволити собі команда, з бюджета.

Підвіска забезпечує механічне зчеплення, через амортизатори і демпферные механізми, а грамотно спрямований повітряний потік впливає аэро-сцепление і це створює прижимающую силу. Багато дні конструктори проводять в аеродинамічній трубі, працюючи над настройками аэро-начинки із єдиною метою забезпечення максимальної прижимающей сили кожному гальмуванні. Оптимальними настройками аероі механічних елементів досягається оптимальна керованість, і пілот має можливість атакувати повороти, не побоюючись недоповорачиваемости (коли болід зносить убік) і переповорачиваемости (коли болід повертає занадто різко, і втрачає зчеплення задній міст), перебуваючи в упевненості у своїй машине.

Коли машина зібрано, відповідальність за правильність настройок, що стосуються механічного і аэро-сцепления, лежить головного конструктора. Він може змінювати початкові установки (закрилки впливають на аеропоказники, демпфера і валки — на механічні) з досягнення конфігурації, найпридатнішою для пілота, його стилю водіння. Звісно, на вирішальній ролі грає думка самого гонщика. Якщо не задоволений машиною, йому буде важко показати у ньому найкращий пилотаж.

Беручи усе це до уваги, можна зрозуміти, сучасний болід Формули 1 — була дуже непроста річ. Складність і необхідна точність при створенні деталей потребує великих грошових витрат, потребує багато часу, безліч людей трудиться з того, щоб зробити болід досконалим — втім, не стоїть вживати слово «досконалий », либонь у F1 немає ідеальних механизмов.

Безупинне розвиток, прогрес надзвичайно важливі, і тижня простою неодмінно обійдеться втратою кількох дорогоцінних сотих секунди по порівнянню з суперниками. Якість деталей постійно поліпшується, більшість команд протягом усього сезону використовують по дві-три моделі двигуна, і до кінця року машина може бути зовсім іншим звіром, не тим, з яким починалася кампанія. Робота конструктора в Формулі 1 будь-коли закінчується. Я захоплююся гонками Формули 1, регулярно дивлюся етапи чемпіонату і хворію за команду FERRARI (і його першого пілота — Міхаеля Шумахера). Я завів роботу з цього рефератом, бо мені було цікаво дізнатися, чому одні боліди виграють, інші немає. Існує багато чинників успіху команд в гран-прі: шини, мотор, майстерність пілота, гальма, підвіска і й іншого. Але темою даного реферату вивчення аеродинамічних властивостей боліда, оскільки вони, передусім, визначають результат гонки. І тому було поставлено такі цілі: вивчити основи аеродинаміки, елементи аеродинамічного пакета боліда, ознайомитися з історією створення, конструкцією і класифікацією аеродинамічних труб, на досвіді досліджувати собі силу й коефіцієнт аеродинамічного сопротивления.

1. Основи аэродинамики.

Аеродинаміку часто називають «чорної магією ». Можливість змусити щось невидиме б зробити вас якусь роботу воістину заворожує. Фахівець із аеродинаміці, надавши гоночному болиду певну форму, змусить повітряні потоки обтікати болід у такий спосіб, а чи не інакше, але цю тему завжди закрита у розмовах із інженерами, бо кожна з команд у тому компоненті хоче випередити своїх суперників хоча б на шаг.

Відомо, що Формула 1 протягом останніх десятиліття стала самим високотехнологічним змаганням у світі, де лише одна десята секунди може розділити переможця і програв. Поруч із мотором і гумою, однією з найбільш важливих ролей в продуктивності боліда грає аеродинаміка. Часто саме вдалий аеродинамічний пакет боліда, підготовлений до чергової Гран При вирішує результат гонки.

Аеродинаміка — наука, вивчає процеси обтікання твердих тіл рідинами і газами. Що стосується Формули-1 аеродинаміка одне з головних наук, використовуваних під час проектування болидов.

Конструктор, створюючи болід, намагається домогтися компромісу, між його аеродинамічним опором і прижимной силою, у аеродинаміці боліда F1 великі галузі досліджень — це аэродинамическое гальмування, внаслідок чого болід втрачає швидкість, і сила, притискає болід до трассе.

Почнемо наше розгляд з аеродинамічного гальмування. Аеродинаміка — поняття достатньо заплутана. Звідки можуть взятися якісь сили, адже нічого немає?! Ну, невеличке попереднього обговорення, внесе деяку ясність у цей і питання допоможе зрозуміти, що йде речь.

Уявіть, що ви ведете свою машину на дні величезної цистерни з водою — гальмування очевидна, правда? Нині ж уявімо, що у цистерні повітря. Тепер нічому викликати гальмування? Помиляєтеся! Будь-яка рідина й будь-який газ складаються з частинок, здатних сковзати щодо друг друга.

Деякі частинки сильніше прилипають до решти, не можуть рухатися так просто. Це називається в’язкістю. Коли рідина чи газ (наприклад, вода чи повітря) рухається над нерухомій поверхнею, прошарок частинок, найближче розташованих до цієї поверхні, прилипає до ній. Шар частинок, розташований безпосередньо з нього, рухається, але з буде настільки швидким, як міг би, оскільки його гальмують нерухомі частинки на поверхні. Шар частинок з нього теж гальмується, але вже так, і таке інше. Що далі від нерухомій поверхні, то швидше рухаються частинки, наразі їх швидкість не зрівняється зі швидкістю основного потоку. Шар, у якому частинки рухаються уповільнена, називається прикордонним шаром і виникає про всяк поверхні. Цей шар створює одне із трьох компонентів аеродинамічного гальмування, званий фрикционным опором обшивки.

Сила, затрачиваемая те що, щоб розсунути молекули повітря при русі, створює другий компонент аеродинамічного гальмування — так зване лобове опір. У аеродинаміці розміри дуже важливі! Хоча що і не можете цього відчути, але проштовхувати долілиць крізь в’язкий повітря мисочку легше, ніж велику тарілку, просто тому, що з русі тарілки вам доведеться зрушити з місця більше молекул повітря — адже поверхню больше.

Так само від величини фронтальній поверхні боліда залежить випробовуване їм лобове опір (фронтальна поверхню — те, що видно розглядаючи болід попереду). Чим менший ця поверхню, тим менше молекул болиду доведеться розштовхувати на своєму шляху, тим менше лобове опір. Чим менший енергії двигун машини витрачає на розштовхування молекул повітря, тим більше коштів її залишається для розгону боліда по трасі, і, то швидше рухатися болід за тієї ж потужності двигателя.

На жаль, в усіх так усе просто. Форма рушійної об'єкта теж відіграє чималу роль, від неї залежить, наскільки легко будуть розступатися молекули повітря. Повітря слід за що просувалася поверхнею, тому проштовхнути крізь повітря пласку тарілку важче, ніж миску з похилими стінками, навіть якщо площа їх фронтальних поверхонь однакова. Повітря буде прийняти із легкістю обтікати стінки миски, тоді як у пласкою поверхні тарілки потік повітря застревать.

Дослідники у сфері аеродинаміки встановили, що вигідна з погляду легкості обтікання повітрям форма об'єкта — каплеобразная, з закругленої передній частиною суспільства і витягнутої задньої. Більшість людей подивом дізнаються звідси, бо очевидним, що пронизувати повітря краще витягнутим загостреним об'єктом, а чи не чимось товстим і закругленим. Тож ми поступово наближаємося до обговорення проблеми відриву повітряного слоя.

Коли повітря слід за вигином поверхні (чи навіть змінює собі напрямок руху), в нього немає ніяких проблем поки вигин його траєкторії залишається невеликим. Якщо ж вигин вельми крутий, чи напрямок руху несподівано різко змінюється (як це буває під час зустрічі загостреним об'єктом), повітрю доводиться відірватися від поверхні, оскільки йому не вистачає енергії слідувати з ним. Зазвичай така ситуація небажана, оскільки цьому прикордонний шар стає більше й починає гальмувати повітряний потік перед об'єктом — фактично діючи як твердий бар'єр. Отже, загострений об'єкт, який нібито має легко пронизувати повітря, насправді відчуває сильне аэродинамическое торможение!

Третій компонент аеродинамічного гальмування називається «аеродинамічним опором ». Воно постає як побічний продукт аеродинамічній прижимной сили. Саме тому, мрія фахівця з аеродинаміці боліда F1 звести нанівець гальмування довести до максимуму прижимную силу і залишиться мечтой!

Три компонента аеродинамічного гальмування сильно ускладнюють завдання проектувальника болідів! Чим більший аэродинамическое гальмування, тим стараннішими повинен працювати двигун боліда у тому, щоб машина рухалася на певної скорости.

Потужність моторів, тим щонайменше, стає дедалі більше, і високу швидкість руху можна досягнути навіть за сильному аэродинамическом гальмуванні. Тому мета конструкторів болідів Формули 1 насамперед у тому, щоб досягти максимальної прижимной сили, і потім вже розбиратися зі аеродинамічним торможением.

Спеціалістам з аеродинаміці просто катастрофічно бракує прижимной сили! Що більша зусилля вони зможуть отримати від повітря, тим більше зусилля передається на полі зачеплення покришок і тим сильніше буде зчеплення покришок з поверхнею треку. То що ж він цього добиваются?

Щоб усе пояснити, візьмемо приміром найпростішу аеродинамічну форму — крило, з якого літаки отримують можливість літати. До 70-х років нікому й на думку не приходила чудова думку перевернути його з ніг на голову, щоб підйомна сила, яка відриває літак від злітно-посадкової смуги, могла використовуватися для притискання боліда до треку.

Отже, в аеродинаміці Формули 1 розпочався переворот. Раніше метою конструкторів було зведення до мінімуму лобового опору з допомогою округлих форм боліда, але тепер болід Формули 1 — що завгодно, тільки гоночний автомобіль із округлої формою обшивки і мінімальним лобовим опором, оскільки у місце вийшла прижимная сила.

Процеси взаємодії твердих тіл з рідинами і газами (при малих швидкостях і температурах набегающего потоку) описуються одними й тими самими рівняннями. При великих швидкостях (близько — і надзвукових) повітря починає стискатися та поводитися істотно інакше. Далі будуть розглядатися основи аеродинаміки тільки малих (дозвуковых) швидкостей, оскільки швидкості болідів F1 хоча й великі (до 350 км/год), але значно менше швидкості звуку (1220 км/ч).

1.1. Помилка Ньютона.

У основи аеродинаміки лягли дослідження великих учених, як-от Ньютон і Бернулли.

У 1686 року Ньютон видав свою знамениту книжку «Математичні початку натуральної філософії» — цю першу, кажучи його словами, спробу «підпорядкувати явища природи законам математики». У ньому було заплановано шлях пізнання, як природи опору повітряної середовища, і причини виникнення піднімальної сили на пласкою, похилій платівці. Ньютон спробував втілити окремі, часто ще неясні ставлення до причини опору повітря в струнку систему поглядів. Його послідовники і продовжувачі перевели ці погляди на короткий, виразний мову математичних символов.

Здебільшого, істота поглядів Ньютона зводилося ось до чого. Повітря є скупчення безлічі нескінченно малих частинок. Частинки подібні маленьким твердим шарам — де вони взаємодіють друг з одним, що немає пружністю, тертя з-поміж них мізерно мало. Як при дощ окремі краплі ударяють по руці, як за Ньютону, на всяке тіло, запроваджене повітряний потік, обрушується град дрібних куль — окремих частинок воздуха.

Чим більший поперечні розміри тіла, то більше вписувалося куль зашкодить нього за одиницю часу: сила удару прямо пропорційна площі поперечного перерізу тіла, рушійної в воздухе.

Чим щільніше повітря — більше куль в одиниці обсягу — сильніше буде їхнє удару тілу, який рухається зі старою швидкістю: сила удару прямо пропорційна щільності того становища, у якій рухається тело.

Що буде, якщо тіло почне швидше? — піднімав питання Ньютон. Нехай, відповідав він, тіло почне, наприклад, втричі швидше. Тоді за одиницю часу воно встигне зустріти своєму шляху до три рази більше куль, й у зустрічний кулю, ще, вдарить рух тіло у тричі сильніше. Отже, робив висновок Ньютон, сила удару в цьому випадку зросте у 3×3 раза.

Отже, сила удару буде пропорційна квадрату швидкості руху тіла в нерухомому повітрі, або квадрату швидкість руху повітря щодо нерухомого тела.

За підсумками створеної Ньютоном ударної теорії опору тіл дійшли формулам визначення сили удару чи, як його почали називати, сили опору. У лівої частину цієї формули записувалась бажана сила опору (F). У правій частині, крім фронтальній площі поперечного перерізу тіла (P.S), щільності середовища (() і квадрата швидкість руху (V) — був записаний ще коефіцієнт (З), під назвою коефіцієнтом пропорциональности.

[pic], (1.1) де: F — аеродинамічна сила сопротивления;

З — коефіцієнт сили сопротивления;

V — швидкість даного объекта;

P.S — фронтальна (лобова) площа поперечного перерізу тела;

(= щільність воздуха.

З теорії Ньютона слід було, що це коефіцієнт (З) постійний для будь-якого тіла, незалежно з його формы.

Такий висновок логічно випливав із самого істоти поглядів Ньютона. Так як, на його думку, причиною виникнення сили опору є удар частинок повітря про лобову поверхню тіла, то виходило, що хвостова частина тіла не могла надавати ніякого впливу зміна сили опору. Якщо кулю, циліндр і крапля мають однакові площі поперечного перерізу, то формулі Ньютона виходило, що, рухаючись з однаковими швидкостями й у середовищі все три тіла відчуватимуть однакові за величиною сили опору своєму движению.

До перших спроб, пророблені ще наприкінці XVIII століття, показали, що далеко ще не все вірно теоретично Ньютона. До того часу, поки брали тіла однаковою форми і вимірювали силу опору їх під час руху з різними швидкостями, чи різних за щільності середовищах, наприклад, повітря й у воді, підрахунок за такою формулою давав величини, добре совпадавшие з тими, які було виміряно при досвіді. Але щойно починали відчувати тіла, відмінні друг від друга формою, досвід не підтверджував теорії Ньютона.

Проте критикувати Ньютона так важко вирішувалися. Занадто сильний був її авторитет. Французькі дослідники XVIII століття хоч й покровителі вбачали порочність теорії Ньютона, але з посмів підняти її у правицю і обмежилися лише зазначенням фактів, навіть провівши справді наукового аналізу своїх власних опытов.

Тільки ХІХ столітті великого русского науковець Дмитро Іванович Менделєєв піддав різкій критиці помилкові погляди Ньютона про опір середовища. Інтерес творця Періодичній системи елементів до питань опору середовища руху тіл з’явився випадковим чи тимчасовим. Менделєєв почав вивчати властивості газів що за різних тисках, зокрема і за дуже малих, і переніс свої свої інтереси й у область метеорології. Розвиток метеорології чого залежало від успіхів повітроплавання. Менделєєв не лише виявляв глибокий науковий інтерес до повітроплаванню, але розробляв проекти воздухоплавательных апаратів, зробив політ на повітряній кулі, підтримував винахідників, об'єднував навколо себе ентузіастів летания. Нарешті 1880 року видав чудову книжку — результат великого різнобічного багаторічного труда.

У цій книзі, що називалася «Про опір рідин і воздухоплавании», Менделєєв різкими і точними словами розкрив основну причину помилки Ньютона: «У складному питанні опору середовища, без точного знайомства з дійсністю, Ньютон та інші теоретики задалися гипотезою, не удовлетворяющею природі явлений…».

Менделєєв писав, що «думка про неприложимости ньютоновских почав до віднайденню опорів з особою ясністю і різкістю висловив колись інших відомий український вчений, Борда, капітан французького флоту, що у середині XVIII століття славився як чудовий вчений, і який назавжди залишив багато досліджень, і прийомів, відмінних великим добірністю і точністю. Борда в 1763 року висловився зрозуміло проти Ньютоновой теорії опору, оскільки всі його нечисленні, але ясні досліди з ним несогласованны…».

Однак за тих наукову безпринципність Борда міцно дісталося від російського вченого. Менделєєв писав: «…Він (Борда) показав, що у всіх пунктах теорія Ньютона грішить, але мені більше щось зробив, не поискал будь-якої зв’язок між своїми наблюдениями».

Помилка Ньютона відбувалася через неправильне вихідного припущення. Вирішивши, що повітря складається з окремих незалежних частинок, Ньютон, як наслідок, мав визнати, що іракський опір є результат удару цих частинок про передню частина тіла, що обриси тіла не мають значення щодо сили сопротивления.

Справді, припущення Ньютона вірно лише тому випадку, якщо йдеться про підрахунку опору в надзвичайно розрідженій середовищі. Інакше кажучи, теорія Ньютона годиться тоді, коли це треба підрахувати, яке опір відчує міжпланетний корабель під час проходження його через верхні, надзвичайно зріджені області земної атмосфери, віддалені від Землі на сотні кілометрів. Для літаків, літаючих в щільному повітрі в розквіті одного-двох десятків кілометрів, і більше для болідів F1 ця теорія не годится.

Неправильність вихідного припущення, що породив помилкову ударну теорію, привела послідовників поглядів Ньютона і в іншу помилці: вони створили неправильне формулу визначення піднімальної силы.

Формула дозволяла підрахувати величину піднімальної сили, яку створить платівка, розташована похило до набегающему її у повітряному потоку. Якщо кут нахилу платівки до подання потоку назвати кутом атаки, то формула стверджувала, що підйомна сила пропорційна другого ступеня від синуса кута атаки.

Оскільки синуси малих кутів дуже малі, бувши дріб набагато меншу одиниці, то, отже, квадрат синуса малого кута атаки буде ще менша, і, отже, підйомна сила, подсчитанная у цій формулі, виявиться виключно малої, нездатною підтримувати літальний апарат в воздухе.

Французький учений Даламбер ще наприкінці XVIII століття помітив неправильність ньютоновского «закону квадратів синуса». Інший французький учений — Навье, підрахував, користуючись цим законом, ту потужність, яку міг би розвивати ластівка у польоті. Він здобув фантастичні цифри: тридцять летять ластівок нібито розвивали потужність, рівну однієї кінської силі. Але й Даламбер, і Навье не зробили належних висновків, і не спростували теорію Ньютона. Завдання створення літака їх стояв; без легкого й те водночас потужного двигуна побудувати у ті часи було невозможно.

Якби тепер авіаконструктори захотіли скористатися законом «квадратів синуса», всі вони прийшли б до чудовищному висновку, що жодного сучасний літак літати не может.

Простий досвід показував, що розрахований за такою формулою Ньютона підйомна сила в багато разів менша від тієї, що насправді виникає на крилі. Причому, що менше кут нахилу крила до потоку — кут атаки, тим більше розбіжність між досвідом та теорією. Ця різниця величезна: при вугіллі атаки, рівному 20°, підйомна сила втричі більше обчисленою по ньютоновской формулі. При вугіллі атаки близько 1° теоретичний підрахунок дає величину піднімальної сили майже сто разів менша її дійсного значення, яке виходить у своїй з опыта.

Не дивно, що багато винахідників опускалися руки, щойно вони, з урахуванням формули Ньютона, дійшли висновку, що запроектований ними літальний апарат зможе літати, оскільки його підйомна сила буде менше веса.

Великий, талановитий російський конструктор С. С. Неждановский у самому кінці уже минулого століття багато і добре який попрацював над розвитком планерів, але довго котрий у полоні теорії Ньютона, одного разу занотував, як підсумок своїх розрахунків: «…Створення літального апарату, постаченого паровими двигунами — невозможно».

Не все не так теоретично Ньютона. У ньому правильно враховано вплив щільності середовища, швидкість руху і збільшення розмірів поперечного перерізу тіла. Варто було відкинути помилкове те, що повітря подібний до скупченню куль, ударяющих по які йшли у ньому телам.

Великий Ломоносов був охарактеризований першим, хто говорив про струмі, про перебіг повітря. Його розмірковування про струмі повітря вивели нову науку — науку про русі повітряних мас — із безвиході, у якому вона находилась.

У 1749 року у «Нових коментарях» Академії наук, було опубліковано ряд чудових робіт першого російського академіка. Одна робота: «Досвід теорії пружною сили газів» містила основи кінетичної теорії газів. Робота «Міркування причину тепла й холоду» наносила смертельного удару по в той час удаваної теорії теплорода «Про вільному русі повітря, в рудниках примеченном», стала першої роботою, присвяченій вивченню руху повітряних масс.

Досліди Ломоносова, що призвели на відкриття закону збереження речовини і вони теоретичної підвалинами закону збереження енергії, дозволили зробити істотний висновок у тому, що повітря є сумішшю, по крайнього заходу, двох газов.

Думки Ломоносова про повітрі, про його властивості, про закони, яким підпорядковане його рух, висловлені двоє століть тому, залишаються правильними і сегодня.

Друг Ломоносова, найбільший математик XVIII століття, Леонард Эйлер, дійсний член Петербурзької Академії наук, пануючі в селі ці думки в струнку математичну форму. Зовні формула Эйлера визначення сили опору мала велике схожість із першої формулою Ньютона.

У правій частині формули Эйлера також записані і його площа поперечного перерізу тіла, та масове щільність середовища, і квадрат швидкість руху. Також — що це було правильним у Ньютона (див. 1.1).

Але замість коефіцієнта пропорційності (З), введеного Ньютоном, Эйлер написав новий, як і назвав, коефіцієнт опору. Це принципово змінило істота закону: коефіцієнт опору різний для тіл різною форми (див. Табл. 1.1).

Таблиця 1.1.

Коефіцієнт опору для тіл різною формы.

[pic].

Такого висновку Эйлер прийшов, переглянувши основу теорії Ньютона. Повітря не можна розглядати, як скупчення окремих дрібних частинок, вважав Эйлер. Повітря є матерія, безупинно розподілена в просторі, стверджував він. Звідси учений робив важливий висновок: опір, яке має тіло при своєму русі повітря, не наслідком удару повітря про передню частина тіла; опір є результат тієї різниці тисків, що виникає перед тілом, і його при обтіканні його потоком воздуха.

Інший учений, працював у Росії, академік Данило Бернуллі написав класичний працю «Гідродинаміка», у якому виклав відкритий їм закон, який встановлює залежність між тиском серед і швидкістю движения.

Так, на зміну ударної теорії Ньютона прийшла струйная теорія опору, основні тези і найголовніші висновки якої зберегли чинність до сьогодні. Так, ще у вісімнадцятому столітті, працями учених Михайла Ломоносова, Леонарда Эйлера, Данила Бернуллі у Росії було закладено той міцний фундамент, яким у початку ХХ століття Микола Єгорович Жуковський спорудив величний будинок нової науки — аэродинамики.

Другу формулу Ньютона — «закон квадратів синуса» Эйлер не торкнувся. Дослідника цікавило лише опір середовища, і свої праці створював потреб развивавшегося кораблебудування. Питання піднімальної сили, знання котрих необхідне для авіації, їх займали. Так помилковий «закон квадратів синуса» продовжував некритично сприйматися вченими, вважали, що Ньютон було ошибаться.

1.2. Ефект Бернулли.

Ефект Бернуллі грає величезну роль діях аеродинамічних поверхонь болідів F1. Ефект Бернуллі виражається рівнянням, відомим як «Рівняння Бернуллі «, яке стверджує, що це загальна енергія даного обсягу речовини не змінюється; і це спирається на фундаментальний закон природи — закон збереження энергии.

Коли ми розглядаємо відносне рух газу (чи рідини), то енергія ділиться втричі части:

. тиск у воздухе;

. кінетична енергія повітря (енергія движения);

. потенційна енергія воздуха.

Болід F1, що у нерухомому чи рухливому щодо нього повітряному потоці, відчуває із боку останнього давление:

. у разі (коли повітряний потік нерухомий) — це статична давление;

. і друге разі (коли повітряний потік рухливий) — це динамічний тиск, воно частіше називається швидкісним напором.

Статична тиск у струмку повітря аналогічно тиску яка покоїться рідини (вода, газ). Вода в трубі може у стані спокою чи руху, але у обох випадках стінки труби відчувають тиску з боку води. Що стосується руху води тиск буде кілька меньше.

Відповідно до Закону збереження енергії, енергія цівки повітряного потоку у різних перетинах є сума кінетичній енергії потоку, потенційної енергії сил тиску, і становища тела.

Ця ж сума — величина постоянная:

Екин+Ер+ +Еп=оспst, (1.2).

Кінетична енергія (Екин) — здатність рушійної повітряного потоку здійснювати роботу равна.

[pic] (1.3) де m — маса повітря, кг; V-скорость повітряного потоку, м/с. Якщо замість маси m підставити масову щільність повітря р, одержимо формулу визначення швидкісного напору q (в Н/м2).

[pic] (1.4).

Потенційна енергія (Ер) — здатність повітряного потоку здійснювати роботу під впливом статичних сил тиску. Вона равна.

Ep=PFS, (1.5) де Р — тиск повітря, Н/м2; F — площа поперечного перерізу цівки повітряного потоку, м2; P. S — шлях, пройдений 1 кг повітря через дане перетин, м; твір SF називається питомим обсягом і позначається v, підставляючи значення питомої обсягу повітря на формулу (1.4), получим.

Ep=Pv. (1.6).

Енергія становища (En) — здатність повітря здійснювати роботу при зміні становища центру ваги даної маси повітря, при підйомі на певну висоту і равна.

En=mh (1.7) де h — зміна висоти, м.

Позаяк у процесі гонки F1 рівень ландшафту змінюється дуже сильно, то останню величину (енергію становища) можна взяти за константу.

Розглядаючи у взаємозв'язку всі види енергії стосовно певним умовам, можна сформулювати закон Бернуллі, який встановлює зв’язок між статичним тиском в струмку повітряного потоку і швидкісним напором.

Розглянемо трубу (Рис. 1.1) змінного діаметра (1, 2, 3), у якій рухається повітряний поток.

[pic].

Рис. 1.1 Пояснення закону Бернулли.

Якщо за поперечне перетин S1 за секунду до труби входить обсяг повітря (1= S1? V1, то, очевидно, що за перетин S2 той самий обсяг (2 = S2? V2 повітря за секунду виходить, інакше потік повітря десь всередині труби повинен або розірватися, або стиснутися. Бо й те неможливо, то сказане справедливо нічого для будь-якого перерізу труби. Отже, (1= (2= (2= const. Інакше висловлюючись, крізь ці перерізу труби за секунду проходить однаковий обсяг повітря (закон сталості секундних объемов).

S1? V1= S2? V2=S3? V3= const (1.8).

Оскільки поперечні перерізу різні (див. Рис. 1.1) S1> S2> S3, те й швидкості повітря на різних перетинах різні V1< V2< V3.

Для вимірювань тиску в перетинах використовуються манометри (див. наступний розділ), одна трубка яких з'єднана з атмосферою. Аналізуючи показання манометрів (див. Рис. 1.1), можна зробити висновок, що найменше статична тиск (проти атмосферним) показує манометр в сечении 3−3.

Отже, при звуження труби (збільшується швидкість повітряного потоку) статична тиск падає. Причиною падіння статичного тиску і те, що повітряний потік не виробляє ніякої роботи (тертя не враховуємо) і тому повна енергія повітряного потоку залишається постійної. Отже, у разі можлива лише перехід кінетичною енергії повітряного потоку в потенційну і наоборот.

Коли швидкість повітряного потоку збільшується, то зростає й швидкісної натиск і кінетична енергія даного повітряного потоку, а потенційна енергія (статична тиск) падает.

Підставимо значення з формул (1.3), (1.6) і (1.7), в формулу (1.2), і, враховуючи, що енергією становища ми нехтуємо, перетворюючи рівняння (1.2), получим.

[pic] (1.9).

Це рівняння нічого для будь-якого перерізу цівки повітря (газу чи рідини) записується наступним образом:

[pic] (1.10).

Такий вид рівняння є простим математичним вираженням рівняння Бернуллі яке стверджує, сума статичного і динамічного тисків нічого для будь-якого перерізу цівки встановленого повітряного потоку є незмінною. Стисливість повітря на даному разі враховується. З урахуванням сжимаемости вносяться відповідні поправки.

1.3. Прилади для вимірів тисків і швидкостей в потоке.

Тиск і швидкістю потоці вимірюються різноманітними приладами — зондами (манометрами, датчиками, трубками), встановлюваними на місці виміру. Найвища вимога до зонду — він має виміряти ті тиск і швидкість течії на місці виміру, які були до внесення туди зонда; ще, фізична точка, у якій фактично виробляється вимір (тобто. розміри чутливого елемента датчика) мусить бути малої завбільшки порівнянні із ділянкою змін досліджуваного параметра (областю течения).

Розглянемо зонди для вимірів тисків і швидкостей в стаціонарних ламинарных або у середньому встановлених турбулентных течениях.

Тут можна застосовувати інертні вимірювальні прилади, тобто. мають великі маси тверді, рідкі чи газоподібні, деформирующиеся або котрі переміщалися під впливом параметрів потоку при измерении.

Вимірювання малих, середніх і великих тисків виробляється приладами з різноманітними чутливими елементами (пружними, рідкими, электромеханическими тощо.). У аеродинамічних вимірах зазвичай застосовуються рідинні манометри — для виміру невеликих разностей тисків і манометри з пружним елементом — для виміру великих давлений.

Найпростіший їх — U-образный вертикальний рідинний манометр показаний на Рис. 1.2, а.

[pic].

Рис. 1.2 Манометры.

Якщо рідина з питому вагу (= (?g (де, (- її щільність, а g — прискорення вільного падіння) займає становища h1 і h2 при тисках в колінах p1 і р2 (Рис. 1.2., а), то.

[pic]. (1.11).

Що стосується похилих трубок (з точки () Uобразного манометра (Рис. 1.2, б).

[pic] (1.12).

Якщо ж манометр має резервуар перерізом f2, багато великим, ніж перетин f1 отсчетной трубки (рис. 1.2. в), оскільки f1h1=f2h2, то замість (1.12) маємо при відліку від нуля.

[pic].

При вимірах малих разностей тисків, для заливання в манометри зазвичай застосовується спирт. Величини разностей тисків мають порядок одиниць, десятків і перших сотень мм вертикального чи похилого спиртового столба.

У газодинамических течіях, де різниці тисків виражаються вусі в сотнях, тисячах мм вертикального водяного стовпа, тобто. порядку однієї атмосфери і навіть більше, застосовуються високі U — образні манометри, заповнені рідинами, мають велику щільність, ніж спирт (наприклад, тетрабромэтан, ртуть і др.).

Найчастіше на практиці аэрогидродинамических вимірів тисків і швидкостей потоку як зондів застосовуються — трубки різної форми (див. Рис. 1.3) з вимірювальними отворами, з'єднаними з манометрами тонкими гумовими шлангами.

[pic].

Рис. 1.3 Трубки для виміру тисків і швидкостей потока.

Вперше трубки було застосовано в 1723 року французьким ученим Анрі Пито, для виміру швидкості потоку у річці Сени. Він довів, що звичайна скляна трубка, вміщена в потік (див. Рис. 1.4), дозволяє визначити повний натиск величину скорости.

[pic].

Рис. 1.4 Трубка Пито.

Тому часто трубки, мають одне отвір (Рис. 1.3,а), називають трубками Пито. Трубки (Рис. 1.3, б й у) з отворами у критичній точці, й статичними отворами називають трубками Пито-Прандля (див. Рис. 1.5).

[pic].

Рис. 1.5 Трубка Пито-Прандля.

Застосування таких трубок для виміру тисків і швидкостей потоку в в’язкому несжимаемой рідини чи газі полягає в рівнянні Бернуллі (1.10) для встановлених течій ідеальної несжимаемой жидкости.

Рівняння Бернуллі можна використовуватиме обчислення швидкості по тиску, измеренному в так званої «критичної» точці (точці «гальмування», чи точці нульової швидкості) на затупленном носінні трубки зонда повного напору, що у що встановилася потоці (див. Рис. 1.5).

У цьому точці, що у центрі затупленной краю зонда (перетин 0−0) швидкість потоку звертається до нуль (частинки повітря вдаряються в затуплений кінець зонда, і гальмуються до зупинки). У наступних точках поверхнею швидкість зростатиме (частинки повітря починають обминути перешкоду) і далі знову падати, досягнувши на деякому видаленні від носика швидкості загального потоку, тобто. швидкості, що б у тому місці за відсутності трубки. Ця трубка хоч як мене обурює початковий поток.

Рівняння Бернуллі для перетинів 1−1, 0−0 і 2−2 матиме вид.

[pic].

Оскільки V1 = V2, а V1 = 0, то V1 швидкість мусить бути равна.

[pic]. (1.13).

Різниця (P0 — P1) між повний та статичним тиском потоку можна виміряти манометром, тоді як критичної точці (0−0) на затупленном носику трубки проробити отвір і тонкої трубкою з'єднати його з однією коліном манометра, а статичному сечении (2−2) прорізати щілину, і спільні із ній порожнину самої трубки з'єднати гнучкою трубкою з іншим коліном манометра (див. Рис. 1.6).

[pic].

Рис. 1.6 Схема підключення трубки Пито-Прандля до манометру.

Тиск повного напору P0 можна виміряти і окремої трубкою (див. Рис. 1.3,а) розмістивши її щільно в сечении виміру повного натиску з стінкою канала.

Трубка показана на рис 1.3,в вимірює тиск P< P0 з допомогою зривів потоку біля її хвостовій частини й освіти там вихорів, тому розрахований величина V по різниці тисків (P — P1) цієї трубки нічого очікувати дорівнює V1 (швидкості потоку), Але якщо запровадити коефіцієнт? , визначається тарировкой, з цією трубки з условия.

[pic] (1.14) то, знаючи ?, можна й цієї трубкою визначити V1 пo (1.13), замінюючи (P0 — P1) пo (1.14). Також можна запровадити коефіцієнт? й у зонда іншого виду. Цей коефіцієнт повинен залишатися постійним у певному, досить великому, інтервалі швидкостей потоку — тільки тоді ми зонд придатний для до цьому интервале.

1.4. Обтікання тіл повітряним потоком.

При обтіканні твердого тіла повітряний потік піддається деформації, що зумовлює зміни швидкості, тиску, температури і щільність в струйках потоку. Отже, близько поверхні обтічного тіла створюється область змінних швидкостей і тисків повітря. Наявність різних за величині тисків у поверхні твердого тіла призводить до виникненню аеродинамічних зусиль і моментів. Розподіл цих сил залежить від характеру обтікання тіла, її положення серед, конфігурації тела.

Для вивчення фізичної картини обтікання твердих тіл застосовуються різні способи візуалізації картини обтікання тіла. Видиму картину обтікання тіл повітряним потоком прийнято називати аеродинамічним спектром.

Для отримання аеродинамічних спектрів застосовують такі прилади, як дымканалы (див. Рис. 1.7, 1.8 а), використовують шелковинки (Рис. 1.8 б), оптичні методи дослідження (для надзвукових потоків) і др.

[pic].

Рис. 1.7 Дымканал.

1 — джерело диму; 2 — цівки диму; 3 — обтічне тіло; 4 — вентилятор

У дымканале аеродинамічний спектр створюється струменями диму, що випускаються зі спеціального «дымаря» в потік повітря, обтекающий тело.

Сутність способу з допомогою шелковинок у тому, що у цікавлять місцях на поверхню обтічного тіла наклеюються спеціальні шелковинки, які за обдуве тіла розташовуються вздовж обтекающих тіло струминок. Згідно з положенням шелковинок судять про характер руху потоку поблизу поверхні тела.

|[pic] |[pic] | |а |б |.

Рис. 1.8. Візуалізація повітряних потоків. а — у вигляді диму, б — з нитками на транспортному средстве.

Розглянемо аеродинамічні спектри деяких тел.

Пласке платівка (Рис. 1.9), вміщена в потік з точки 90°, створює досить різку зміна руху потоку, обтекающего її: гальмування потоку перед ній, поджатие струминок біля її країв, і освіту безпосередньо за краєм платівки розрідження і великих вихорів, які заповнюють всю область за платівкою. Перед платівкою, де внаслідок гальмування частинок повітря спади їх швидкості нанівець (кінетичною енергії повітряного потоку повністю перетворюється на потенційну), тиск (по рівнянню Бернуллі) буде більше, аніж невозмущенном потоці, а й за платівкою внаслідок розрідження тиск уменьшится.

[pic].

Рис. 1.9 Аеродинамічний спектр пласкою платівки і шара.

Можливо, кулю — ідеально обтічна поверхню? Ні! Справді, спочатку повітря легко обтікає закруглену поверхню кулі. Але коли його повітряний потік мине точку, де кулю має максимальний радіус, йому доведеться слідувати за стрімко сходящейся поверхнею. Для повітря ця завдання більш важка, і повітряний потік вже буде неспроможна слідувати за поверхнею і відірветься від нього, викликаючи турбулентні завихрення. Турбулентні завихрення безладно рухаються із другого боку кулі. Тиск турбулентного повітря нижче, ніж навколишнього спокійного, і тому виникає сила всмоктування, діюча у протилежному щодо руху кулі напрямку і гальмуюча его.

Симетричний каплеобразное тіло (Рис. 1.10), має як плавний характер обтікання, як і передній, і у хвостовій частях.

[pic].

Рис. 1.10 Аеродинамічний спектр каплеподібного тела.

Повітря легко огинає його передню закруглену частина, але там, де з кулі повітря не може вийти за вигином поверхні, і відривається від нього, у каплеподібного об'єкта поверхню похила, й повітря легко її огинає, викликаючи дуже маленька торможение.

У сечении, А — Б (найбільша величина поперечного перерізу) аеродинамічний спектр показує найбільшу деформацію струминок, найбільше їх поджатие. У хвостовій частини утворюються невеликі завихрення потоку, які відносяться потоком, поступово затухаючи (Рис. 1.10).

Каплеобразную в сечении форму мають, наприклад, деталі підвіски болідів. Якби вони були круглими в сечении, вони набагато більше гальмували рухомий великій швидкості болид.

Несиметричне каплеобразное тіло характером обтікання близько до симетричному, але відрізняється величиною деформації струминок у верхньої та нижньої частинах тіла (див. Рис. 1.11).

[pic].

Рис. 1.11 Аеродинамічний спектр несиметричного каплеподібного тела.

(профілю крыла).

Тут має місце зване несиметричне обтікання. Найбільша деформація струминок спостерігається там, де тіло має найбільшу величину викривлення поверхні (точка До). У районі оцієї точки цівки поджимаются, поперечне перетин їх зменшується. На нижньої, менш викривленою поверхні деформація потоку буде меньше.

На верхньої поверхні тіла, на місці найбільшого поджатия струминок, відповідно до Закону нерозривність (закону сталості секундних обсягів) буде спостерігатися місцеве збільшення швидкості потоку і, отже, зменшення тиску. На нижньої поверхні деформація потоку буде і, отже, менше зміна швидкості і давления.

При обтіканні повітряним потоком симетричних (і несиметричних) каплеобразных тіл, вміщених під деяким кутом ((кутом атаки) до вектору швидкості невозмущенного потоку (Рис. 1.12), також матимемо картину несиметричного обтікання й одержимо аеродинамічний спектр, аналогічний з того що виходить при обтіканні несиметричного каплеподібного тіла (див. Рис.).

[pic].

Рис. 1.12 Аеродинамічний спектр каплеподібного тіла (профілю крила), вміщеного в потік з точки (.

Через війну крило створює піднімальну силу як оскільки спрямовує потік вниз, як гадають багато (хоча, звісно, підйомна сила і залежить від кута атаки). Вся річ у профілі крила. Форма його перерізу така, що потік повітря над площиною проходить більший шлях, ніж потік під площиною. Тому швидкість перебігу повітря над крилом й під ним неоднакова — над площиною потік тече швидше, що, відповідно до Закону Бернуллі, і це створює над крилом зону розрідження й у остаточному підсумку, піднімальну силу (див. Рис. 1.13).

[pic].

Рис. 1.13 Підйомна сила крыла.

Величини тисків на поверхню щодо різноманітних тіл призначають у лабораторіях шляхом продувки в аеродинамічних трубах. Отримані значення тисків кожної точки завдають на спеціальні графіки (Рис 1.14).

Крім сил тиску, на поверхню крила дотично до неї діють сили тертя, зумовлені в’язкістю повітря і повністю визначаються процесами, що відбуваються у прикордонному слое.

[pic].

Рис 1.14 Розподіл тисків профілем крыла.

Зворотний ситуація з антикрыльями (див. Рис 1.15). Антикрылья функціонують абсолютно з такого самого принципу, але забезпечують ефект «прилипания «боліда до трасі, відбувається це теж у цих колегіях форми. Те є, знаючи про звичайному крилі, ми легко можемо уявити, що є антикрыло. Досить просто повернути звичайне крило передній частиною вниз.

|[pic] |[pic] | |а |б |.

Рис. 1.15 Аеродинамічний спектр крила (чи антикрыла (б).

Антикрыло сконструйоване в такий спосіб, що з нижньої поверхні відстань між передній і задньою частиною крила більше, ніж в верхньої. Тому повітря, огибающий нижню частина крила, повинен текти швидше те, що огинає крило згори у тому, щоб домогтися тієї ж точки за одну і те час. По рівнянню Бернуллі, якщо швидкість руху повітря зростає, тиск його зменшується і навпаки, тому швидше рухомий повітря, проходить внизу крила, триватиме менше тиск, чому він, що проходить згори. Тобто результаті створюється різниця тисків і згори тиск сильніше, що дозволяє притискати болід до треку — нате і прижимная сила!

Прижимная сила і сила опору — це саме ті дві сили, яким присвячена практично вся аеродинамічна конструкція боліда F1. Конструкції антикрыльев і самої боліда мали бути зацікавленими цілком оптимальні, тобто забезпечення прижимной сили має бути реалізовано те щоб це не викликало сили опору, що заважає швидкісному руху, та й сам болід має бути найбільш пристосована до подоланню тій самій силы.

2. Аеродинаміка боліда Формули 1.

Беручи до уваги те, що F1 властиво великі швидкості, одній з основних дизайнерських областей є аеродинаміка. Аэродинамическое будова боліда впливає такі речі як швидкість і прижимная сила, а також, аеродинаміка впливає і знос шин, кількість необхідного палива й т.п.

Вже впродовж трохи більше 30 років аеродинаміка F1 постійно зазнає змін, це найважливіша характеристика боліда (див. Рис. 2.1).

[pic].

Рис. 2.1 Аеродинаміка боліда F1.

Мета фахівця з аеродинаміці - максимально збільшити прижимную силу, у своїй звівши до мінімуму аэродинамическое торможение.

2.1 Передні і задні антикрылья.

З роками сильно збільшилися швидкісні характеристики болідів F1, збільшилася спроможність швидкого проходження поворотів, і дуже очевидно, що це заслуга про антикрыльев. На початку 1960;х років Формула-1 ще використовувала цих пристосувань, проте вже у 1968 року команди F1 почали експериментувати з «незграбними «і «необробленими «аеродинамічними конструкціями, щоб отримати ефект «прилипания «шасі до трасі. Першими видами таких конструкцій були дуже простими й ненадійними, тому досить часто ламалися у процесі гонки.

На Рис. 2.2, показані два виду заднього антикрыла, старого покоління (зліва 1968 рік) й сьогоденних технологій (справа 2000 год).

[pic].

Рис. 2.2 Конструкція заднього антикрыла й нового поколения.

Принцип здійснення функцій антикрыльев в F1 легко можна з технологіями в літакобудуванні. Але час як крила літаків сприяють злету і планування повітрям, в F1 антикрылья виконують прямо протилежну функцію — створення прижимной силы.

Передні і задні антикрылья — це частина спроектованого на комп’ютерах і старанно налагодженого в аеродинамічній трубі аеродинамічного пакета. Їх використовують до створення прижимной сили при проходженні крізь них повітря. Що швидше їде болід, тим більший прижимную силу створюють антикрылья, що більше прижимная сила — краще зчеплення з колишньою дорогою. Переднє антикрыло (див. Рис. 2.3) — перша частина боліда, яка зустрічає повітряний потік. Далі повітря розподіляється у всій площині болида.

|[pic] |[pic] |[pic] |.

Рис. 2.3 Переднє антикрыло.

Передні антикрылья на боліді забезпечують близько 25% всієї прижимной сили, але це цифра то, можливо знижена до 10% тоді, коли болід перебуває поза іншим болідом. З’являється ефект «засасывания «ззаду що йде машини в передню, відомого як слипстрим (див. разд. 2.5). І коли боліди виявляються на повороті, ззаду що йде неспроможна повернути через втрату прижимной сили, в такий спосіб, пілоту доводиться скидати швидкість, що б безпечно пройти поворот.

[pic].

Рис. 2.4 Елементи переднього антикрыла.

Переднє антикрыло (див. Рис. 2.4), ширина якого відповідає ширині самого боліда, прикріплюється до носовому обтічнику (4) з допомогою пілонів. І на цій аеродинамічній поверхні (1) кріпляться дві «стулки «(чи елерони) (2), кожна з яких є регульованої частиною антикрыла. Зазвичай, ці закрилки робляться з суцільного шматка карбону. На кінчиках антикрыла (зліва і правих) кріпляться спеціальні бічні пластини (чи боковини) (3), задля забезпечення проходження потоку повітря зверху і знизу щодо поверхні антикрыла, не огинаючи його. Після цього пластини (3) зіграли величезну роль аеродинаміці F1.

Конструкція элерона така, що якого є ассимитричным самому собі щодо центральної розмежує уявленої лінії (якщо поглянути на болід попереду): що ближче носовому обтічнику елерон, тим менший за нього «висота «(тобто. ближчі один до носі елерон звужується) див. Рис 2.5.

[pic].

Рис. 2.5 Конструкція элерона.

Така особливість элерона дозволяє проникати у радіатор більшого кількості повітря, і навіть пропускати повітряний потік по «днища «боліда, і потім потрапляє у диффузор, забезпечуючи прижимную силу. Що стосується якщо елерони немає такого звуження, охолодження радіатором значно зменшується і температура мотора сильно зростає. Також важливо, що замість нижче буде розміщено переднє антикрыло, краще впливає на проникнення повітряного потоку в радіатор і диффузор, проте, всім відомо, що є критичний стан, у якому антикрыло вже почне зачіпати трассу.

Правилами FIA (Federation Internationale de l’Automobile — Міжнародна федерація автоспорту — єдина міжнародної організацією, уповноваженою приймати проведення автомобільних змагань) встановлено, що мінімальне відстань між трасою і переднім антикрылом має бути 40 мм.

У 1998 року з’явилися нововведення у сфері аеродинаміки F1, що принесло велику кількість додаткових проблем командам. Через те, що колеса стали розташовуватися ближчі один до монококу, побачивши попереду, переднє антикрыло візуально «лягало внахлест «коліс. Це зумовлювало турбулентності у зоні передніх коліс, різко знижуючи загальну позитивну характеристику аеродинаміки боліда. Аби вирішити нової проблеми (саме, появи небажаного опору (drag)) команди переробили бічні крила на антикрыле шляхом освіти нових ребер (боковин), отже вони направили потік повітря безпосередньо на монокок, огинаючи колесо (див. Рис. 2.6 Pic 1). Пізніше, наступного сезону, багато команди втілили нову ідею, помістивши додаткові ребра на зовнішній бік бічних крил, у цьому разі повітря огинав колеса по зовнішньої боці (див. Рис. 2.6 Pic 2).

[pic].

Рис. 2.6 Конструкція боковин.

Щоб осягнути, що мається на увазі, на Рис. 1.7 показані бічні крила (боковини) різних команд, саме відповідальних за розв’язання проблеми. Як видно, рішення є неоднозначним, і крила різних команд мають досить помітні аеродинамічні отличия.

[pic].

Рис. 2.7 Бічні крила (боковини) різних команд.

Заднє антикрыло (див. Рис. 2.8) складається з кількох елементів. Кут нахилу цих елементів створює прижимную силу різної величины.

|[pic] |[pic] |[pic] |.

Рис. 2.8 Елементи заднього антикрыла.

Прямий потік повітря потрапляє у заднє антикрыло, що складається з безлічі закрилок, викликаючи певні реакції із боку антикрыла. Це спрощене пояснення, т.к. насправді, на той час, коли потік повітря сягає заднє антикрыло, він не прямий, оскільки сам болід створює певний ефект турбулентності потоку воздуха.

Приблизно третина всієї прижимной сили забезпечує заднє антикрыло боліда, яке постійно видозмінюється в F1 від траси до трасі. Це пристосування може створювати понад тисячу Ньютонів прижимной сили та важить близько сьомої години кг.

Заднє антикрыло зроблено з цих двох наборів певних аеродинамічних поверхонь, з'єднаних між собою — і держащихся на торцевидных пластинах (3) заднього антикрыла. Верхній набір таких пластин (закрилок) (1) забезпечує найбільшу прижимную собі силу й є зазвичай найбільш видоизменяющимся від траси до трасі. Найчастіше цей верхній набір складається з 3-х елементів. Нижній ж набір (2) зазвичай і двох элементов.

Через те, що заднє антикрыло викликає найбільше опір в боліді, команди видозмінюють будівлі антикрыльев кожної траси. Розглянемо різні конфігурації задніх антикрыльев двома примерах.

Монца Італії. Швидкісна траса з довгими прямими ділянками і кількома поворотами. Тут, протягом 70% всієї довжини траси, пілоти їдуть «удавивши педаль газу підлогу ». Чим більший кут нахилу пластин заднього антикрыла, створюють прижимную силу, тим відповідно більше сила опору, котра заважає швидкісному руху боліда. У Монце дуже важливий швидкість, тому команди роблять дуже маленький кут нахилу на задньому антикрыле, аби здолати кривду проблему сили сопротивления.

У Монако, де траса переважно, насичена поворотами, важливим стає не швидкість, а прижимная сила. На Рис. 1.9 представлені два цих антикрыла:

[pic].

Рис. 2.9 Будівлі задніх антикрыльев до різних трасс.

2.2. Диффузор.

Конструкція днища чи диффузор (див. Рис. 2.10) відпо-відає те, як повітря, під болідом його залишає. Зазвичай конструктори ускладнюють форму велику кількість складних кутів, бо що швидше повітря йде, тим більший прижимную силу має болід і тих більшої швидкістю він обладает.

З того самого принципу, як утворюється прижимная сила (закон Бернуллі), зона низький тиск, безпосередньо під антикрылом, допомагає диффузору засмоктувати повітря, що його ж у своє чергу забезпечує прижимную силу. |[pic] |[pic] | |[pic] |.

Рис. 2.10 Диффузор.

Насправді принцип дії диффузора прямопротивоположен принципу дії антикрыла: натомість, щоб відштовхувати повітря, диффузор засмоктує його. Ефект цей виходить через аеродинамічній форми. Диффузор перебуває у найнижчої, «хвостовій «частини боліда, безпосередньо під заднім антикрылом, і обсяг диффузора збільшується в мері наближення його до «кінцю «боліда (див. верхній Рис. 2.10). Повітря, який потрапляє диффузор зпід дна боліда розріджується, з допомогою потрапляння його в збільшений обсяг диффузора, тому й ефект засасывания. Диффузор складається з великого кількості всеразличных «тонельчиков «і «роздільників », які акуратно і якраз контролюють потоки повітря для кращого засасывания. Оскільки диффузор перебуває у зоні вихлопних газів і заднього важеля підвіски, це накладає жорсткі вимоги з його конструкцію, інакше (при некоректному створенні та регулировках диффузора) за зміни швидкості вихлопні гази впливатимуть аеродинамічний баланс болида.

Поява диффузоров зумовлено забороною FIA піднімати «хвостову «частина боліда. І тут неможливо забезпечити потрібний аеродинамічний ефект без диффузоров.

2.3. Бічні дефлекторы.

Бічні дефлекторы поділяють і скеровують повітря від передніх коліс на частини — одна іде на охолодження двигуна в повітрозабірники, друга іде наружу.

Це пристосування було застосоване на 1993 року. Без них набегающий потік повітря йти прямо, і, тиском задню стінку воздухозаборника, створюючи лобове опір. Дефлектор ж (якщо розглянути приміром лівий щодо гонщика воздухозаборник) закручує потік проти годинниковий стрілки (дивлячись попереду), причому, коли потік входить всередину водухозаборника, вона вже спрямований всередину боліда, тобто. на охлаждаемую поверхность.

Отже, з допомогою бічних дефлекторов досягається мету: зниження лобового опору й ефективніше охолодження. Встановлюються вони, зазвичай, між передніми колесами і бічними понтами боліда (див. Рис. 2.11).

|[pic] |[pic] |.

Рис. 2.11 Бічні дефлекторы.

Бічні дефлекторы виглядають наразі зайвими, але насправді є важливою частиною цьогорічного аеродинамічного пакета. Вони у його місцях, де турбулентність повітряного потоку максимальна і може знизити аеродинамічну ефективність боліда. Стабілізатори розраховані те щоб спрямовувати повітряний потік під болід до створення там розрідження і тих самим — збільшення прижимной сили (див. Рис. 2.12).

[pic].

[pic].

Рис. 2.12 Повітряні потоки на бічних дефлекторах.

Порівняно з попереднім поколінням бічних панелей, новий дизайн є набагато складнішим і тонким. На Рис. 2.11 зображено конструкція, яку McLaren в 1993 року. Тоді бічні панелі виглядали тонкі рівні поверхні у вигляді прямокутника, а тепер, після еволюції, вони є значно більше складні різновиду. Нині вони придбали певний об'єм і особливі обриси, щоб спрямовувати повітряний потік у різних направлениях.

Саме всі ці, перелічені вище, елементи конструкції відіграють істотну роль організації аеродинамічного пакета болида.

2.4. Воздухозаборник.

Повітря, необхідний роботи двигуна, забирають з отвори прямо над шоломом пілота. На розмір цього отвори обмежень немає, але за надмірно великому отворі сильно зростає гальмуючий эффект.

[pic].

[pic].

Рис. 2.13 Воздухозаборник.

2.5. Слипстрим.

«Рубенс Баррикелло на стартовою прямий наздоганяє Девіда Култхарда і перед першим поворотом обходить його класичним слипстримом!».

Щось схоже почути в репортажах про Формули-1. Що таке слипстрим? Як оцінюють цей прийом допомагає гонщику обігнати свого соперника?

Англійське вираз slip stream в перекладі означає «розріджене потік». На російській мові кілька аналогів терміна «слипстрим» — «спутный слід», «повітряний мішок», «аеродинамічна тінь».. Попри що здається різницю, позначають вони один і той ж — розрідження повітря, що утворюється позаду рушійної автомобіля (див. Рис. 2.14, зона розрідження, що й утворює слипстрим, показано синіми кольором позаду автомобіля, ніж «тепліше» колір, то вище тиск у цієї зоне).

[pic].

Рис. 2.14 Характер течії повітряних потоків і розподіл тисків для седана ВАЗ-2110 зі швидкістю 144 км/ч.

Цей ефект гонщики навчилися використовувати собі на користь. Адже якщо прилаштуватися впритул за автомобілем суперника, то твоя машина опиниться у зоні зниженого тиску. І це обіцяє зниження сили лобового опору. «Зависнувши» у суперника на хвості, гонщик при рівної і навіть трохи меншою потужності мотора одержить перевагу — може розігнатися у зоні зниженого тиску, вискочити з «тіні» і завдяки більшої швидкості обійти суперника наприкінці довгою прямой!

Тут усе проблема у цьому, що навколишній машину повітря не має достатньої енергією, аби брати участь усунутися, і й тому він потрапляє за болідом. Будь-які виступаючі елементи зовнішньої обшивки корпусу боліда впливають на характер потоку повітря, його обтекающего, отже, і характер потоку повітря, наступного за машиною (кільватер). У конструкції боліда F1 все аеродинамічні елементи перебувають у безпосередньої близькості друг від друга, тому вони активно взаємодіють між собою. Усі, включаючи заднє антикрыло, колеса і навіть диффузор під днищем машини визначає характері і властивості обтекающего потоку повітря. Цей потік, помандрувавши поверхні машини, поступово втрачає енергію, і значення його швидкості і тиску не повернуться до високих до первоначальным.

Отже, виходить, що рухаючись в повітряної середовищі болід Формули 1, як, втім, будь-який інший машина з його місці, буде генерувати виряджену середу позаду (в кильватере).

Наприклад, заднє антикрыло боліда Формули 1 утворює досить стабільну кілька завихрень досить великій відстані позаду себе. У дощ чи навіть за великої вологості повітря можна спостерігати ці завихрення потоку повітря на вигляді білих вихорів на кінцях заднього антикрыла. Ще на початку 1990;х це видовище було звичним явищем в гонках Гран При.

При обтіканні боліда Формули 1 ці вихори зумовлюють рух потоку повітря вгору й за тому — безпосередньо за машиною, і донизу й вперед — з її боках. Додатково до цього, потік повітря під машиною також свій вагомий внесок у загальний картину обтікання болида.

Технічний Регламент Формули 1 говорить, що переважна частина днища машини мусить бути пласкою, але диффузоры усе ж використовувати. Повітря, що з каналу диффузора, негайно іде вгору, завдяки впливу заднього антикрыла і висхідному потокові повітря безпосередньо позаду машины.

Сукупність усіх цих явищ таки призводить до того, що позаду боліда утворюється зона розрядження. Оскільки ця галузь розрядження рухається разом із машиною, вона створює деяку силу опору, і, ще, представляє певні проблеми для машин, наступних ззаду в безпосередній близькості до нее.

Зупинимося докладніше у тому вплив, яке зона розрядження надає на позаду що йде машину. Якщо два боліда рухаються по прямий, то другий, перебувають у безпосередній близькості до першого, потрапляє у цю область розрядження і як «підтягується до першого, як на линві «. Тут усе річ у тому, що ця турбулентність позаду першого боліда автоматично зменшує силу опору, діючу другого болид.

Пілоти кажуть, що це тяжіння (саме її і називають слипстримом) відчувається навіть у відстані п’ять-шість корпусів від попереду що йде машини — чим ближче, тим більше, зрозуміло. Є думка, що з болідів колишніх часів слипстрим був набагато ефективнішим, які можна легко пояснити значно більшою прижимной силою, що діяла на болід старої моделі. Саме через зниження ефективності слипстрима з’явилися проблеми з обгонами, які є настільки актуальними у сучасній Формулі 1.

При русі по прямий, що більш сильний слипстрим, тим і швидше можна наблизитися до попереду що йде машині й спробувати обігнати її. Якщо слипстрим недостатньо ефективний, може виникнути хронічний і гострий брак ситуаціях, сприятливих для обгона.

При русі в поворотах, навпаки, ефект турбулентной зони розрядження позаду попереду йде боліда надає різко негативне впливом геть болід, який іде на безпосередній наближеності позаду першого. Пілоти часто скаржаться на ефект недостатньою керованості і недостатнього зчеплення з трасою, який на відстанях в чотири корпуси та менше. Тут усе залежить від прижимной силе.

У рушійної ззаду боліда вона менше, оскільки повітря, діючий на антикрылья та власне, створює цю прижимную силу, має меншою енергією, оскільки щойно «попрацював на першу машину ». Цей повітря відривається від поверхні антикрыла раніше, ніж належить, унаслідок чого прижимная сила виявляється менше. Виходить, що ззаду що йде машина не може виконувати самі маневри і приватизація відбуватимуться повороти з тією ж швидкістю, що і попереду що йде. Отже, вона відкочуватися тому і не потрапить у ситуацію, сприятливу для обгону! (Чи комусь це може понравиться!).

Власне кажучи, команди дуже хотіли давати зрозуміти, як поводяться їх машини, потрапляючи у таку зону розрядження. Є навіть кілька методів досліджень у цій області, симулюють фізичний процес. У тому числі повномасштабні експерименти з обмеженими фізичними моделями на повну величину, експерименти в аеродинамічній трубі, і навіть експерименти, симулюють саму зону розрядження з допомогою стабілізаторів і металевих блоків (щоб симулювати процеси, які у кільватері боліда). Але, задля справедливості слід визнати, що, оскільки графік у команд Формули 1 дуже напружений, вони, зазвичай, нехтують дослідження і просто списують проблеми обгонов на очевидні недоліки Регламента.

3. Аеродинамічні трубы.

Протягом усього року команди проводять аеродинамічні випробування. Для перевірки і коригування аеродинамічних властивостей болідів кожна команда, тестує машину, як ганяє її за гоночній трасі, а й обдуваючи болід в аеродинамічній трубі. У процесі розробок боліда команди зазвичай відводять до 12 тисяч годин на тестування трубе.

" Аеродинаміка — першочерговою чинник, визначальний технічне досконалість сучасного боліда Формули 1. Отже, аеродинамічна труба — першорядне необхідність до створення такого боліда " , — заявив Пітер Заубер на презентації аеродинамічній труби його команди (див. Рис. 3.1) у грудні 2003 г.

[pic].

Рис. 3.1 Пітер Заубер та її технічного директора Віллі Рампф у новій аеродинамічній трубі команди Sauber.

Аеродинамічна труба (АТ) — це установка, створює потік повітря чи газу експериментального вивчення явищ, супроводжуючих обтікання тел.

Область використання технології АТ, ясна річ, не обмежується аеродинамічними випробуваннями болідів F1. З допомогою АТ визначаються сили, які під час польоті літаків і вертольотів, ракет і космічних кораблів, на своєму шляху надводних і підводних судів, досліджуються їх стійкість і керованість. У АТ визначаються вітрові навантаження, і навіть навантаження від вибухових хвиль, які діють будівлі і споруди — мости, щогли електропередач, димові труби тощо. п.

Випробування в АТ базуються на принципі відносності Галілея, який говорить, що переміщення тіла щодо повітря (чи рідини) можна замінити рухом повітря, набегающего на нерухоме тело.

У аеродинамічних трубах натурні явища звертаються, замість поступального, прямолінійного і рівномірного руху тіла в однорідної необмеженої середовищі вивчається обтікання нерухомого тіла рівномірним потоком з тією ж швидкістю. За принципом відносності Галілея механічні явища взаємодії середовища проживання і тіла будуть у обох випадках одинаковыми.

Для моделювання руху тіла в АТ необхідно створити рівномірне потік, що у будь-яких точках рівні і рівнобіжні швидкості (рівномірний полі швидкостей), однакові щільність і температуру.

АТ дороги, тому зазвичай, у них досліджується обтікання моделі проектованого об'єкта (або його частин), і визначаються які діють неї сили. У цьому необхідно додержуватися умов подоби, що забезпечують можливість переносити результати, отримані для моделі у лабораторних умовах, на повнорозмірний натурний об'єкт. За дотримання цих умов аеродинамічні коефіцієнти для досліджуваної моделі і натурного об'єкта рівні між собою, що дозволяє, визначивши аеродинамічний коефіцієнт в аеродинамічній трубі, розрахувати силу, діючу на натуру.

3.1. Історія створення та розвитку технології аеродинамічній трубы.

Ще у далекому минулому дослідники розуміли, що більш точних тестів не можна спиратися на природні вітри. Ісаак Ньютон до нього Леонардо так Вінчі припускали, що переміщення моделі через повітряну середу ввечері з необхідної швидкістю чи його обдмувши значно вигідніше для проведення, ніж вітри природного происхождения.

Вперше виміру опору повітря почали здійснювати XVI столітті на вільно падаючих телах.

Проведенням подібних дослідів однією з перших зайнявся Леонардо так Вінчі (1452−1519). Втім, він експериментував лише з падаючими тілами, але і з тілами, рухливими у питній воді, і і з пласкими поверхнями, рухливими повітря з точки атаки. Йому вдалося віднайти оптимальної форми судна найменшого сопротивления.

Річ Леонардо продовжив Галілео Галілей (1564−1642). Кидаючи з похилій Пізанською вежі лихоліття і легкі кулі, йому належить незалежність швидкості падіння важких тіл від своїх ваги і сформулював одне із найбільших фізичних принципів — принцип інерції: якби тіло не діють сили, то воно рухається рівномірно. Важливу роль Галілей надавав логічному поясненню результатів експерименту, розумінню фізичної сущности.

Ще однією великим шаробросателем був Ісаак Ньютон (1643 — 1727), засновник фізики та (що з Г. Лейбницем) вищої математики. Він кидав кулі в Лондонському соборі святого Павла. Питання опір тіл для Ньютона далеко ще не несерйозним. Він просто хотів довести, що (на відміну тверджень аристотелианцев) космічний простір не заповнене матерією. Інакше космічна матерія справляла б опір руху небесних тіл, і весь струнка механічна система світу, створена працями Ньютона, розсипалася б, як картковий домик.

Після «великих шаробросателей» була спроба використовувати порівняно стійкі природні джерела вітру. Моделі поміщалися на гребенях гір чи продуваемых печерах і ущелинах. Але й тут мінливість природи змушувало експериментаторів рухати моделі через нерухомий воздух.

Бенджамін Робінс (1707−1751), блискучий англійський математик, був першим, хто застосував ефект обертового важеля і заклав пристрій для випробування моделей на високу швидкість за принципом центрифуги.

Його перша машина (див. Рис. 3.2) мала важіль довжиною 4 фути (~1,26 м), закріплений на шкиве.

[pic].

Рис. 3.2 Центрифуга Бенджаміна Робинса.

Обертання здійснювалося з допомогою вантажу, що тягне під своєю вагою мотузку, намотану на держак. У цьому досягалися швидкості кілька метрів в секунду. Закріплюючи на кінці важеля різні предмети — піраміду, лист металу тощо. п., Робінс встановив неспроможність існуючих теорій повітряного опору. «Різні форми, навіть якщо припустити, що вони теж мають однакову площа, який завжди мають те ж повітряним опором чи обтекаемостью».

Явно складне ставлення між обтекаемостью, формою, становищем моделі і швидкістю повітря йшло урозріз із простий теорією, висунутої Ньютоном.

Такі експерименти проводив також сер Джорж Кайлі (1773 -1857). Його апарат дозволяв досягти швидкостей в 6 м/с. Маючи свої експерименти, Кайлі в 1804 р. створив і запустив безпілотний планер з майданом крил 18,5 кв. м., і у 1852 р. він мав готовий проект триплана, має багато характеристики сучасних самолетов.

Однак основний внесок Кайлі стало те, що він перший зазначив, що «двигун потрібно використовувати тільки до просування, а піднімальну силу створюватимуть крила». Доти вважалося, що крилами необхідно змахувати, як це роблять птицы.

Не варто ХІХ століття підоймове пристосування залишалося практично єдиним пристроєм на дослідження аеродинаміки. Але низку істотних вад і складностей цієї конструкції призвів до появи більш досконалого інструмента — аеродинамічній трубы.

Як вважати, Франк Уинхэм (1824−1908), член Ради авіаційного суспільства Великобританії, був людиною, хто спроектував й провів перші експерименти з АТ в 1871 р. Спочатку Уинхэм також намагався використовувати «рычажную центрифугу», але невдалий досвід спонукав його до того що, щоб примусити Рада збільшити фінансування для будівництва АТ.

Це була труба більш 3,5 метрів за довжину, і перерізом 116 см² (Рис. 3.3). Вентилятор, обдувавший моделі, наводився в рух паровим двигуном. |[pic] |[pic] | |а |б |.

Рис. 3.3 Перші аеродинамічні труби. а — труба Франка Уинхэма, б — повітродувка Циолковского.

Вже перші експерименти довели абсолютне перевага АТ перед іншими засобами проведення аеродинамічних тестов.

У тому ж 1871 р. капітан Російської армії У. А. Пашкевич, викладач Артилерійської академії, побудував першу у Росії АТ для дослідження опору руху снарядів. На 1897 р. До. Еге. Ціолковський з допомогою М. Є. Жуковського побудував АТ в Калузі, де провів дослідження моделей дирижаблів і літаків серед, швидкість якого була майже п’ять м/с.

До сформування воздуходувки (рис. 3.4) — то він її називав — Ціолковський використовував веялку, лопаті якої крутилися вручну. На жаль, в дослідах Ціолковського швидкості виявилися недостатньо великими, щоб результати можна було застосовувати потреб авіації. Але така повітродувка дуже придатна для малих дослідів дослідження сили сопротивления.

У 1902 р. під керівництвом М. Є. Жуковського в механічної лабораторії Московського університету будується перша група у Росії аеродинамічна труба закритого типу. Потім організується спеціальна лабораторія в Кучине, де ставляться досліди з вивчення властивостей піднімальної сили та її залежність від форми піддослідних тіл. У 1904 р. під керівництвом Жуковського створили перший світі Аеродинамічний інститут (ЦАГІ), котрий надав значний вплив на розвиток авіації і космонавтики. Проектування цієї пласкою аеродинамічній труби займався студент А. Н. Туполев.

З того часу побудовано безліч АТ, від мініатюрних до гігантських. Передусім аеродинамічні дослідження, у АТ проводилися розробниками авіаційної техніки. Серйозно вивчалася обтічність водних судів. Як слід було очікувати, першим наземним транспортним засобом, яке продули в АТ, став поїзд. Сталося це у 1899 р. Автомобілі почали піддаватися випробувань в АТ тільки після Першої Першої світової. У цей час комплексами щодо аеродинамічних випробувань мають все найбільші автовиробники мира.

Найбільша у світі аеродинамічна труба вступив у лад 11 грудня 1987 р. в дослідницькому центрі Еймса, що належить НАСА, в Маунтин-Вью, штат Каліфорнія, США. Її розміри — 12×24 м, у ній встановлено 6 моторів потужністю 22 500 к.с. кожен, створюють потік повітря швидкістю 555 км/ч.

[pic].

Рис. 3.4 Дослідницький центр імені Еймса (Моффетт-Филд, Калифорния).

Використання сучасних комп’ютерних систем дає нового поштовху в розвитку технології АТ. Приміром, якщо роботі над новим автомобілем макет машини проведе у реальної трубі сотні й тисячі годин, то віртуально на комп’ютерної моделі аналогічну роботу можна навести протягом декількох хвилин. Віртуальне АТ куди компактней, ніж реальна, цілком поміщається всередині комп’ютера. А швидкість результатів залежить не від моторності інженерів, як від потужності процессора.

[pic].

Рис. 3.5 Комп’ютерна модель автомобіля в віртуальної аеродинамічній трубе.

Зрозуміло, на звичайному персональному комп’ютері такі дослідження не проведеш. Необхідні високопродуктивні суперкомп’ютери вартістю декілька мільйонів доларів, і не, а кілька. Одне з таких самих сучасних комплексів встановлено у компанії Opel. Ось лише деякі параметри системи: 6 комп’ютерів IBM eServer 690 «Regatta» з процесором 32 «POWER 4» 1,3 GHz, операційна пам’ять кожного комп’ютера — 64 GB, зовнішня пам’ять ємністю 96 тера байт, вагу — 1,2 тонны.

Можливо, коли-небудь комп’ютер та зможе замінити реальну АТ, але іноді навіть фахівці з досвідом роботи дивуються таких результатів, що дає випробування трубами. І хоча іноді, виходячи з інтуїції, вдається створити вдалий, з погляду аеродинаміки, дизайн автомобіля, то що такої складного устрою, як аеродинамічна труба, навряд буде можливим виробництво автомобілів будущего.

3.2. Конструкції аеродинамічних труб.

Аеродинамічні труби за швидкістю потоку поділяються на дозвуковые, трансзвуковые, надзвукові і гиперзвуковые; за принципом дії - на компресорні (безперервного дії), в яких потік повітря створюється спеціальним компресором, і баллонные з підвищеним тиском; компонуванням контуру — на замкнуті і незамкнутые.

Компресорні труби мають високий ккд, вони зручні у роботі, але вимагають створення унікальних компресорів з більшими на видатками газу та великий потужності. Баллонные аеродинамічні труби проти компресорними менш економічні, оскільки за дросселировании газу частина енергії втрачається. З іншого боку, тривалість роботи баллонных аеродинамічних труб обмежена запасом газу балонах і як щодо різноманітних аеродинамічних труб від десятків секунд до кілька минут.

Широке поширення баллонных аеродинамічних труб зумовлено тим, що вони простіше за конструкцією, а потужності компресорів, необхідних наповнення балонів, щодо малі. У аеродинамічних трубах з замкнутим контуром використовується значної частини кінетичній енергії, що залишилася в газовому потоці саме його проходження через робочу область, що підвищує ККД труби. У цьому, проте, доводиться збільшувати загальні розміри установки.

Найпростіші схеми труб малих швидкостей (працюють у умовах практичної несжимаемости повітря при швидкостях до 50−60 м/сек) наведено на 3.6,.

|[pic] |[pic] | |а |б |.

Рис. 3.6 Найпростіші схеми аеродинамічних труб малих скоростей.

1 — робоча частина, 2 — колектор (а) або сопло (б) в обох випадках — канали, сужающиеся за течією (конфузоры); 3 — диффузор, дедалі ширший за течією; 4 — вентилятор з мотором 5; пунктиром показані захисна сітка «З» й у замкнутої трубі - поворотні лопатки «Л».

Труба прямої дії Рис. 3.6,а (не замкнута) показано із закритою стінками робочої частиною, а замкнута труба — із відкритою робочої частиною; але першу можна зробити із відкритою робочої частиною, якщо прибрати її стінки, замінивши їх герметичною камерою (показано пунктиром), а другу — зробити з закритою робочої частиною, якщо замість вільної кордону поставити стенки.

Дозвуковые аеродинамічні труби. Дозвуковая АТ постійного дії (Рис 3.7) складається з робочої частини 1, зазвичай має вид циліндра з поперечним перерізом у вигляді кола чи прямокутника (іноді еліпса чи многоугольника).

[pic].

Рис. 3.7 Схема дозвуковій компресорної аеродинамічній трубы.

1- хонейкомб 2 — сітки 3 — форкамера 4 — конфузор 5 — напрям потоку 6 — робоча частину з моделлю 7 — диффузор, 8 — коліно з поворотними лопатками, 9 — компрессор,.

10 — воздухоохладитель.

Робоча частина А. т. то, можливо закритою чи відкритої, і якщо необхідно створити А. т. із відкритою робочої частиною, статична тиск у якої одно атмосферному, струмінь у робітничій частини відділяють від атмосфери т. зв. камерою Ейфеля (висотної камерой).

Досліджувана модель 6 кріпиться державками до стінки робочої частини А. т. або до аеродинамічним вагам. Перед робочої частиною розміщено сопло, яке створює потік газу із наперед заданими і постійними в перетині швидкістю, щільністю і температурою (спрямляющая ґрати, выравнивающая полі швидкостей). Диффузор 7 зменшує швидкість і підвищує тиск струменя, котра виходить з робочої частини. Компресор (вентилятор), наведений на дію силовий установкою, компенсує втрати енергії струменя; направляючі лопатки зменшують втрати енергії повітря, запобігаючи поява вихорів в поворотному коліні; зворотний канал 8 дозволяє зберегти значну частину кінетичною енергії, наявної в струмені за диффузором. Радіатор забезпечує сталість температури газу робочої частини А. т. Якщо якомусь сечении каналу А. т. статична тиск має рівнятися атмосферному, у ньому встановлюють клапан.

Розміри дозвуковых А. т. коливаються від великих А. т. для випробувань натурних об'єктів (наприклад, двомоторних літаків) до мініатюрних настільних установок.

У дозвуковых аеродинамічних трубах досліджуються аеродинамічні характеристики дозвуковых літаків вертольотів і навіть характеристики надзвукових літаків на злітно-посадкових режимах. З іншого боку, вони йдуть на вивчення обтікання автомобілів та інших. наземних транспортних коштів, будинків, монументів, мостів та інших. об'єктів. На рис показано схема дозвуковій аеродинамічній труби з замкнутим контуром. Є також розімкнуті А. т., у яких газ до соплу підводиться з атмосфери чи спеціальних ёмкостей.

Істотною особливістю дозвуковых А. т. є можливість зміни швидкості газу робочої частини рахунок зміни перепаду давления.

Сверхзвуковые аеродинамічні труби. У найзагальніших рисах його схеми надзвуковою (див. Рис. 3.8 і 3.9) і дозвуковій А. т. аналогичны.

[pic].

Рис. 3.8 Схема надзвуковою баллонной аеродинамічній трубы.

1 — балон зі стиснутим повітрям 2 — трубопровід 3 — регулюючий дросель 4 — выравнивающие сітки 5 — хонейкомб 6 — детурбулизирующие сітки 7 — форкамера 8 — конфузор 9 — сверхзвуковое сопло 10 — робоча частину з моделлю 11 — надзвуковою диффузор 12 — дозвуковій диффузор 13 — викид в атмосферу.

[pic].

Рис. 3.9 Схема баллонной гиперзвуковой аеродинамічній трубы.

1 — балон з великим тиском 2 — трубопровід 3 — регулюючий дросель 4 — підігрівник 5 — форкамера з хонейкомбом і сітками 6 — гиперзвуковое осесимметричное сопло 7 — робоча частину з моделлю 8 — гиперзвуковой осесимметричный диффузор 9 — воздухоохладитель 10 — напрям потоку 11 — підвід повітря на ежектори 12 — ежектори 13 — затвори 14 — вакуумна ємність 15 — дозвуковій диффузор

Для отримання надзвуковою швидкості газу робочої частини А. т. застосовують т. зв. сопло Лаваля, яке є спочатку сужающийся, та був дедалі ширший канал. У сужающейся частини швидкість потоку зростає й у найбільш вузької частини сопла сягає швидкості звуку, в розширення частини сопла швидкість стає надзвуковою і збільшується до заданого значення, відповідного числу М у робітничій частини. Кожному числу М відповідає певний контур сопла. Тож у надзвукових А. т. зміни числа М у робітничій частини застосовують змінні сопла чи сопла з рухомим контуром, що дозволяє змінювати форму сопла.

У диффузоре надзвуковою А. т. швидкість газу повинна зменшуватися, а тиск і щільність зростати, тому його роблять, як і сопло, як сходящегося — розбіжного каналу. У сходящейся частини сверхзвуковая швидкість течії зменшується, а деякому сечении виникає стрибок ущільнення (ударна хвиля), після якого швидкість стає дозвуковій. Для подальшого уповільнення потоку контур труби робиться дедалі ширшим, як у звичайного дозвукового диффузора. Для зменшення втрат диффузоры надзвукових А. т. часто роблять із регульованим контуром, що дозволяє змінювати мінімальне перетин диффузора у процесі запуску установки.

У надзвуковою А. т. втрати енергії в ударних хвилях, що виникають у диффузоре, значно більше втрат на тертя і вихреобразование. Крім того, значно більше втрати при обтіканні самої моделі, для компенсації цих втрат надзвукові А. т. мають багатоступінчасті компресори і більше потужні силові установки, ніж дозвуковые А. т.

3.3. Аеродинамічні труби для болідів Формули 1.

Для потреб автомобільну промисловість у основному використовуються дозвуковые АТ замкнутого (геттінгенського) типу зі зворотним повітряним потоком. Такі труби завдяки замкненому контуру дозволяють домогтися звуконепроницаемости і знизити потужність двигуна. АТ оснащені комплексними динамометрическими пристроями, що дозволяє вимірювати все аеродинамічні навантаження. Такі ваги дозволяють повертати досліджуваний об'єкт під різними кутами і моделювати вплив вітру із різних сторон.

Зараз аеродинамічній трубою обзавелися більшість команд, інші команди, котрі мають цей випробувальний полігон, прагнуть як студія-продакшн і швидше поповнити таким свою виробничу базу.

Аеродинамічні труби дороги, при цьому їх оснащувати імітацією дороги на кшталт транспортерної стрічки у тому, щоб максимально точно змоделювати обтікання боліда повітрям у реальних условиях.

Через це повномасштабні аеродинамічні труби використовуються не нерідко: нині неможливо розігнати таку імітацію дороги до потрібної швидкості. Команди зазвичай будують масштабні моделі з коефіцієнтами масштабирования від 1:3 (33%) до 1:2 (50%). Чим більший модель, тим точніше результат, оскільки неминучі у процесі будь-якого виробництва похибки менше позначаються великих моделях.

[pic].

Рис 3.10 Випробування моделі боліда в аеродинамічній трубе.

Однак у виду те, що часто сама й той самий деталь моделі то, можливо виготовлено кілька з різними модифікаціями при припасуванню параметрів моделі, можна зрозуміти, що з збільшенні розміру моделі росте, і витрата матеріалу, ускладнюється виготовлення деталей, а водночас й зростають витрати. Тому, за збільшенні розмірів моделей розробникам доводиться шукати компромісні решения.

Дані про такі параметри руху моделі, як аеродинамічна підйомна сила (окремо для передній і задньою частини), опір повітря і центр аеродинамічного тиску, постійно знімаються з моделі у реальному времени.

Потім ці дані усредняются кожного з чотирьох режимів випробувань і аналізуються фахівцем щодо аеродинаміці. Той, своєю чергою, робить висновок у тому, наскільки добре поводиться випробовувана деталь і свідчить про можливі проблеми. За результатами аналізу даних ця деталь то, можливо забракована, зазнала повторному випробуванню чи доработке.

Поруч із конструкторської роботою виробляються також планові роботи з створенню «аеродинамічних карт », у яких фіксуються, наприклад, все підйомні і прижимные сили, які діють конкретну деталь заднього крыла.

Також складаються рекомендації по їх настроюванні боліда мали на той чи іншого рівень прижимной сили. Всі ці дані інженери беруть із собою на Гран При як допоміжні матеріали при настроюванні аеродинаміки болидов.

Під час проведення досліджень, у аеродинамічній трубі дуже широко використовується пластилін — так, пластилін! Часто ідеї, які у голову дослідникам, втілюються в пластиліні, куди як наповнювача додають крихти з углеволокна або щось речей, що перебуває під рукой.

Такі моделі, хоч і від ідеалу, дозволяють оцінити зовнішній вид гаданого зразка і вирішити, чи варто витрачати вартість побудова якіснішим моделі. Отже, економиться час креслярів і конструкторів моделей, оскільки неробочі варіанти дизайну відтинаються самісінькому ранній стадії. Цей процес відбувається також застосовувалася при створенні боліда на майбутній год.

Як трампліном для під час створення нового боліда береться модель цього року, потім у неї вносяться поступові зміни. Через війну модель хіба що «еволюціонує «. Під час створення основного каркаса моделі використовувалося дерево, що дозволило розробниками можливість легко вирізати і формувати нові деталі моделі. На разі, якщо модифікації виявлялися невдалими, у конструкторів завжди залишалися зразки початкової конструкции.

У сезон конструкторських розробок — останню чверть року — модель багато часу складалася з дерева і пластиліну! Коли була потрібна більш міцна модель (дерево і пластилін жолобляться, утруднюючи точне копіювання моделі, і навіть викликаючи нестыковку деталей), по опорним точкам моделі робилися виміри і будували перерізу. Потім ці дані передавалися конструкторам, інші ж, своєю чергою, будували власне комп’ютерну модель детали.

Тепер процес виробництва як автоматизовано, в одиницю часу розробляється більше деталей, і в пластилінових моделях і технології «тут відрізаємо, сюди приклеїмо «відпала. Тепер виключена можливість отримання невірних успіхів у результаті використання специфічних модифікацій, і навіть потреба у зворотної розробці, коли доводилося переносити на папір фактичні зміни моделі, внесені під час випробувань в аеродинамічній трубе.

Нові методи, проте, зробили роботу фахівця з аеродинаміці менш динамічною, адже хоч і аналізує дані після кожної фази випробування, в процес випробувань вона вже не втручається, й випробування точаться суперечки з встановленому графіку. Зрозуміло, що з результатів випробувань в аеродинамічній трубі залежить кінцева конструкція і силові методи настройки новостворених болідів. І оскільки аеродинаміка стає ключовим елементом під час створення нових розробок, робота, проведена аеродинамічній трубі, багато чому визначає та значною мірою обмежує конструкцію сучасних гоночних болидов.

Робота над аэродинамикой часто виявляється невдячною заняттям. На те що випробувати в аеродинамічній трубі одну деталь, яка, може бути, дозволить збільшити прижимную силу сталася на кілька кілограмів, йде за кілька днів. І якщо під час випробувань та чи інша деталь доводить свою ефективність — що відбувається непогані і найчастіше -, при установці на машину вони можуть виявитися шкідливою! І тільки на десяток ідей дозволяє домогтися хоч якогось поліпшення, інші ж опиняються у кошику для сміття! Але, а то й помиляється лише те, хто робить, а що більше стають бюджети відділів аеродинаміки, то ближчий заповітна победа!

На території бази Тойоти Ф1 розміщається власний тунель для аеродинамічного випробування моделей в полумасштабе.

Оскільки вага і розміри боліда Формули 1 залишаються незмінними, отже, щоб бути конкурентно-способной командою необхідно покращувати двигун, і аеродинаміку боліда. Хоча що то, можливо вивчено і оброблено за комп’ютером з допомогою «Обчислювальною Рідкої Динаміки », аеродинамічний тунель залишається найкращим інструментом моделювання гоночних умов і дозволяє ефективніше вивчати, а згодом покращувати аеродинаміку болида.

|[pic] |[pic] | |Аеродинамічний тунель |Контрольна |.

Виготовлений зі сталі, за технологією, тунель було розроблено на співробітництві між Toyota Motorsport і Німецької машинобудівної компанією з усіма специфікаціями, встановленими головним аэродинамиком TMG, Рене Хилхорстем, 1999;го. Тунель здатний до управління швидкостями більш 200 кмчас. Щойно приймається революційне рішення, відразу виготовляються моделі нових компонентів і випробовуються в аэродинамическом тунелі, щоб перевірити теорію. Використовуючи моделі полумасштаба, модифікації можна здійснити швидко і поза нижчі витрати колись, ніж запускати повномасштабне виробництво. Штат інженерів за необхідності може використовувати тунель 24 години на сутки.

У Sauber у штаті з’явився ветер

Відбулося врочисте відкриття нової аеродинамічній труби команди Sauber.

Перші проектні будівництво власної аеродинамічній труби команда Пітера Заубера розпочала ще 1999 року, сама ж будівництво стартувало у грудні 2002 року. І тепер, майже два роки, стратегічно важливе для будь-який команди Ф1 спорудження здано в експлуатацію, і розпочалося бойова продування болидов.

" Укладена аеродинаміка є нині ключовою характеристикою сучасних болідів Формули-1. Тому переоцінити появу у нашому арсеналі власної аеродинамічній труби — необхідного атрибута будь-який претендує на успіх команди — переоцінити важко " , — зазначив Пітер Заубер.

Ультрасовременнейшее спорудження, що займає площа понад 3000 кв. метрів, буквально фаршировано найсучаснішим устаткуванням, що дозволяє створювати різноманітні умови випробувань, і всебічно контролюватиме їх хід. Загальна довга повітроводів становить 141 метр, а швидкість повітряного потоку у робітничій камері сягає 300 км/год. Обсяг робочої камери дозволяє продувати у ній повнорозмірні боліди Формули-1, але, як було зазначено повідомлено, основного обсягу випробувань здійснюватиметься на 60%- моделях.

По офіційними даними, швейцарська «стайня «угрохала все це технічне багатство більш 55 мільйонів. Проте, на думку Пітера Заубера, витрати дуже швидко окупляться завдяки зрослому рівню підготовки техніки його команди. |[pic] |[pic] |[pic] | |Так йшла будівництво. | |Заубер і Рампф в трубі. |.

|[pic] |[pic] | |Випробування масштабної моделі |.

|[pic] |[pic] |[pic] | |Випробування полноразмерного боліда. |.

На цей час така конструкція є найбільш досконалої у світі. Вона має можливість розвивати швидкість вітру до 300 км/год, має спеціальне покриття, имитирующее трасу, яке рухається під болідом. Існує зокрема можливість використання двох машин одночасно з вивчення їхньої поведінки за умов повітряних ям і турбулентности.

" Аеродинаміка — першочерговою чинник, визначальний технічне досконалість сучасного боліда Формули 1. Отже, аеродинамічна труба — першорядне необхідність до створення такого боліда " , — заявив Пітер Заубер на прес конференції присвяченій їх новшеству.

Поставкою і обслуговуванням електронних приладів займатиметься компанія Philips, недавно підписала контракт використання команди у рекламних цілях. По недавно укладеним угоді, крім болідів «стайні «Пітера Заубера в аеродинамічних випробуваннях прийматиме участь команда Ferrari, яка запросила обох пілотів Sauber проводити тести їх болидов.

Команді Sauber годі було повністю списувати все невдачі нинішнього сезону на дедалі більшу прірву між «багатими «і «бідними ». Таке зізнання зробив господар стайні з Хинвила Петер Заубер, заявивши, що швейцарська приватна команда у цьому сезоні повністю провалила роботу у аеродинамічній трубі і зуміла створити хорошого пакета для свого оснащеного клієнтськими моторами Ferrari боліда C22. «З нашими аеродинамічними проблемами, ми необгрунтовано полегшили завдання своїх конкурентів » , — журиться Заубер.

Чималу роль нинішньому важкому становищі грає недолік бюджету. Команда має у розпорядженні цифру шість разів менші, ніж у конкурентів — заводських команд, як-от Ferrari чи Toyota.

Петер Заубер: «Технологічна гонка перейшов у новий вимір, про якому ми кілька років і думати було неможливо. Але списати всі наші біди й погані результати на нестачу коштів було надто просто » .

Як уже повідомив неофіційний джерело, аеродинамічна труба Sauber в Хинвиле була неправильно відкалібрована, і цього під час створення і доведенні боліда, у якому ганяються Нік Хайдфельд і Хайнц-Харальд Френтцен, використовувалися невірні данные.

Той-таки джерело повідомляє, що Петер Заубер зі своїми командою збирається задіяти аеродинамічну трубу в Англії, щоб виправити стан. Сьогодні ж «болід зовсім на кращої формі «, — продовжує журитися Заубер: «Інакше ми були б набагато вище ». Останні окуляри команда заробила минулого місяця на Гран-прі Європи; тоді як перед цим Sauber не отримувала очок аж п’ять гонок. Петер Заубер визнає, що багато можливостей вже втрачені, «але цілком списувати команду з рахунку в цьому сезоні поки що зарано » .

Саме невдала аеродинаміка останньої машини Sauber не позволдила пілотам команди утримати що п’яте місце в келиху конструкторів. І ось швейцарські боліди мають стати быстрее.

Про будівлі аэротуннеле в Sauber замислилися ще 1999 року. Проте його будівництво почалося тільки у січні 2002 года.

Аеродинаміка боліда Ferrari. Перемоги Міхаеля Шумахера у трьох Гран-прі сезону з чотирьох минулих змусили шанувальників «Формули-1» вже у який раз заговорити феномен великого німця у тому, з яким легкістю чотириразового чемпіону світу вдається брати гору над суперниками. Звісно ж, величезну роль грають досвід, накопичений Міхаелем упродовж свого виступів у «королівських» гонках, злагоджену роботу всієї команди, і відмінна нова машина F2002. Разом про те однією з вирішальних чинників перемог, на думку багатьох експертів, стала чудова аеродинаміка боліда Ferrari.

На аэродинамическое досконалість нової машини зробила ставку «стайня» Ferrari, щоб перевершити на трасах «Формули-1» основного конкурента, команду Williams BMW, сконцентрировавшую свої зусилля у основному на працювати з двигуном. Метою фахівців було надати болиду потрібну форму, змусити повітряні потоки обтікати його те щоб створилася додаткова сила, притискає його до дороги, як наслідок, — посилилося зчеплення покришок з поверхнею треку, й престижний автомобіль впевнено вела б себе, немов на прямих, і під час проходження поворотів. Цього року Рори Бірн, головний фахівець команди по аеродинаміці, для підготовки нової машини до старту особливу увагу приділив так званої «аеродинамічній блокування» коліс, з якою йому пілотам довелося помучитися у минулому сезоні. Втім, вистачало як турбот з «правильним» обтеканием автомобіля. Оскільки нова коробка передач стала меншого розміру, ніж колишня, з’явилася можливість розпорядитися вільним місцем, утвореними у центральній і задньою частини болида.

По-новому, горизонтально, встановили амортизатори, попрацювали над внутрішньої аэродинамикой бічних понтонів, внесли зміни у систему відводу гарячого повітря від радіаторів, видозмінили переднє антикрыло… І це, ясна річ, далеко ще не зміни, що були внесені в конструкцію машины.

Над аэродинамикой болідів Ferrari працюють кілька відділень виробничу краще й технологічної баз команди у Модені і Маранелло. З 2000 року «стайня» активно співробітничає з італійської аерокосмічній компанією Finmeccanica, використовуючи у своїх інтересах досвід партнера у сфері аеродинаміки, її технології виробництва нових конструкційних і спеціальних матеріалів. Кожну деталь машини проектують з допомогою складного комп’ютерного моделювання. Однією з найбільш унікальних і дорогих проектів компанії стало будівництво 1997 року спеціальної аеродинамічній труби для машин «Формули-1». Вона оснащена новітніми системами зчитування інформації та сверхточными системами виміру. У ньому можна імітувати рух автомобіля дорогою, щоб якнайточніше змоделювати обтікання його повітрям за умов гонки.

Аэродинамическому досконалості машини подстать й неперевершена обтічність шолома пілота. У цьому сезоні Міхаель Шумахер отримав новий шолом, який би зручніше і легше попереднього, а й здатний хіба що додати автомобілю потужність приблизно 10 к.с. Олівер Шимпф, представник німецької компанії Schuberth, що з Ferrari, підтвердив цю інформацію, заявивши, що фахівці його фірми разом із інженерами команди близько 3 тис годин відчували «головного убору» в аеродинамічній трубі. Він щільно закриває шию пілота й дуже розпоряджається повітряними потоками, що де вони потрапляють всередину кабіни, а йдуть вздовж голови гонщика, та був на спойлер, що сприяє збільшення прижимной сили боліда, й у воздухозаборник, завдяки чому двигун краще охолоджується. До до того ж шолом оснастили поліпшеною системою вентиляції і фільтрації повітря. Шумахер сподівається, що він принесе йому удачу, а головне — п’ятий чемпіонський титул.

Спортивні результати Ferrari, її нові технічні розробки, які втілилися у F2002, не дають спати спокійно командам-соперницам. McLaren, ще минулому сезоні претендовавшая на чемпіонське звання, а сьогодні котра переживає найкращі часи, готова виборювати окуляри будь-що. Її директор Рід Денніс, чудово розуміючи, що його автомобілі дуже поступаються болидам Ferrari, та й пілоти не блискучі особливим майстерністю, недавно звернувся до FIA (Міжнародна автоспортивная федерація) зі скаргою на італійських конкурентів, що нібито використовують заборонені аеродинамічні елементи у своїй нової машині. Як стверджує Денніс, на гонці у Бразилії верхній елемент заднього антикрыла машини Міхаеля Шумахера прогинався, що було йому перевагу швидкістю на прямих. Після Гран-прі Сан-Маріно він заявив, що «гнучкими» є і бічні понтони F2002, і це істотно покращує аеродинаміку машини. «Коли Шумахер атакує поребрики, то, при уповільненій зйомці видно, як бічні понтони його боліда майже остаточно дійшли рух і змінюють свою форму», — написав у свою заяву Денніс. Проте FIA, вивчивши відеозапис, вважала, що що спостерігається деформація викликана ударом автомобіля про поребрики, і визнало машину F2002 відповідної вимогам. Росс Браун — технічного директора Ferrari прокоментував скарги Дениса так: «Коли в тебе швидка машина, інші намагаються знайти цьому найпростіші объяснения».

Роль аеродинамічній труби. Беручи до уваги те, що F1 властиво великі швидкості, однією з основних дизайнерських областей є аеродинаміка. Аэродинамическое будова боліда впливає такі речі як швидкість, прижимная сила, тощо., також, аеродинаміка впливає і знос шин, кількість необхідного палива й т.п. Великі команди, зазвичай, відводять 12,000 годин на тестування аеродинамічній трубі у процесі розробок болида.

Створення масштабних деталей для тестів в аеродинамічній трубі було дуже тривалою і дорогим, отже команди створюють масштабну модель, ідеальну за всіма параметрами. Різні команди використовують різні масштаби, McLaren, приміром, мають 40% трубу, Ferrari створюють полу-масштабные моделі. Якщо модель виявляється великий, то аеро потік буде спотворений бічними сторонами аеродинамічній труби, ці взаємодії називають «блокирущие чинники «і вони, безсумнівно, спотворюють вірні результати. Моделі зазвичай створюються з карбону з алюминивыми «примочками », такі як антикрылья, підвіска. Моделі мусять бути дуже міцними, т.к. тунель створює сильно тиснуть на эродинамические компоненти, і гнучкі деталі, в тому випадку, будуть спотворювати результати. Команди створюють 3 чи 4 моделі, з різними частинами, изменяющимися протягом разработок.

Renault хоче будувати аеродинамічну трубу. Команда Renault у недалекому часу планує розпочати будівництві другий аеродинамічній труби в Энстоне. Нині у розпорядженні команди є дві аеродинамічних труби — власна стара у Великій Британії, і ще одне Італії, якої Renault користується за угодою з її власником, компанією Fondmetal Technologies.

Наступного року французька команда сподівається зробити серйозний крок уперед, у технічному плані. Підготовка ось до чого сезону йде повним ходом. За планами Renault нове шасі і двигун 2003 року буде готові вже на початку декабря.

Концерн General Motors увів у лад найпотужнішу нині аеродинамічну трубу неподалік Детройта (штаті Мичиган).

|[pic] |[pic] |.

Повітряний потік, який досягає швидкості 240 км/год, створює циклопічних розмірів (діаметр близько 14 метрів) вентилятор, який наводиться в дію електродвигуном потужністю 4500 к.с. Вражаючий поперечник труби зовсім не від означає, що продувати у ній GM збирається навіть великогабаритні вантажні автомобілі. Відповідно до законів аеродинамічного моделювання, повітряний потік, огибающий машину, має бути досить об'ємним — щоб уникнути впливу стін, які деформують картину обтікання. Як багато і будь-який прилад що така, мичиганская новинка обладнана точнейшими «вагами», замеряющими аэродинамическое опору автомобіля загалом і його окремих частин. За необхідності дослідники можуть звернутися до класичному методу візуалізації — струменем диму, яка наочно ілюструє хід повітряних потоков.

В іншому континенті, у Європі, готують до пуску новітню аеродинамічну труби для команди «Формули-1» Sauber. Проект вартістю близько 48 млн євро увінчається створенням агрегату, завдяки якому вона «стайня» має намір довести до кращих аеродинамічних кондицій нову модель свого боліда С23 розробити і таку — С24. На відміну від заокеанського споруди, діаметр його робочої частини всього 9,4 м, зате повітря ній розганяється до цілком «формульній» швидкості 300 км/год. Продувати серед збираються як боліди у натуральний зріст, і моделі, чий розмір становить 50% і 60% від габаритів реальної машины.

Спеціальна поворотна майданчик дозволить моделювати як фронтальний обтікання автомобіля, а й з точки до 10 градусів. Як вважають інженери, надзвичайно важлива й можливість перевірити на масштабних моделях аеродинаміку відразу двох болідів, хіба що несущихся трасою в безпосередній наближеності друг від друга.

3.4. Вазовская труба.

Російський автопром обзавівся власної полноразмерной АТ лише у 1988 р. Труба було побудовано на Дмитрівському автополігоні під Москвой.

[pic].

Рис 3.11 Дмитровский автополигон під Москвой.

Доти для продувки автомобілів використовувалися авіаційні труби, але вони були занадто пристосовані. Масштабні моделі продувались спеціалісти кафедри механіки МДУ, але в на заключному етапі розробки повнорозмірні зразки випробовувалися в ЦАГІ і західних автомобільних фірмах Re-nault, Porsche і др.

Немає нічого незвичного у цьому, що перший із російських автогігантів своїм комплексом аэроклиматических досліджень обзавівся АвтоВАЗ. Як було зазначалося, вазовская труба є практично точної копією поршевской. Але всі по порядку.

Виявляється, аэродинамикой на ВАЗі займалися практично від початку. Існувала навіть масштабна модель «копійки» (ВАЗ-2101), яку відчували в Казанському авіаційному інституті. Перші цілеспрямовані аеродинамічні досліди ВАЗ перейшов з 1978 р. на устаткуванні ЦАГІ в Москві. Труби там авіаційні й у автомобілів не призначені (наприклад, немає статі). Довелося будувати спеціальні устрою для випробувань моделей автомобилей.

Вже листопаді 1979 р. було проведено перший продування автомобіля ВАЗ- 2108 у натуральний зріст. Існує думка, що «вісімку» допомагали будувати фахівці Porsche. Це твердження вірно почасти — деякі консультації були, але з больше.

З появою проекту ВАЗ-2110 виникла гостра потреба в власної АТ. Багато сотень експериментів в ЦАГІ перешкоджали практично нічого. Була потрібна спеціальна автомобільна АТ. Остаточна базова форма «десятки» було затверджено в квітні 1987 р. І на липні 1987 р. після підготовки й численних перевірок макетів 1:4 третій варіант масштабної моделі автомобіля випробувала в дослідницькому центрі Вайсах. Саме там разом із працівниками Porsche було проведено оптимізація моделей, потім макета масштабом 1:1 і, нарешті, автомобіля у натуральний зріст. Але було недостаточно.

Досвід роботи з Porsche з особливою яскравістю виявив необхідність створення своєї випробувальною бази. І тут величезну роль зіграв перший президент СРСР Михайле Сергійовичу Горбачов. Його візит на ВАЗ та знаменитий заклик «стати законодавцями мод в автомобілебудуванні» послужив в пригоді. Невдовзі цих подій був виявлено інтерес до проблем ВАЗу, виділено фінансування, і закипела.

Усе розпочиналося 1987−1988 рр. Було оголошено конкурс на найкращий проект науково-технічного центру (НТЦ). Зголосилося чимало людей. Першої була фінська фірма «Финстрой», але перемогла інша фінська компанія — «Экке Грен», яка раціональніше будівельне рішення і знайшла партнерів у проектування до будівництва корпусів НТЦ.

До сформування комплексу привабили канадська фірма DSMA International Inc (що ця фірма будувала аерокліматичні комплекси Porsche і Volvo). Будівельні роботи почалися 1989 р. Основний корпус побудували вже у 1990 р. Потім почалась економічна криза, і проекту не дещо вповільнилося. У 1996 р. почався останній етап будівництва. Йшов монтаж основного технологічного устаткування. Причому найскладніші аеродинамічні ваги довелося монтувати самостійно. АТ ВАЗу вступила до ладу 1996 р., й першим автомобілем, який був у ній випробуваний, став ВАЗ-1119 «Калина».

|[pic] |[pic] |.

Рис 3.12 Вітчизняні автомобілі в трубе.

Спочатку визначити площа поперечного перерізу автомобіля чи макета. Від точності цих даних залежатиме точність подальших розрахунків аеродинамічних навантажень на автомобиль.

Стенд для виміру площі поперечного перерізу спроектований фірмою ISRA Systemtechnik Gmb і вміщує об'єкти з висотою і завширшки трохи більше 2,5×2,5 м. На стенді робити вимір автомобілів і моделей з площею поперечного перерізу до запланованих 4 м². Час виміру — максимум 30 хв., а точність стенда — 0,2%. Промінь гелий-неонового (НеNe) лазера діаметром 250 мм створює практично абсолютно паралельний пучок. Променем виробляється сканування за периметром об'єкта. Дані, отримані камерами, які перебувають за об'єктом, обробляються за комп’ютером, і обчислюється площа. Далі можна розпочати випробувань в аеродинамічній трубе.

АТ ВАЗу — це труба замкнутого (геттінгенського) типу з однією зворотним каналом та ініціативною робочою частиною, виконаною з перфорированными стінами і гадки стелею. Труба дає можливості виробляти випробування автомобілів і моделей з площею поперечного перерізу до запланованих 4 м² (т. е. практично будь-які легкові, автомобілі, деякі мікроавтобуси у натуральний зріст і макети великих автобусів і вантажівок масштабу 1:2, 1:2,5). З іншого боку, можна відчувати та інші об'єкти: макети будинків, спортивний інвентар, амуніцію тощо. буд. Через війну можна лише зробити необхідні виміри сил, діючих на об'єкт, а й виробити певні рекомендації по оптимізації поверхностей.

Вазовская АТ має низку особливостей, дозволяють говорити про нього як про однією з найкращих у світі. Звукоізоляція труби дуже якісна. І з того що власний шум труби досить низький є можливість демонтувати щелевые стіни й стеля, з’являється можливість проводити не лише аеродинамічні випробування, а й доведення автомобіля по аэродинамическому шуму.

Система отсоса прикордонного шару у робітничій частини АТ, що складається з базової і розподіленої систем, дозволяє знизити товщину прикордонного шару до мінімальних значень. Це дозволяє домогтися дуже високою точності вимірів навіть автомобілів з низьким кліренсом (менш 50 мм).

Нині у ряді західних компаній починають освоювати вимірювальні стенди з які йшли полотном, имитирующим рух автомобіля дорогою. Але поки такі устрою програють з точністю нерухомим столів з отсосом прикордонного шару. Про точність вимірів свідчить те, що ці дорожніх випробувань, і показників в вазівської трубі різняться максимум ніж 1%.

Система підтримки заданої температури повітряного потоку забезпечує робочу температуру повітряного потоку буде в діапазоні +20−25ОС з точністю до 0,5ОС. Параметри АТ хоч і рекордні, але вражають своїми масштабами й потенційними можливостями. Максимальна швидкість вітру у трубі - 60 м/с (216 км/год). У цьому площа перерізу робочої частини труби — 22,3 м². Вентилятор (якщо так сказати про машині потужністю 2300 кВт — одна тисячна Волзької ГЕС) діаметром 7,4 м складається з 11 лопатей заввишки 1,8 метрів і обертається із частотою 300 об/мин.

Цю складну і відповідальну частина створювали, що називається, всім світом: двигун, і системи управління від шведської фірми ABB, металлоконструкция вентилятора фінська, а лопаті німецької фірми «Гофман».

Сам процес створення повітряного потоку негаразд простий, може видатися. Річ у тім, якби можна просто обдувати машину потужним вентилятором, то таких складних спорудах було б необхідності. Повітряний потік може бути як сильний, а й рівний як за складом, і по температурі. Тому після вентилятора він розширюється, проходить два повороту і впирається у складна система фільтрів. Спочатку потік проходить через одну детурбулизирующую сітку. Потім іде теплообмінник, підтримуючий постійну температуру повітря. Слідом розташований хонейкомб, що з безлічі шестигранних сотень і службовець вирівнювання потоку і розбивання великих вихорів. Останніми повітря долає ще три шару детурбулизирующих сіток вже рівним потоком «навалюється» на автомобіль. У результаті ступінь турбулентності вбирається у 0,2%, що сприяє високої точності измерений.

Але серцем відновлення всього комплексу є ваги. Це 6-компонентные аеродинамічні ваги фірми Carl Schenk AG з прямим виміром навантажень. Особливістю такого типу терезів і те, що орієнтація всіх стрижнів, передавальних навантаження, ідеально збігаються з осями координат, завдяки чому відсутня взаємовпливи вимірюваних компонент друг на друга. Рама терезів безпосередньо пов’язана з землей.

|[pic] |[pic] |.

Рис 3.13 Аеродинамічні ваги фірми Carl Schenk AG.

Контакт здійснюється через шість чутливих елементів — тензодатчиков. Три датчика вимірюють вертикальну складову навантаження і два моменту сил, окремо одна балка відповідає за аэродинамическое опір (тому досягається така точність вимірів), та ще дві балки вимірюють бічну собі силу й поворачивающий момент. Тобто три сили та три моменту, які діють об'єкт випробувань, знімаються окремо друг від друга. Точність таких терезів — 0,1%. Поворотний стіл терезів дозволяє крутити автомобіль на кут від -180 до +180 градусів для імітації бічного вітру чи зміни напрями вітру при випробуваннях будинків та споруд. Шкода лише, вага об'єкта обмежений лише трьома тоннами. Для потреб АвтоВАЗу це цілком достаточно.

У підвалі розташована модельна труба. Для її «плечі» лягає основна робота з доведенні автомобілів поки що не стадії проектування. Основні випробовувані моделі - це макети майбутніх автомобілів масштабу 1:4. Але велике гідність цієї труби у цьому, що вона є точної копією (також масштабу 1:4) великий труби. Аж по аеродинамічних терезів. Така сама швидкість 60 м/с, але вентилятор всього 220 кВт (удесятеро менше). Тобто собівартість робіт у такий трубі значно нижчі від. А враховуючи, що з доведенні макета доводиться проводити назвати не одне сотню продувок, економія стає більш значимой.

У всіх випробувань розкид з точністю вимірів максимум 0,7−0,8%. А завдяки великий накопиченої базі випробувань як малих та великих моделей, і реальних автомобілів вдається вже в ранній стадії проектування, з аналізу моделей припустити, якими будуть характеристики реального автомобіля. Точність прогнозу 2−3%.

І це один цікавий факт. Річ у тім, що різні АТ можуть надавати різні дані. Порівняйте результатів використовуються перехресні порівняльні тести, коли самі автомобілі випробовуються у різних трубах. Через війну визначаються деякі поправочні коэффициенты.

Приміром, для перерахунку показників АТ компанії Mercedes внаслідок порівняльних випробувань виведений коефіцієнт 0,91. Тобто Cx ВАЗ-2112 в АТ Mercedes було б дорівнює не 0,335, як ми, а 0,305 (0,335*0,91). І навпаки, новий Mercedes E-класу з Cx = 0,26 (за даними виробника) в нашої трубі дорівнює приблизно 0,286.

Використані источники.

1. Фізика учебник.

2. Абрамович Р. М. Прикладна газова динаміка М: Наука, 1969.

3. Пэнкхёрст Р. і Холдер Д. Техніка експерименту в аеродинамічних трубах. М., Вид-во иностр. літ-ри, 1954.

4. Прикладна аеродинаміка (під ред. Краснова) М: Вид-во Вища школа,.

1974.

5. Поуп А., Гойн До. Аеродинамічні труби великих швидкостей М: Світ 1969.

6. Попов С. Г. Вимірювання повітряних потоків. М.-Л., Гостехиздат, 1947.

7. Жаркова Г. М., Корнілов В.М., Лебига В. А., Миронов С. Г., Павлов А.А.

Методи і кошти досліджень течій в аэрогазодинамическом експерименті. // Теплофизика і аеромеханіки, т.4, № 3, 1997, стор. 283;

294.

8. Магомаев А. Екологія автомобіля: [Комплекс випробувань автомобилей]/А.

Магомаев. // Наука життя й. — 2002. — N 9. — З. 30−33.

9. Мурадов Б. Труба кличе //Формула 1 — 2004. лютий, З. 34−41., 10.

———————————- Зона разряжения Подъемная сила.