Kas ta aktyvioji aerodinamika ir kodėl ji ne tik sportinių automobilių reikalas
Jei kada nors stebėjote „Formula 1″ lenktynes ir pastebėjote, kaip automobilio sparnas keičia kampą įvažiuojant į posūkį ar stabdant, arba matėte, kaip „Porsche 911 GT3″ galinė spoilerio dalis automatiškai pakyla greičiui viršijus tam tikrą ribą – tai ir yra aktyvioji aerodinamika. Bet tai ne vien lenktynių trasų reikalas. Šiandien ši technologija pamažu skinasi kelią į masinius automobilius, ir tai verta suprasti kiekvienam, kuris domisi automobiliais bent kiek giliau nei vien jų išvaizda.
Paprastai tariant, aktyvioji aerodinamika – tai sistema, kuri reaguoja į kintančias važiavimo sąlygas ir atitinkamai keičia automobilio aerodinaminius elementus. Ne statiškai, ne vieną kartą sureguliuotą ir paliktą, o nuolat, realiu laiku. Jutikliai, valdymo blokai, pavaros – visa tai dirba kartu, kad automobilis kiekvienu momentu elgtųsi optimaliai.
Pasyviosios ir aktyviosios aerodinamikos skirtumas – ne tik terminologijos klausimas
Prieš nerdami giliau, verta aiškiai atskirti dvi sąvokas, nes jos dažnai painiojamos. Pasyvioji aerodinamika – tai visi tie elementai, kurie yra fiksuoti: spoileriai, difuzoriai, oro kanalai, kėbulo forma. Jie veikia visada vienodai, nepriklausomai nuo greičio, kelio sąlygų ar vairuotojo poreikių. Gerai suprojektuota pasyvioji aerodinamika gali padaryti stebuklus, bet ji visada yra kompromisas – tai, kas gerai veikia 200 km/h, gali būti visiškai nereikalinga ar net žalinga 50 km/h.
Aktyvioji aerodinamika šį kompromisą išsprendžia. Ji leidžia automobiliui turėti didelį žemyn spaudžiančią jėgą (downforce) tada, kai to reikia – greitame posūkyje ar stabdant, – ir sumažinti aerodinaminį pasipriešinimą tada, kai reikia greičio tiesiosiose. Tai lyg turėti du skirtingus automobilius viename.
Praktinis pavyzdys: „Bugatti Chiron” galinis spoileris gali veikti kaip oro stabdys – staigiai pakyla ir sukuria papildomą pasipriešinimą, padedantį automobiliui stabdyti iš 400 km/h. Tuo pačiu metu stabdžiai ir padangos neturi vienos perkrauti tiek jėgos. Tai ne prabangos elementas – tai saugumas.
Kaip tai veikia techniškai – be nereikalingo sudėtingumo
Aktyviosios aerodinamikos sistema paprastai susideda iš kelių pagrindinių dalių:
- Jutikliai – matuoja greitį, šoninį pagreitį, stabdymo intensyvumą, vairo posūkio kampą, vėjo kryptį ir kitus parametrus.
- Valdymo blokas (ECU) – apdoroja gautus duomenis ir priima sprendimus, kaip keisti aerodinaminius elementus.
- Pavaros – elektriniai ar hidrauliniai mechanizmai, kurie fiziškai juda ir keičia elementų padėtį.
- Aerodinaminiai elementai – sparnai, sklendės, difuzoriai, oro kanalai, kurie realiai keičia oro srautą aplink automobilį.
Visa ši sistema gali reaguoti per milisekundes. Kai automobilis pradeda posūkį, jutikliai tai užfiksuoja, valdymo blokas apskaičiuoja optimalų sparno kampą ir pavara jį pasuka – visa tai įvyksta greičiau, nei vairuotojas suspėja pajusti bet kokį pokytį. Tai labai panaši logika kaip ABS ar ESP, tik veikianti oro srautų, o ne stabdžių ar variklio valdymo srityje.
Svarbu paminėti ir aktyvią pneumatinę pakabą, kuri dažnai eina koja kojon su aktyviosiomis aerodinaminėmis sistemomis. Kai automobilis nuleidžiamas arčiau žemės dideliu greičiu, tai irgi keičia aerodinaminį profilį – sumažėja oro kiekis, praeinantis po automobiliu, ir padidėja žemyn spaudžianti jėga. „Mercedes-AMG GT Black Series” arba „Ferrari SF90″ puikiai demonstruoja, kaip pakabos aukštis ir aerodinaminiai elementai veikia kartu kaip viena sistema.
Nuo „Formula 1″ iki jūsų garažo – technologijos kelias
Aktyvioji aerodinamika lenktynių automobilius pasiekė dar XX amžiaus aštuntajame dešimtmetyje, bet tikrasis proveržis įvyko 1983 metais, kai „Brabham” komanda pristatė aktyvią pakabą su aerodinaminiais elementais, kurie keitėsi priklausomai nuo greičio. Vėliau „Williams” komanda sukūrė vieną sudėtingiausių aktyvios pakabos sistemų F1 istorijoje, kuri buvo uždrausta 1994 metais dėl pernelyg didelio pranašumo prieš kitas komandas.
Šiuolaikinėje F1 DRS (Drag Reduction System) sistema – tai irgi aktyvioji aerodinamika, nors ir labai supaprastinta ir reguliuojama taisyklių. Lenktynininkui leidžiama atidaryti galinį sparną tiesiosiose, sumažinant aerodinaminį pasipriešinimą ir padidėjant greičiui iki 20–25 km/h. Tai leido padidinti lenktynių įdomumą, nes tapo lengviau aplenkti.
Į masinio segmento automobilius ši technologija pradėjo skverbtis maždaug prieš dešimtmetį. „Volkswagen” grupė, „Mercedes”, „BMW”, „Audi” – visi jie pamažu diegė aktyvius aerodinaminius elementus savo aukštesnės klasės modeliuose. Šiandien net kai kuriuose elektromobiliuose, pavyzdžiui, „Tesla Model S Plaid” ar „Lucid Air”, galima rasti aktyvius spoilerius ar oro valdymo sistemas.
Elektromobiliai čia turi ypatingą motyvaciją – kiekvienas papildomas aerodinaminės varžos sumažinimas tiesiogiai padidina ridos galimybes. Kai nereikia didelės žemyn spaudžiančios jėgos (pavyzdžiui, važiuojant magistrale pastoviu greičiu), aktyvūs elementai gali būti sulenkti taip, kad automobilis taptų kuo aerodinaiškai efektyvesnis.
Konkretūs pavyzdžiai iš tikrų automobilių
Teorija teorija, bet pažiūrėkime, kaip tai atrodo realiuose automobiliuose, kuriuos galima nusipirkti (na, bent jau teoriškai).
Porsche 911 GT3 RS – čia aktyvioji aerodinamika pasiekė beveik absurdiško lygio. Automobilis turi daugiau nei 860 kvadratinių centimetrų aktyvių aerodinaminių elementų. Priekinis sparnas, galinis sparnas, šoniniai elementai – visa tai juda nepriklausomai vienas nuo kito. Skirtingais važiavimo režimais sistema gali sukurti iki 409 kg žemyn spaudžiančios jėgos. Tai daugiau nei pats automobilis sveria. Ir visa tai valdo elektronika realiu laiku.
Mercedes-AMG GT Black Series – čia galinis sparnas turi du nepriklausomus elementus, kurie gali judėti skirtingais kampais. Tai leidžia sukurti vadinamąjį aerodinaminį vektorizavimą – panašiai kaip momentų vektorizavimas diferenciale, bet oro srautais. Posūkyje išorinis sparno elementas gali turėti didesnį kampą nei vidinis, taip padedant automobiliui suktis.
Lamborghini Huracán Performante – šis automobilis pristatė ALA (Aerodinamica Lamborghini Attiva) sistemą. Jos esmė – aktyvios sklendės, kurios gali nukreipti oro srautą per tuščiavidurius aerodinaminius elementus arba jį blokuoti. Kai sklendė atidaryta, oras praeina per elementą ir jis nekuria žemyn spaudžiančios jėgos. Kai sklendė uždaryta – kuria. Tai leidžia labai greitai ir efektyviai valdyti žemyn spaudžiančią jėgą skirtingose automobilio dalyse.
Audi e-tron GT – elektromobilio pavyzdys, kur aktyvioji aerodinamika tarnauja efektyvumui. Aktyvios oro sklendės priekyje atidarytos tik tada, kai reikia aušinti stabdžius ar akumuliatorius. Kitais atvejais – uždarytos, sumažinant aerodinaminę varžą ir taupant energiją. Paprastas, bet labai efektyvus sprendimas.
Ką tai duoda eiliniam vairuotojui – praktinis žvilgsnis
Čia daugelis gali paklausti: gerai, tai įdomu, bet man tai aktualiai? Jei nevažiuoji trasoje ir neturi sportinio automobilio, ar aktyvioji aerodinamika tau ką nors reiškia?
Tiesiogiai – galbūt ne daug. Bet netiesiogiai – vis daugiau. Štai kodėl:
Pirma, technologijos brangsta ir pinga. Tai, kas prieš dešimt metų buvo tik egzotiniuose superautomobiliuose, dabar atsiranda vidutinės klasės automobiliuose. Aktyvios oro sklendės variklio aušinimui jau dabar yra daugelyje automobilių – jos tiesiog nėra taip akivaizdžiai matomos kaip dideli sparnai. Šios sklendės pagerina aerodinaminę varžą ir sumažina degalų sąnaudas.
Antra, elektromobilių plitimas spartina aktyviosios aerodinamikos demokratizavimą. Elektromobilių gamintojams kiekvienas efektyvumo procentas yra labai svarbus, todėl jie investuoja į aktyvias sistemas, kurios anksčiau buvo per brangios masiniams automobiliams.
Trečia, saugumas. Aktyvios aerodinaminės sistemos, kurios padeda stabdyti ar išlaikyti stabilumą dideliu greičiu, yra tiesiogiai susijusios su sauga. Ir šios sistemos, kaip ir ABS ar ESP, anksčiau ar vėliau taps standartinės.
Praktinis patarimas tiems, kurie renkasi automobilį: jei žiūrite į sportinį ar aukštesnės klasės automobilį, atkreipkite dėmesį, ar jis turi aktyvių aerodinaminių elementų. Tai ne tik marketingo triukas – tai realiai veikianti sistema, kuri gali pagerinti automobilio elgesį. Bet taip pat žinokite, kad šios sistemos reikalauja priežiūros ir gali brangiai kainuoti remontuoti, jei kas nors suges.
Problemos, kurias gamintojams dar reikia išspręsti
Aktyvioji aerodinamika nėra be trūkumų. Ir čia verta kalbėti atvirai, nes reklaminiai prospektai apie tai nutyli.
Pirma – sudėtingumas ir patikimumas. Kiekvienas judantis elementas yra potenciali gedimo vieta. Pavaros, jutikliai, valdymo elektronika – visa tai gali sugesti. Ir jei sugenda, pavyzdžiui, galinis sparnas fiksuojasi maksimalaus žemyn spaudžiančios jėgos padėtyje, automobilis staiga tampa daug mažiau efektyvus degalų sąnaudų požiūriu. O jei fiksuojasi minimalios žemyn spaudžiančios jėgos padėtyje – gali tapti pavojingas dideliu greičiu.
Antra – svoris. Pavaros, mechanizmai, papildoma elektronika – visa tai sveria. Ir kiekvienas papildomas kilogramas yra priešas tiek sportiniame, tiek elektriniame automobilyje. Gamintojai nuolat bando rasti balansą tarp funkcionalumo ir svorio.
Trečia – kaina. Aktyvios aerodinaminės sistemos yra brangios tiek gaminti, tiek prižiūrėti. Tai viena priežasčių, kodėl jos vis dar daugiausia sutinkamos brangiuose automobiliuose.
Ketvirta – reguliavimas. Kai kuriose šalyse tam tikri aktyvūs aerodinaminiai elementai gali būti nelegalūs viešuosiuose keliuose. Pavyzdžiui, labai didelis sparnas, kuris kelia virš tam tikro aukščio, gali pažeisti transporto priemonių techninius reikalavimus. Prieš modifikuojant savo automobilį aktyviais aerodinaminiais elementais, verta pasitikrinti vietinę teisę.
Ateitis: kai oras tampa dar vienas valdymo įrankis
Kur visa tai link? Ateitis atrodo įdomi. Kelios tendencijos, kurios jau dabar formuojasi ir artimiausiais metais taps realybe.
Pirmiausia – dirbtinis intelektas ir mašininis mokymasis aktyviosios aerodinamikos valdyme. Šiandienės sistemos veikia pagal iš anksto užprogramuotas taisykles: jei greitis didesnis nei X, sparno kampas turi būti Y. Ateities sistemos galės mokytis iš vairuotojo elgesio, kelio sąlygų, oro prognozių ir optimizuoti aerodinaminius elementus daug subtiliau ir tiksliau.
Antra – morfologiniai paviršiai. Tai dar tik mokslinių tyrimų stadijoje, bet idėja tokia: vietoj judančių elementų, visas automobilio paviršius galėtų keisti formą – kaip raumenys. Specialios medžiagos, reaguojančios į elektros signalus, galėtų pakeisti kėbulo kontūrus, sukuriant optimalų aerodinaminį profilį kiekvienai situacijai. Tai skamba kaip fantastika, bet pirmieji prototipai jau egzistuoja.
Trečia – aktyvios aerodinaminės sistemos, bendraujančios su infrastruktūra. Jei automobilis žino, kad po 500 metrų bus aštrus posūkis (iš GPS duomenų), jis gali iš anksto paruošti aerodinaminius elementus optimaliai padėčiai, o ne reaguoti tik tada, kai jau įvažiuojama į posūkį. Tai ypač aktualu autonominiams automobiliams.
Ketvirta – aktyvios aerodinaminės sistemos kaip papildomas variklis. Kai kurie tyrinėtojai eksperimentuoja su idėja, kad aktyvūs aerodinaminiai elementai galėtų ne tik valdyti žemyn spaudžiančią jėgą, bet ir generuoti elektros energiją iš oro srauto. Tai ypač aktualu elektromobiliams, kur kiekvienas papildomas energijos šaltinis yra vertingas.
Viena aišku: aktyvioji aerodinamika nėra laikina mada ar marketingo triukas. Tai fundamentali technologinė tendencija, kuri keičia tai, kaip automobiliai sąveikauja su aplinka. Ir kuo daugiau automobilių taps elektriniais, kuo daugiau jų taps autonominiais, tuo svarbesnė bus ši technologija. Oras – tai nemokamas resursas, kurį teisingai panaudojus galima padaryti automobilius greitesnius, saugesnius ir efektyvesnius vienu metu. O tai, mano draugai, yra labai geras sandoris.
