Технология аэродинамической трубы для болидов Формулы 1

Технический Регламент Формулы 1 гласит, что основная часть днища машины должна быть плоской, но диффузоры все-таки можно использовать. Воздух, вылетающий из канала диффузора, немедленно направляется вверх, благодаря влиянию заднего антикрыла и восходящему потоку воздуха непосредственно позади машины.

Совокупность всех этих явлений как раз и приводит к тому, что позади болида образуется зона разряжения. Поскольку эта область разряжения двигается вместе с машиной, то она создает некоторую силу сопротивления, и, кроме того, представляет определенные проблемы для машин, следующих сзади в непосредственной близости от нее.

Остановимся более подробно на том влиянии, которое зона разряжения оказывает на позади идущую машину. Если два болида движутся по прямой, то второй, находясь в непосредственной близости от первого, попадает в эту область разряжения и как бы "подтягивается к первому, словно на канате". Здесь все дело в том, что эта турбулентность позади первого болида автоматически уменьшает силу сопротивления, действующую на второй болид.

Пилоты говорят, что это притяжение (как раз его они и называют слипстримом) ощущается даже на расстоянии в пять-шесть корпусов от впереди идущей машины - чем ближе, тем сильнее, разумеется. Есть мнение, что у болидов старых времен слипстрим был гораздо более эффективным, что можно легко объяснить значительно большей прижимной силой, действовавшей на болид старой модели. Именно из-за снижения эффективности слипстрима появились проблемы с обгонами, ставшие столь актуальными в современной Формуле 1.

При движении по прямой, чем более сильный слипстрим, тем легче и быстрее можно приблизиться к впереди идущей машине и попытаться обогнать ее. Если слипстрим недостаточно эффективен, может возникнуть хронический и острый недостаток в ситуациях, благоприятных для обгона.

При движении в поворотах, напротив, эффект турбулентной зоны разряжения позади впереди идущего болида оказывает резко отрицательное влияние на болид, следующий в непосредственной близости позади первого. Пилоты часто жалуются на эффект недостаточной управляемости и недостаточного сцепления с трассой, который ощущается на расстояниях в четыре корпуса и меньше. Здесь все дело в прижимной силе.

У движущегося сзади болида она меньше, поскольку воздух, действующий на антикрылья и, собственно, создающий эту прижимную силу, обладает меньшей энергией, так как он только что "поработал на первую машину". Этот воздух отрывается от поверхности антикрыла раньше, чем положено, вследствие чего прижимная сила оказывается меньше. Получается, что сзади идущая машина не может совершать те же маневры и проходить повороты с той же скоростью, что и впереди идущая. Таким образом, она будет откатываться назад и никогда не попадет в ситуацию, благоприятную для обгона! (Едва ли кому-то это может понравиться!)

Вообще говоря, команды очень хотели бы понять, как ведут себя их машины, попадая в такую зону разряжения. Существует даже несколько методов исследований в этой области, симулирующие физический процесс. Среди них полномасштабные эксперименты с физическими моделями в полную величину, эксперименты в аэродинамической трубе, а также эксперименты, симулирующие саму зону разряжения с использованием стабилизаторов и металлических блоков (чтобы симулировать процессы, происходящие в кильватере болида). Но, справедливости ради надо признать, что, поскольку график у команд Формулы 1 весьма напряженный, они, как правило, пренебрегают этими исследованиями и просто списывают проблемы обгонов на очевидные недостатки Регламента.

3. Аэродинамические трубы.

На протяжении всего года команды проводят аэродинамические испытания. Для проверки и корректировки аэродинамических свойств болидов каждая команда, тестирует машину, не только гоняя ее по гоночной трассе, но и обдувая болид в аэродинамической трубе. В процессе разработок болида команды обычно отводят до 12 тысяч часов на тестирование в трубе.

"Аэродинамика – первоочередной фактор, определяющий техническое совершенство современного болида Формулы 1. Следовательно, аэродинамическая труба – первостепенная необходимость для создания такого болида", - заявил Питер Заубер на презентации аэродинамической трубы его команды (см. Рис. 3.1) в декабре 2003 г.

Рис. 3.1 Питер Заубер и его технический директор Вилли Рампф

в новой аэродинамической трубе команды Sauber.

Аэродинамическая труба (АТ) - это установка, создающая поток воздуха или газа для экспериментального изучения явлений, сопровождающих обтекание тел.

Область использования технологии АТ, конечно же, не ограничивается аэродинамическими испытаниями болидов F1. С помощью АТ определяются силы, возникающие при полёте самолётов и вертолётов, ракет и космических кораблей, при движении надводных и подводных судов, исследуются их устойчивость и управляемость. В АТ определяются ветровые нагрузки, а также нагрузки от взрывных волн, действующие на здания и сооружения - мосты, мачты электропередач, дымовые трубы и т. п.

Испытания в АТ базируются на принципе относительности Галилея, который гласит, что перемещение тела относительно воздуха (или жидкости) можно заменить движением воздуха, набегающего на неподвижное тело.  

В аэродинамических трубах натурные явления обращаются, вместо поступательного, прямолинейного и равномерного движения тела в однородной неограниченной среде изучается обтекание неподвижного тела равномерным потоком с той же скоростью. По принципу относительности Галилея механические явления взаимодействия среды и тела будут в обоих случаях одинаковыми.

Для моделирования движения тела в АТ необходимо создать равномерный поток, имеющий в любых точках равные и параллельные скорости (равномерное поле скоростей), одинаковые плотность и температуру.

АТ дороги, поэтому обычно в них исследуется обтекание модели проектируемого объекта (или его частей), и определяются действующие на неё силы. При этом необходимо соблюдать условия подобия, которые обеспечивают возможность переносить результаты, полученные для модели в лабораторных условиях, на полноразмерный натурный объект. При соблюдении этих условий аэродинамические коэффициенты для исследуемой модели и натурного объекта равны между собой, что позволяет, определив аэродинамический коэффициент в аэродинамической трубе, рассчитать силу, действующую на натуру.

3.1. История создания и развития технологии аэродинамической трубы.

Еще в далеком прошлом исследователи понимали, что для более точных тестов нельзя опираться на естественные ветры. Исаак Ньютон и до него Леонардо да Винчи предполагали, что перемещение модели через воздушную среду с необходимой скоростью или ее обдув значительно выгоднее для проведения экспериментов, чем ветры естественного происхождения.

Впервые измерения сопротивления воздуха начали проводить в XVI веке на свободно падающих телах.

Проведением подобных опытов одним из первых занялся Леонардо да Винчи (1452-1519). Впрочем, он экспериментировал не только с падающими телами, но и с телами, движущимися  в воде, и даже с плоскими поверхностями, движущимися в воздухе под углом атаки. Ему удалось найти оптимальную форму судна наименьшего сопротивления.

Дело Леонардо продолжил Галилео Галилей (1564-1642). Бросая с наклонной Пизанской башни тяжелые и легкие шары, он установил независимость скорости падения тяжелых тел от их веса и сформулировал один из величайших физических принципов — принцип инерции: если на тело не действуют силы, то оно движется равномерно. Немаловажное значение Галилей придавал  логическому объяснению результатов эксперимента, пониманию физической сущности.

Еще одним великим шаробросателем  был Исаак Ньютон (1643 — 1727), основатель физики и (совместно с Г.Лейбницем) высшей математики. Он бросал шары в Лондонском соборе святого Павла. Вопрос о сопротивлении тел был для Ньютона далеко не праздным. Он хотел доказать, что (в отличие от утверждений аристотелианцев) космическое пространство не заполнено материей. В противном случае космическая материя оказывала бы сопротивление движению небесных тел, и вся стройная механическая система мира, созданная трудами Ньютона, рассыпалась бы, как карточный домик.

После «великих шаробросателей» были попытки использовать сравнительно устойчивые естественные источники ветра. Модели помещались на гребнях гор или в продуваемых пещерах и ущельях. Но даже здесь непостоянство природы вынуждало экспериментаторов двигать модели через неподвижный воздух.

Бенджамин Робинс (1707-1751), блестящий английский математик, был первым, кто применил эффект вращающегося рычага и создал устройство для испытания моделей на высокой скорости по принципу центрифуги.

Его первая машина (см. Рис. 3.2) имела рычаг длиной 4 фута (~1,26 м), закрепленный на шкиве.

Рис. 3.2 Центрифуга Бенджамина Робинса.

Вращение осуществлялось при помощи груза, тянущего под своим весом веревку, намотанную на шпиндель. При этом достигались скорости несколько метров в секунду. Закрепляя на конце рычага различные предметы – пирамиду, лист металла и т. п., Робинс установил несостоятельность существующих теорий воздушного сопротивления. «Различные формы, даже если предположить, что они имеют одинаковую площадь, не всегда обладают тем же воздушным сопротивлением или обтекаемостью».

Явно сложное отношение между обтекаемостью, формой, положением модели и скоростью воздуха шло вразрез с простой теорией, выдвинутой Ньютоном.

Подобные эксперименты проводил также сэр Джорж Кайли (1773 -1857). Его аппарат позволял достичь скоростей в 6 м/с. Опираясь на свои эксперименты, Кайли в 1804 г. создал и запустил беспилотный планер с площадью крыльев 18,5 кв. м., и уже в 1852 г. у него был готов проект триплана, имеющий многие характеристики современных самолетов.

Но основной вклад Кайли состоял в том, что он первым отметил, что «двигатель нужно использовать лишь для движения вперед, а подъемную силу будут создавать крылья». До этого считалось, что крыльями необходимо взмахивать, как это делают птицы.

До конца XIX века рычажное приспособление оставалось практически единственным устройством для исследования аэродинамики. Но ряд существенных недостатков и сложностей этой конструкции привел к появлению более совершенного инструмента – аэродинамической трубы.

Как принято считать, Франк Уинхэм (1824-1908), член Совета авиационного общества Великобритании, был первым человеком, кто спроектировал и провел первые эксперименты с АТ в 1871 г. Сначала Уинхэм также пытался использовать «рычажную центрифугу», но неудачный опыт побудил его к тому, чтобы принудить Совет к увеличению финансирования для строительства АТ.

Это была труба более 3,5 м в длину и сечением 116 см2 (Рис. 3.3). Вентилятор, обдувавший модели, приводился в движение паровым двигателем.

Рис. 3.3 Первые аэродинамические трубы.

а – труба Франка Уинхэма, б – воздуходувка Циолковского

Уже первые эксперименты доказали абсолютное превосходство АТ перед другими способами проведения аэродинамических тестов.

В том же 1871 г. капитан Российской армии В. А. Пашкевич, преподаватель Артиллерийской академии, построил первую в России АТ для исследования сопротивления движению снарядов. А в 1897 г. К. Э. Циолковский при поддержке Н. Е. Жуковского построил АТ в Калуге, где провел исследования моделей дирижаблей и самолетов в потоке, скорость которого была около 5 м/с.

Для создания воздуходувки (рис.3.4) - так он ее называл - Циолковский использовал веялку, лопасти которой крутились вручную. К сожалению, в опытах Циолковского скорости оказались недостаточно большими, чтобы результаты можно было применять для нужд авиации. Однако такая воздуходувка весьма пригодна для малых опытов по исследованию силы сопротивления.

В 1902 г. под руководством Н. Е. Жуковского в механической лаборатории Московского университета строится первая в России аэродинамическая труба закрытого типа. Затем организуется специальная лаборатория в Кучине, где ставятся опыты по изучению свойств подъемной силы и ее зависимости от формы испытуемых тел. В 1904 г. под руководством Жуковского был создан первый в мире Аэродинамический институт (ЦАГИ), оказавший огромное влияние на развитие авиации и космонавтики. Проектирование этой плоской аэродинамической трубы занимался студент А.Н.Туполев.

С тех пор построено великое множество АТ, от миниатюрных до гигантских. В первую очередь аэродинамические исследования в АТ проводились разработчиками авиационной техники. Серьезно изучалась обтекаемость водных судов. Как и следовало ожидать, первым наземным транспортным средством, которое продули в АТ, стал поезд. Случилось это в 1899 г. Автомобили начали подвергаться испытаниям в АТ только после Первой мировой войны. В настоящее время комплексами для проведения аэродинамических испытаний обладают все крупнейшие автопроизводители мира.

Самая большая в мире аэродинамическая труба вступила в строй 11 декабря 1987 г. в исследовательском центре Эймса, принадлежащем НАСА, в Маунтин-Вью, штат Калифорния, США. Ее размеры – 12х24 м, в ней установлено 6 моторов мощностью 22500 л.с. каждый, создающих поток воздуха скоростью 555 км/ч.

Рис. 3.4 Исследовательский центр имени Эймса (Моффетт-Филд, Калифорния)

Использование современных компьютерных систем дает новый толчок в развитии технологии АТ. К примеру, если при работе над новым автомобилем макет машины проводит в реальной трубе сотни и тысячи часов, то виртуально на компьютерной модели аналогичную работу можно провести в течении нескольких минут. Виртуальная АТ куда компактней, чем реальная, она целиком помещается внутри компьютера. А скорость получения результатов зависит не от проворства инженеров, а от мощности процессора.

Рис. 3.5 Компьютерная модель автомобиля в виртуальной аэродинамической трубе

Разумеется, на обычном персональном компьютере такие исследования не проведешь. Необходимы высокопроизводительные суперкомпьютеры стоимостью несколько миллионов долларов, и не один, а несколько. Один из таких самых современных комплексов установлен в компании Opel. Вот лишь некоторые параметры системы: 6 компьютеров IBM eServer 690 «Regatta» с процессором 32 «POWER 4» 1,3 GHz, операционная память каждого компьютера – 64 GB, внешняя память емкостью 96 тера байт, вес – 1,2 тонны.

Возможно, когда-нибудь компьютер и сможет заменить реальную АТ, но порой даже специалисты с огромным опытом работы удивляются тем результатам, которые дает испытание трубами. И хотя иногда, основываясь на интуиции, удается создать удачный, с точки зрения аэродинамики, дизайн автомобиля, то без такого сложного устройства, как аэродинамическая труба, вряд ли будет возможным производство автомобилей будущего.

3.2. Конструкции аэродинамических труб.

Аэродинамические трубы по скорости потока разделяются на дозвуковые, трансзвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые;

по принципу действия - на компрессорные (непрерывного действия), в которых поток воздуха создается специальным компрессором, и баллонные с повышенным давлением;

по компоновке контура - на замкнутые и незамкнутые.

Компрессорные трубы имеют высокий кпд, они удобны в работе, но требуют создания уникальных компрессоров с большими расходами газа и большой мощности. Баллонные аэродинамические трубы по сравнению с компрессорными менее экономичны, поскольку при дросселировании газа часть энергии теряется. Кроме того, продолжительность работы баллонных аэродинамических труб ограничена запасом газа в баллонах и составляет для различных аэродинамических труб от десятков секунд до несколько минут.

Широкое распространение баллонных аэродинамических труб обусловлено тем, что они проще по конструкции, а мощности компрессоров, необходимые для наполнения баллонов, относительно малы. В аэродинамических трубах с замкнутым контуром используется значительная часть кинетической энергии, оставшейся в газовом потоке после его прохождения через рабочую область, что повышает КПД трубы. При этом, однако, приходится увеличивать общие размеры установки.

Простейшие схемы труб малых скоростей (работающие в условиях практической несжимаемости воздуха при скоростях до 50-60 м/сек) приведены на 3.6,

Рис. 3.6 Простейшие схемы аэродинамических труб малых скоростей

1 - рабочая часть, 2 - коллектор (а) либо сопло (б) в обоих случаях - каналы, сужающиеся по течению (конфузоры); 3 - диффузор, расширяющийся по течению; 4 - вентилятор с мотором 5; пунктиром показаны предохранительная сетка «С» и в замкнутой трубе - поворотные лопатки «Л».

Труба прямого действия Рис. 3.6,а (не замкнутая) показана с закрытой стенками рабочей частью, а замкнутая труба - с открытой рабочей частью; но первую можно сделать с открытой рабочей частью, если убрать ее стенки, заменив их герметичной камерой (показана пунктиром), а вторую - сделать с закрытой рабочей частью, если вместо свободной границы поставить стенки.

Дозвуковые аэродинамические трубы. Дозвуковая АТ постоянного действия (Рис 3.7) состоит из рабочей части 1, обычно имеющей вид цилиндра с поперечным сечением в форме круга или прямоугольника (иногда эллипса или многоугольника).

Рис. 3.7 Схема дозвуковой компрессорной аэродинамической трубы.

1- хонейкомб 2 - сетки 3 - форкамера 4 - конфузор 5 - направление потока  6 - рабочая часть с моделью 7 - диффузор, 8 - колено с поворотными лопатками, 9 – компрессор,  

10 – воздухоохладитель

Рабочая часть А. т. может быть закрытой или открытой, а если необходимо создать А. т. с открытой рабочей частью, статическое давление в которой не равно атмосферному, струю в рабочей части отделяют от атмосферы т. н. камерой Эйфеля  (высотной камерой).

Исследуемая модель 6  крепится державками к стенке рабочей части А. т. или к аэродинамическим весам. Перед рабочей частью расположено сопло, которое создаёт поток газа с заданными и постоянными по сечению скоростью, плотностью и температурой (спрямляющая решётка, выравнивающая поле скоростей). Диффузор 7 уменьшает скорость и соответственно повышает давление струи, выходящей из рабочей части. Компрессор (вентилятор) , приводимый в действие силовой установкой, компенсирует потери энергии струи; направляющие лопатки  уменьшают потери энергии воздуха, предотвращая появление вихрей в поворотном колене; обратный канал 8 позволяет сохранить значительную часть кинетической энергии, имеющейся в струе за диффузором. Радиатор  обеспечивает постоянство температуры газа в рабочей части А. т. Если в каком-либо сечении канала А. т. статическое давление должно равняться атмосферному, в нём устанавливают клапан.

Размеры дозвуковых А. т. колеблются от больших А. т. для испытаний натурных объектов (например, двухмоторных самолётов) до миниатюрных настольных установок.

В дозвуковых аэродинамических трубах исследуются аэродинамические характеристики дозвуковых самолетов вертолетов а также характеристики сверхзвуковых самолетов на взлетно-посадочных режимах. Кроме того, они используются для изучения обтекания автомобилей и др. наземных транспортных средств, зданий, монументов, мостов и др. объектов. На рис показана схема дозвуковой аэродинамической трубы с замкнутым контуром. Существуют также разомкнутые А. т., в которых газ к соплу подводится из атмосферы или специальных ёмкостей.

Существенной особенностью дозвуковых А. т. является возможность изменения скорости газа в рабочей части за счёт изменения перепада давления.

Сверхзвуковые аэродинамические трубы. В общих чертах схемы сверхзвуковой (см. Рис. 3.8 и 3.9) и дозвуковой А. т. аналогичны.

Рис. 3.8  Схема сверхзвуковой баллонной аэродинамической трубы

1 - баллон со сжатым воздухом 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - выравнивающие сетки 5 - хонейкомб 6 - детурбулизирующие сетки 7 - форкамера 8 - конфузор 9 - сверхзвуковое сопло 10 - рабочая часть с моделью 11 - сверхзвуковой диффузор 12 - дозвуковой диффузор 13 - выброс в атмосферу

Рис. 3.9 Схема баллонной гиперзвуковой аэродинамической трубы

1 - баллон с высоким давлением 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - подогреватель 5 - форкамера с хонейкомбом и сетками 6 - гиперзвуковое осесимметричное сопло 7 - рабочая часть с моделью 8 - гиперзвуковой осесимметричный диффузор 9 - воздухоохладитель 10 - направление потока 11 - подвод воздуха в эжекторы 12 - эжекторы 13 - затворы 14 - вакуумная емкость 15 - дозвуковой диффузор

Для получения сверхзвуковой скорости газа в рабочей части А. т. применяют т. н. сопло Лаваля, которое представляет собой сначала сужающийся, а затем расширяющийся канал. В сужающейся части скорость потока увеличивается и в наиболее узкой части сопла достигает скорости звука, в расширяющейся части сопла скорость становится сверхзвуковой и увеличивается до заданного значения, соответствующего числу М в рабочей части. Каждому числу М отвечает определённый контур сопла. Поэтому в сверхзвуковых А. т. для изменения числа М в рабочей части применяют сменные сопла или сопла с подвижным контуром, позволяющим менять форму сопла.

В диффузоре сверхзвуковой А. т. скорость газа должна уменьшаться, а давление и плотность возрастать, поэтому его делают, как и сопло, в виде сходящегося - расходящегося канала. В сходящейся части сверхзвуковая скорость течения уменьшается, а в некотором сечении возникает скачок уплотнения (ударная волна), после которого скорость становится дозвуковой. Для дальнейшего замедления потока контур трубы делается расширяющимся, как у обычного дозвукового диффузора. Для уменьшения потерь диффузоры сверхзвуковых А. т. часто делают с регулируемым контуром, позволяющим изменять минимальное сечение диффузора в процессе запуска установки.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5