Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля

Сила аэродинамического сопротивления, действующая на автомобиль при прямолинейном движении в неподвижном воздухе, определяется соотношением:

${\displaystyle F_{a}={\frac {1}{2}}\,C_{x}\,\rho \,S\,V^{2},}$

где ρ — плотность воздуха (при нормальных условиях около 1,225 кг/м³), S — площадь миделевого сечения автомобиля (площадь его проекции на плоскость, перпендикулярную направлению движения), V — скорость автомобиля относительно воздуха, C_x — коэффициент аэродинамического сопротивления^[2].

Коэффициент C_x определяют экспериментально в аэродинамических трубах на масштабных или полноразмерных моделях, а также с использованием методов вычислительной гидродинамики . Он объединяет вклад так называемого сопротивления давления (обусловленного разностью давлений на носовой и кормовой частях кузова и образованием вихревой отрывной зоны за автомобилем), сопротивления трения о поверхность кузова, а также внутренних потерь на прокачку воздуха через моторный отсек, радиатор и салон^[1].

Мощность двигателя, необходимая для преодоления только аэродинамического сопротивления, растёт как куб скорости:

${\displaystyle P_{a}=F_{a}\cdot V={\tfrac {1}{2}}\,C_{x}\,\rho \,S\,V^{3}.}$

Именно кубическая зависимость обусловливает быстрый рост энергозатрат на движение при увеличении скорости.

Помимо аэродинамического сопротивления движению автомобиля препятствует сопротивление качения шин, которое приближённо не зависит от скорости и пропорционально массе:

${\displaystyle F_{r}=f\,m\,g,}$

где f — коэффициент сопротивления качения (для современных легковых шин по асфальтированному покрытию — 0,010…0,015)^[3], m — снаряжённая масса, g — ускорение свободного падения. Мощность на преодоление качения растёт линейно: P_r = F_r·V.

Приравнивая F_a = F_r, находят характерную скорость V*, выше которой аэродинамическое сопротивление начинает превышать качение:

${\displaystyle V^{*}={\sqrt {\dfrac {2\,f\,m\,g}{C_{x}\,\rho \,S}}}.}$

Для типичного легкового автомобиля массового производства (m ≈ 1500 кг, C_x ≈ 0,30, S ≈ 2,2 м², f ≈ 0,012) характерная скорость составляет V* ≈ 21 м/с, или около 75 км/ч. Расчёт долевого распределения мощности представлен в таблице.

Отсюда следует принципиальный вывод: на скоростях выше 75–80 км/ч аэродинамическое сопротивление становится преобладающим источником энергетических потерь автомобиля, а на скоростях автомагистральных движений (110–130 км/ч) на него приходится 70–80% полной мощности сопротивления движению^[1]. Поэтому именно снижение C_x — магистральный путь к уменьшению расхода топлива и увеличению запаса хода электромобилей в скоростном режиме шоссе и автомагистралей.

Работа над современным автомобилем ведётся одновременно по нескольким направлениям, каждое из которых даёт вклад в единицы процентов, но в сумме позволяет получить существенный результат^[1].

• Уменьшение угла наклона лобового стекла. Пологое стекло сглаживает переход от капота к крыше и не создаёт вертикальной «ступеньки», в которой образуются вихри. У современных седанов угол наклона стекла к вертикали достигает 60–65° против 30–40° у автомобилей 1950-х годов.
• Оптимизация кормовой части. Плавное сужение кузова к хвосту вплоть до линии отрыва потока уменьшает площадь и интенсивность донной вихревой зоны — главного источника сопротивления давления. Как правило, применяется компромиссная форма «хвоста Камма» с добавлением заднего спойлера или отсекателя , фиксирующего линию отрыва.
• Интегрированные пологие фары. Плоские блок-фары, встроенные в обвод кузова, заменили «круглые» фары поперёк потока, характерные для машин до 1960-х годов.
• Утопленные и выдвижные ручки дверей. Заподлицо расположенные, а на премиальных моделях выдвигающиеся автоматически ручки убирают локальные срывы потока на боковой поверхности.
• Снижение внутренних потерь на охлаждение. Управляемые жалюзи в решётке радиатора, закрывающие входное отверстие в холодном режиме и в шоссейном движении, уменьшают внутреннее сопротивление на 3–7%. На поршневых боевых самолётах 1940-х годов аналогичные регулируемые заслонки радиатора были одним из главных приёмов повышения скорости.
• Плоское днище и задний диффузор. Гладкая нижняя поверхность автомобиля с направляющими элементами и диффузор в задней части не только снижают C_x, но и уменьшают подъёмную силу.
• Аэродинамические колёсные диски с прикрытыми спицами и шины с оптимизированным профилем боковины сокращают потери в области вращающихся колёс, дающих 10–25% полного сопротивления.

Важно, что аэродинамическая доводка представляет собой компромисс между обтекаемостью и потребительскими требованиями. Так, частичное закрытие колёсных ниш задних колёс щитками, применявшееся в 1950–1960-е годы (Citroën DS, отдельные модели Cadillac, «Москвич-408» в опытных сериях), не прижилось на массовых машинах из-за неудобства замены колеса и увеличения загрязнения колёсной арки.

Приоритет обтекаемости определяется целевым режимом эксплуатации. Для легкового автомобиля, значительную часть времени проводящего на скоростных трассах и автомагистралях (Германия, Австрия, страны с сетью автобанов), снижение C_x на 0,01 даёт экономию 1–2 % топлива и, соответственно, снижение выбросов CO₂ — существенный вклад в экологию и стоимость владения. Для электромобилей то же снижение переходит в увеличение запаса хода на трассе на несколько процентов^[1].

Существует и обратный маркетинговый подход. Ряд премиальных моделей внедорожников — Mercedes-Benz «Гелендваген» (C_x ≈ 0,53), Land Rover Defender нового поколения (C_x ≈ 0,45) — сохраняют угловатый «коробочный» силуэт, демонстративно отрицая принципы снижения сопротивления воздуха. Такое решение носит характер эстетического «эпатажа» и рассчитано на потребителей, для которых расход топлива не является определяющим фактором. Прямоугольные обводы этих моделей стали узнаваемым элементом их бренда.

У спортивных автомобилей и, особенно, у автомобилей класса «Формула-1» приоритеты аэродинамического проектирования иные. Основную роль играет не столько минимизация C_x, сколько формирование благоприятного баланса прижимной (англ. downforce) и силы сопротивления. Прижимная сила, создаваемая перевёрнутыми крыльями (антикрыльями) в передней и кормовой частях автомобиля, а также диффузорным днищем, увеличивает вертикальную нагрузку на шины и, соответственно, предельную скорость прохождения поворотов.

Поскольку рост прижимной силы сопровождается увеличением аэродинамического сопротивления, на современных гоночных болидах применяют регулируемые антикрылья с изменяемым углом атаки: на прямых участках трассы угол атаки уменьшается (система DRS в «Формуле-1»), что уменьшает сопротивление и позволяет достичь большей максимальной скорости, а перед торможением и в поворотах угол атаки возвращается к рабочему, обеспечивающему прижим. На дорожных суперкарах (Porsche 911 Turbo, Bugatti Chiron и др.) применяются активные заднее антикрыло и передние воздушные заслонки, автоматически меняющие геометрию в зависимости от скорости и режима движения.

перевёрнутое авиационное крыло создаёт направленную вниз аэродинамическую силу