Реферат: Технология аэродинамической трубы для болидов Формулы 1
Рис. 2.12 Воздушные потоки на боковых дефлекторах.
В сравнении с предыдущим поколением боковых панелей, новый дизайн является гораздо более сложным и тонким. На Рис. 2.11 изображена конструкция, которая использовалась McLaren в 1993 году. В то время боковые панели представляли собой тонкие ровные поверхности в форме прямоугольника, но сейчас, после эволюции, они представляют собой гораздо более сложные разновидности. Теперь они приобрели некоторый объем и особые очертания, чтобы направлять воздушный поток в различных направлениях.
Именно все эти, перечисленные выше, элементы конструкции играют важную роль в организации аэродинамического пакета болида.
2.4. Воздухозаборник.
Воздух, необходимый для работы двигателя, забирается из отверстия прямо над шлемом пилота. На размер этого отверстия ограничений нет, но при чрезмерно большом отверстии сильно возрастает тормозящий эффект.
Рис. 2.13 Воздухозаборник
2.5. Слипстрим.
«Рубенс Баррикелло на стартовой прямой догоняет Дэвида Култхарда и перед первым поворотом обходит его классическим слипстримом!»
Нечто подобное можно услышать в репортажах о Формуле-1. Что такое слипстрим? Как этот прием помогает гонщику обогнать своего соперника?
Английское выражение slip stream в дословном переводе означает «разреженный поток». А в русском языке есть несколько аналогов термина «слипстрим» — «спутный след», «воздушный мешок», «аэродинамическая тень»... Несмотря на кажущуюся разницу, обозначают они одно и то же — разрежение воздуха, которое образуется позади движущегося автомобиля (см. Рис. 2.14, зона разрежения, которая и образует слипстрим, показана синими цветом позади автомобиля, чем «теплее» цвет, тем выше давление в этой зоне).
Рис. 2.14 Характер течения воздушных потоков и распределение давлений
для седана ВАЗ-2110 на скорости 144 км/ч.
Этот эффект гонщики научились использовать себе во благо. Ведь если пристроиться вплотную за автомобилем соперника, то твоя машина окажется в зоне пониженного давления. А это сулит снижение силы лобового сопротивления. «Зависнув» у соперника на хвосте, гонщик при равной или даже немного меньшей мощности мотора получает преимущество — он может разогнаться в зоне пониженного давления, выскочить из «тени» и за счет большей скорости обойти соперника в конце длинной прямой!
Здесь вся проблема в том, что окружающий машину воздух не обладает достаточной энергией, чтобы самому устраниться, и поэтому он устремляется вслед за болидом. Любые выступающие элементы внешней обшивки корпуса болида влияют на характер потока воздуха, его обтекающего, а, следовательно, и на характер потока воздуха, следующего за машиной (кильватер). В конструкции болида F1 все аэродинамические элементы расположены в непосредственной близости друг от друга, поэтому они активно взаимодействуют между собой. Все, включая заднее антикрыло, колеса и даже диффузор под днищем машины определяет характер и свойства обтекающего потока воздуха. Этот поток, путешествуя по поверхности машины, постепенно теряет энергию, и значения его скорости и давления уже не могут вернуться к первоначальным.
Таким образом, получается, что двигаясь в воздушной среде болид Формулы 1, как, впрочем, и любая другая машина на его месте, будет генерировать разряженную среду позади себя (в кильватере).
Например, заднее антикрыло болида Формулы 1 образует довольно стабильную пару сильных завихрений на довольно большом расстоянии позади себя. В дождь или просто при большой влажности воздуха можно наблюдать эти завихрения потока воздуха в виде белых вихрей на концах заднего антикрыла. Еще в начале 1990-х это зрелище было обычным явлением в гонках Гран При.
При обтекании болида Формулы 1 эти вихри обуславливают движение потока воздуха вверх и назад - непосредственно за машиной, и вниз и вперед - по ее бокам. Вдобавок к этому, поток воздуха под машиной тоже вносит свой весомый вклад в общую картину обтекания болида.
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.
|
|
|
| а | б |
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.
