На городских скоростях большую роль играют масса машины, разгоны, торможения и сопротивление качению шин. На трассе всё заметнее становится сопротивление воздуха: двигателю или электромотору требуется больше энергии, в салоне усиливается шум, а поведение автомобиля сильнее зависит от встречного и бокового ветра.

Именно поэтому современные машины получают гладкое днище, продуманную форму зеркал, закрытую переднюю часть и минимум выступающих деталей. Но оценивать аэродинамику только по обтекаемому силуэту или заявленному коэффициенту Cd нельзя.

Почему скорость так сильно влияет на расход

Сопротивление воздуха зависит от формы и размеров автомобиля, плотности воздуха и квадрата скорости. Если при прочих равных увеличить скорость вдвое, аэродинамическое сопротивление вырастет примерно в четыре раза. Эту зависимость описывает уравнение сопротивления NASA.

В характеристиках автомобилей обычно указывают коэффициент аэродинамического сопротивления Cd. Он показывает, насколько эффективно форма кузова взаимодействует с воздушным потоком. Однако фактическое сопротивление зависит ещё и от лобовой площади машины.

Поэтому большой кроссовер с низким Cd не обязательно окажется аэродинамически эффективнее компактного седана с немного более высоким коэффициентом. Для корректного сравнения нужно учитывать сочетание Cd и лобовой площади.

Как исследуют аэродинамику автомобиля

Испытания в аэродинамической трубе

Аэродинамические трубы появились задолго до современных автомобилей. В 1901 году братья Райт использовали такую установку для испытания моделей крыльев. Позже тот же принцип начали применять в автомобилестроении.

Воздух направляют на модель или полноразмерный автомобиль, а измерительное оборудование фиксирует возникающие силы. Дымовые струи и закреплённые на кузове нити помогают увидеть, где поток проходит ровно, а где отрывается и образует завихрения.

Инженеры изучают не только кузов. На результат влияют зеркала, колёсные арки, днище, воздухозаборники, положение колёс и форма задней части автомобиля.

Цифровая аэродинамика

CFD, или вычислительная гидрогазодинамика, позволяет проводить подобные испытания в цифровой среде. Компьютерная система разбивает пространство вокруг трёхмерной модели на множество расчётных ячеек и моделирует движение воздуха.

Так можно сравнивать разные формы кузова, зеркал, дисков, воздухозаборников и других деталей ещё до создания физического прототипа. Упрощённые расчёты выполняются и на рабочих станциях, однако высокоточные модели с вращающимися колёсами и сложной геометрией требуют значительно больших вычислительных ресурсов.

Машинное обучение также начинают использовать для ускоренной предварительной оценки вариантов. Например, проект DrivAerML объединяет высокоточные CFD-расчёты сотен вариантов автомобильного кузова и данные для обучения прогнозных моделей. Такие инструменты помогают быстрее отбирать перспективные решения, но не отменяют полноценные расчёты и физические испытания.

Почему аэродинамические трубы остаются необходимыми

CFD воспроизводит заданную математическую модель, а аэродинамическая труба показывает, как ведёт себя реальный объект. На итог могут повлиять зазоры между кузовными панелями, деформация шин, движение воздуха через систему охлаждения и другие детали, которые трудно смоделировать идеально.

На практике цифровые и физические испытания дополняют друг друга. Сначала инженеры проверяют множество решений на компьютере, затем наиболее удачные варианты испытывают в трубе и уточняют расчётную модель.

Что даёт аэродинамика водителю

Меньший расход топлива и энергии

На постоянной высокой скорости значительная часть энергии уходит на преодоление сопротивления воздуха. Для автомобиля с ДВС это означает дополнительный расход топлива, для электромобиля — сокращение запаса хода.

Особенно заметна разница на трассе. В городе аэродинамика тоже работает, но её влияние часто уступает разгонам, торможениям, массе машины и сопротивлению качению шин.

Электромобили делают обтекаемыми не потому, что на них действуют другие законы физики. Просто изменение энергопотребления напрямую отражается на доступном пробеге, поэтому производители стараются сократить даже небольшие аэродинамические потери.

Меньше шума в салоне

Гул ветра возникает там, где поток сталкивается с выступающими деталями, проходит через неровные зазоры или резко отрывается от кузова. Частыми источниками шума становятся:

• боковые зеркала;
• стойки лобового стекла;
• рейлинги и поперечины на крыше;
• колёсные арки;
• дефлекторы окон;
• нештатные элементы кузова.

Поэтому шум на высокой скорости не всегда означает недостаточную шумоизоляцию. Иногда его создаёт сам воздушный поток или установленный владельцем аксессуар.

Более предсказуемое поведение на скорости

Аэродинамическая устойчивость зависит не только от сопротивления. Инженеры также контролируют подъёмную силу, распределение давления и реакцию автомобиля на боковой ветер.

Низкий Cd сам по себе не гарантирует устойчивости. Автомобиль должен сохранять аэродинамический баланс при смене направления ветра, обгоне грузовика и движении по открытым участкам трассы.

При этом аэродинамика не компенсирует неисправную подвеску, изношенные шины или неправильное давление в колёсах. Она лишь помогает исправному автомобилю сохранять предусмотренное конструкторами поведение.

Почему современные автомобили выглядят более гладкими

Скрытые ручки, закрытая передняя часть и аэродинамические диски встречаются не только у китайских электромобилей. Эти решения используют производители из разных стран, хотя именно на новых электромобилях они особенно заметны.

• Гладкое днище уменьшает завихрения под автомобилем.
• Закрытая передняя часть снижает объём воздуха, проходящего через кузов без необходимости.
• Активные жалюзи открываются, когда системе требуется дополнительное охлаждение, и закрываются в остальных режимах.
• Скрытые дверные ручки убирают небольшие выступы на боковинах.
• Аэродинамические диски упорядочивают поток возле колёс.
• Продуманная задняя часть помогает контролировать отрыв потока за автомобилем.

У электромобиля тоже есть системы, которым требуется охлаждение: тяговая батарея, силовая электроника, электромотор и кондиционер. Однако компоновка и потребность в наружном воздухе отличаются от автомобилей с ДВС, поэтому значительную часть передней панели часто удаётся закрыть.

Каждая отдельная деталь даёт небольшой эффект. Результат появляется, когда кузов, днище, колёса и система охлаждения работают как единая конструкция.

Что может ухудшить заводскую аэродинамику

Наиболее заметно на трассе влияет груз на крыше. FuelEconomy.gov рекомендует снимать внешние грузовые крепления, когда они не нужны: даже пустые поперечины и боксы увеличивают сопротивление воздуха.

Декоративный спойлер тоже не обязательно улучшает устойчивость. Эффект зависит от его формы, угла, места установки и взаимодействия со всем кузовом. Деталь, созданная без расчётов и испытаний, может добавить сопротивление или нежелательную подъёмную силу.

Как учитывать аэродинамику при выборе автомобиля

Заявленный Cd полезен для сравнения, но рассматривать его отдельно от размеров и типа кузова не стоит. Более полную картину дают:

• лобовая площадь автомобиля;
• расход топлива или энергии на трассе;
• размер и конструкция колёс;
• уровень ветрового шума;
• устойчивость при боковом ветре;
• результаты независимых испытаний на постоянной скорости.

Реальный расход и запас хода также зависят от температуры, ветра, рельефа, загрузки, шин, давления в них, работы климатической системы и стиля вождения. Поэтому обтекаемый кузов не гарантирует рекордной экономичности, но при прочих равных даёт преимущество на трассе.

Водитель не может изменить форму кузова, зато может не мешать ей работать. Умеренная скорость, снятый за ненадобностью багажник, штатные размеры колёс и закрытые на трассе окна часто дают больше пользы, чем декоративный аэродинамический тюнинг.