هنر آئرودینامیک در طراحی خودروها

هنر ‌آئرودینامیک در سال‌های گذشته، پیشرفت‌های زیادی را پشت‌سر گذاشته است. این در حالی است که تا دهه‌ها پیش، توسعه‌دهندگان فقط بال‌ها را به عقب خودروها می‌چسباندند تا ببینند که چه اتفاقی می‌افتد. امّا  امروزه، این فرآیند بسیار پیچیده‌تر شده است. مهندسی آئرودینامیک شامل ساعت‌ها کار و آزمایش در تونل باد و شبیه‌سازی‌های پیشرفته کامپیوتری است. امّا چرا با اینکه علم آئرودینامیک به این اندازه پیشرفت کرده، هنوز هم «فاصله آئرودینامیکی» خودروهایی مانند هوندا سیویک تایپ R و فراری ۴۸۸ GTB به این اندازه است؟

نیروی رو به پایین

برای درک بهتر آئرودینامیک، شاید بهتر است به آسمان نگاه کنیم. همان اصول اولیه‌ای که باعث ماندن هواپیما در هوا می‌شوند، برای چسباندن خودروها به سطح زمین مورد استفاده قرار می‌گیرند. مقطع منحنی بال‌های هواپیما باعث منحرف‌کردن جریان هوا و «عبور با فشار» بخشی از هوا در سطح بالا و بخشی دیگر در پایین بال می‌شود. به دلیل اینکه سطح بالا از انحنای بیشتری برخوردار است، هوا با سرعت بیشتری بر روی آن جریان می‌یابد. مطابق اصل برنولی در مکانیک سیالات، هر چه سرعت جریان هوای گذرنده بیشتر باشد، فشار کمتری خواهد داشت. همین اختلاف فشار در بالا و پایینِ بال باعث ایجاد یک نیروی بالابرنده شده و هواپیما را در آسمان نگه می‌دارد.

حالا اگر یک بال هواپیما را برعکس کنیم، همان اصول اولیه موجب چسبیدن هر چه بیشتر خودرو به سطح آسفالت می‌شود. یکی از رایج‌ترین نمونه‌های این داون‌فورس، نیرویی است که توسط یک بال ساده در عقب ایجاد می‌گردد. با استفاده از ابزارهای شبیه‌سازی که خودروسازان معتبر برای طراحی خودروهایشان مورد استفاده قرار می‌دهند، می‌توان نحوه تولید داون‌فورس توسط یک بال را به تصویر کشید.

در این مدل محاسباتی دو بعدی دینامیک سیال، ناحیه آبی‌رنگ در زیر بال، عملکرد اصل برنولی را نشان می‌دهد. هوای با سرعت بالاتر موجب ایجاد یک ناحیه‌ی با فشار کمتر شده و بال را به سمت پایین فشار می‌دهد. البته قبل از اینکه برای پیچ‌کردن یک بال به عقب خودرویتان دست به کار شوید، شاید بهتر است اندکی به ناحیه قرمزرنگ در لبه جلوی بال دقت کنید. متأسفانه، تمام این نیروی رو به پایین، با «درگ آئرودینامیک» همراه می‌شود.

خودروسازان معمولاً عملکرد درگ محصولاتشان را با پارامتری به نام «ضریب درگ» یا Cd بیان می‌کنند. هر چه این عدد بدون‌بُعد پایین‌تر باشد، بدنه خودرو با سهولت بیشتری به درون حجم هوا به پیش می‌رود. این نکته از آن جهت اهمیت دارد که رابطه‌ای بین سرعت و درگ برقرار است. هر چه سریعتر حرکت کنید، میزان فشار هوا به روی خودرویتان، با توان ۲ اضافه می‌گردد. به همین دلیل است که مدل جدید بوگاتی شیرون، در حالی که قدرتش نسبت به ویرون گرند اسپورت ویتسه، ۳۰۰ اسب‌بخار بیشتر شده، امّا تنها حدود ۱۰ کیلومتر بر ساعت از آن سریعتر است.

اضافه‌کردن بال

تعداد سطوح کنترل آئرودینامیکی که خوروسازان برای تولید داون‌فورس به کار می‌برند، بسیار زیاد است و شاید برای نوشتن در مورد آنها، به یک کتاب بزرگ نیاز باشد، امّا در این میان، یک مورد بیشتر از همه شناخته شده است؛ بال‌های  ثابت.

اولین استفاده از بال ثابت در اتومبیل‌ها به سال‌های دهه ۱۹۲۰، فریتز فون اوپل (Fritz von Opel) و مدل RAK 2 برمی‌گردد. این ماشین مخصوص ثبت رکورد سرعت، با استفاده از ۲۴ موشک توانست به سرعت ۲۳۸ کیلومتر بر ساعت نزدیک شود. «اوپل» با کسب دانش مستقیم از مهندسان صنعت هوانوردی، از دو مقطع آئرودینامیکی (ایرفویل) در دو طرف RAK 2 استفاده کرد تا این وسیله نقلیه را بر روی زمین نگه دارد.

اواخر دهه ۱۹۶۰ میلادی، زمانی بود که برای اولین بار یک بال عقب ثابت به فرمی که امروزه از آن سراغ داریم، در طراحی کالین چاپمن (Colin Chapman)، در خودروی فرمول یک لوتوس ۴۹ به کار رفت. در میانه راه قهرمانی فرمول یک ۱۹۶۸، «چاپمن» یک بال عقب گران‌قیمت را مستقیماً به سیستم تعلیق عقب، بالای سر انجین و راننده متصل کرد تا به این وسیله نیروی برخاستگی آئرودینامیک ناشی از حرکت خودرو در پیست را خنثی کند. این موضوع در ابتدا باعث برتری قابل‌‌ملاحظه لوتوس نسبت به سایر شرکت‌کنندگان شد، امّا بعداً‌ استفاده از آن، به‌دلیل زنجیره‌ای از تصادفات که اتفاق افتاد، ممنوع گردید.

آئرودینامیک هوشمند

این یک قاعده کلی است که هر قطعه‌ای که داون‌فورس ایجاد می‌کند، متعاقباً با درگ همراه خواهد بود. امّا چگونه می‌توان هم به  نیروی داون‌فورس در پیچ‌ها دسترسی داشت و هم بدون درگ اضافی، در مسیر مستقیم حرکت کرد؟ اینجاست که نقش آئرودینامیک هوشمند اهمیت پیدا می‌کند.

«آئرودینامیک هوشمند» شامل هر قطعه‌ای می‌شود که بهترین عملکرد را در هر دو حالت فراهم می‌کند. در مسیر مستقیم، یک بال می‌تواند به درون بدنه، جمع شود و میزان درگ را به حداقل برساند. در همین حال، این بال در هنگام گردش در پیچ‌ها باز می‌شود تا نیروی رو به پایین ایجاد کند. یکی از بهترین نمونه‌های آئرودینامیک هوشمند، بال عقب هوشمند در مک‌لارن P1 است. در سرعت‌های پایین و هنگامی که بهترین حالت، داشتن حداقل درگ است، این بال در عقب بدنه می‌نشیند، امّا هنگامی که سرعت بالاتر می‌رود، این بال به وسیله دو بازوی هیدرولیکی بالا می‌رود و نیروی داون‌فورس فراهم می‌کند. در حالت «مسابقه‌ای»، مشابه آنچه در مدل جدید فورد GT وجود دارد، بال به بالاترین موقعیت ممکن و بیشترین زاویه تهاجمی می‌رسد و P1 را به سطح زمین فشرده می‌کند. در نتیجه، این خودرو چسبندگی قابل‌توجهی در پیچ‌ها خواهد داشت. این بال همچنین در هنگام ترمز‌گیری‌های سخت، به طرف جلو جمع می‌شود تا به وسیله جریان هوا، از سرعت خودرو بکاهد.

چاپارل ۲E احتمالاً اولین اتومبیلی است که از این نوع تکنولوژی استفاده کرده است. این خودروی مسابقه‌ای از یک بال بزرگ در عقب بهره می‌برد که در مواقع مورد نیاز می‌توانست میزان نیروی رو به پایین را تنظیم کند. ۲ سال بعد از این مدل، نیسان این تکنولوژی را یک گام فراتر برد و آن را در شاسی مدل مسابقه‌ای R381 استفاده کرد. نیسان بال عقب را به دو قسمت چپ و راست تقسیم کرد تا سطوح متفاوتی از داون‌فورس را برای چرخ‌های داخلی و خارجی در پیچ‌ها در اختیار داشته باشد.

اسپویلرها

همه ابزارهای آئرودینامیک متصل به عقب خودروها لزوماً‌ به شکل بال نیستند. در خودروهای جاده‌ای مدرن، اسپویلرها بیشتر از بال‌ها به چشم می‌خورند. در حالی که مهمترین سطح یک بال، در زیر آن قرار دارد (جایی که بیشترین اختلاف فشار آزاد می‌گردد)، اسپویلرها سطح زیرین ندارند و به شکلی ساده، تنها جریان هوا را از مسیر خود منحرف می‌کنند؛ موضوعی که با جداسازی جریان در لبه صندوق عقب، به پایداری در سرعت‌های بالاتر کمک می‌کند. یک نمونه بسیار خوب از این عملکرد را می‌توان در اسپویلر سه‌تکه‌ای در پورشه پانامرا توربو ۲۰۱۷ مشاهده کرد.

وقتی صحبت از اهمیت سطح زیرین یک بال برای تولید داون‌فورس می‌شود، یک موضوع در رابطه با بال‌های معمولی قابل‌توجه است؛ اینکه اکثر آنها بوسیله دو بازو در پایین به بدنه متصل می‌شوند. این ستون‌ها می‌توانند تا یک‌سوم از عملکرد این بال‌ها را کاهش دهند؛ چرا که جریان هوا در زیر بال را بر هم می‌زنند. شاید به همین دلیل است که برخی از خودروسازان از بال‌های با اتصال در بالا یا در اصطلاح «گردن قویی» در مدل‌های مسابقه‌ای مانند کونیگ‌زگ One:1 استفاده کرده‌اند. به این ترتیب، بیشترین جریان در بالای سطح بال ایجاد می‌گردد.

آخرین پیشرفت‌ها

آئرودینامیک مدرن به‌ قدری پیشرفت کرده که می‌توان بدون نیاز به قطعات بزرگ افزاینده دراگ، از میزان متنابهی از داون‌فورس بهره گرفت. به عنوان مثال، یک فراری ۴۸۸ GTB را در نظر بگیرید. ۴۸۸ GTB نسبت به مدل سابقش، ۴۵۸ ایتالیا، به اندازه ۵۰ درصد نیروی رو به پایین بیشتری تولید می‌کند؛ آن هم بدون استفاده از تجهیزات عجیب و غریب.

در ۴۸۸، جریان هوا از روی سقف به درون محفظه موتور و همین‌طور، یک دریچه در عقب بدنه هدایت می‌شود. این هوا سپس از یک اسپویلر داخلی عبور می‌کند که به دلیل قرار گرفتن در زیر پوسته خودرو، امکان استفاده از یک زاویه کوچکتر پیدا کرده است. به علاوه، «اسپویلر دمنده» در عقب، از مفهومی به نام «اثر ونتوری» بهره می‌برد. این موضوع زمانی اتفاق می‌افتد که جریان هوای ورودی به یک سطح مقطع کوچکتر، شتاب پیدا می‌کند. ترکیب ماهیت «دمنده» اسپویلر و شتاب ناشی از اثر ونتوری، باعث شده که اسپویلر عقب مورد استفاده در فراری ۴۸۸ GTB، عملکرد آئرودینامیکی بهتری نسبت به یک بال معمولی داشته باشد.

تکنولوژی آئرودینامیک آینده

تا به اینجا، روند پیشرفت سطوح کنترل آئرودینامیک، از بال‌های ثابت در عقب تا ابزارهای آئرودینامیکی هوشمند و مدرن را بررسی کردیم. امّا نقطه بعدی در این زمینه، احتمالاً مستقیماً از دل داستان‌های علمی‌تخیلی بیرون می‌آید: کنترل جریان به وسیله پلاسما.

با اینکه «کنترل جریان پلاسما» هنوز در مراحل اولیه تحقیقات و توسعه قرار دارد، آزمایش‌های اولیه از پتانسیل بالای آن برای استفاده در خودروهای «الترا پرفورمنس» خبر می‌دهند.  ابزارهای الکترونیکی قرار گرفته در درون بدنه خودرو، بدون آن که دارای اجزای متحرک باشند، می‌توانند هوای اطراف را تنظیم و دست‌کاری کنند. یک جریان جایگزین ولتاژ بالا از طریق دو الکترود عبور داده می‌شود که موجب ایجاد یک «پلاسما با درجه حرارت پایین» می‌گردد. این پلاسما می‌تواند مولکول‌های هوا را در حال گذر از سطح، یونیزه کرده و سرعت جریان هوا را افزایش دهد.

این نوع تکنولوژی می‌تواند بدون اینکه تأثیر قابل‌توجهی بر افزایش درگ و اغتشاش آئرودینامیکی داشته باشد، میزان داون‌فورس در یک خودرو را به میزان قابل‌توجهی ارتقا دهد. کنترلرهای جریان پلاسما در مواقع نیاز به چسبندگی اضافی فعال می‌شوند و در زمان‌های دیگر خاموش می‌گردند. حتی زمانی که این کنترلرهای خاموش باشند، هماهنگی آنها با فرم بدنه و نداشتن قطعات متحرک، اثر درگ کمتری نسبت به بال‌ها و اسپویلرهای معمولی ایجاد کند. این تکنولوژی با اینکه تنها به صورت مختصر در کانسپت ۲۰۱۶ مک‌لارن با عنوان MP4-X F1 رونمایی شده، با وجود قابلیت‌ها و پتانسیل‌های بالا، مورد توجه سازمان‌هایی مانند ناسا قرار گرفته است. البته این موضوع را هم باید درنظر داشت که پلاسما نیاز به ولتاژ بسیار بالایی دارد و هنوز در حال حاضر، نمی‌تواند در یک خودروی پرفورمنس، چندان مقرون‌به‌صرفه باشد.

منبع: automobilemag