تاثیر بال عقب در آیرودینامیک خودرو چگونه است؟

هفته نامه خودرو امروز: جریان هوا همیشه در عملکرد خودرو تاثیرگذار بوده اما این نقش، هیچ وقت به اندازه امروز محسوس نبوده است. هنر آیرودینامیک در سال های اخیر پیشرفت چشمگیری داشته. چندین دهه قبل، خودروسازان تنها یک بال پشت خودرو نصب و بعد، تاثیر آن را بررسی می کردند اما امروز، این پروسه به مراتب پیچیده تر است؛ مهندسی آیرودینامیک، امروز ساعات بی شماری از تست های تونل باد و شبیه سازی های پیشرفته کامپیوتری را شامل می شود. اما اگر علم آیرودینامیک امروز تا این حد پیشرفته شده، چرا هنوز هم خودروهایی همچون هوندا سیویک تایپ R اینچنین جزئیات آیرودینامیک بدنه چشمگیری دارند وقتی خودروهای دیگر همچون ۴۸۸ GTB فراری به ظاهر چیز اضافه ای روی بدنه ندارند؟ با طرح این پرسش، می خواهیم نگاهی موشکافانه تر به علم آیرودینامیک خودرو و تحلیل آن در فرایند تکامل بال عقب داشته باشیم.

نیرویی برای چسباندن خودرو به مسیر

برای درک بهتر علم آیرودینامیک، کافی است نگاهی به آسمان بیندازید. همان قاعده ای که هواپیماها را در هوا نگه می دارد، در چسباندن خودروها به سطح مسیر به کار می روند. نیمرخ قوس دار بال یک هواپیما، مسیر جریان هوا را برش داده بخشی از آن را از رو و بخشی دیگر را از زیر خود هدایت می کند. از آنجایی که سطح فوقانی بال هواپیما قوس بیشتری به جریان هوا می دهد، جریان هوای این بخش مجبور است فاصله بیشتری را برای گذر از سطح بال طی کند و در نتیجه سرعت بیشتری بگیرد. طبق قانون برنولی (استناد به کتاب سال ۱۷۳۸ فیزیکدان و ریاضیدان سوئیسی، دانیل برونی، به نام Hydrodynamica) هوایی که با سرعت بالاتری در جریان است، فشار کمتری به نسبت هوایی که با سرعت کمتر در جریان است، دارد. در نتیجه این تفاوت فشار، بال ها به سمت بالا هدایت می شوند و در اثر ایجاد نیروی رو به بالا، موقعیت هواپیما در ارتفاع حفظ می شود.

این بال را که سر و ته کنید، همین قاعده، خودرو را محکم تر به سطح مسیر چسبانده، چسبندگی بیشتری به آن می دهد. مثال بارز آن هم نیروی رو به پایین یا همان داونفورسی است که توسط یک بال عقب ثابت عادی ایجاد می شود. با استفاده از همان ابزار شبیه سازی که خودروسازان بزرگ برای طراحی خودروهای خود به کار می برند، می توانیم چگونگی ایجاد نیروی رو به پایین توسط یک بال را به تصویر بکشیم.

جریان هوایی که سریع تر حرکت می کند، ناحیه ای با فشار هوای پایین ایجاد می کند تا نیروی رو به پایین روی بال ایجاد شود. البته پیش از نصب هرگونه بال روی خودرو باید نواحی قرمز رنگ در لبه های انتهایی بال هم مد نظر قرار گیرند. متاسفانه تمامی این نیروی رو به پایین با یک نیروی پسا نیز همراه است که خودروسازان آن را با واحدی به نام Drag Coefficient (ضریب درگ) یا به اختصار Cd مشخص می کنند.

هر چه این ضریب پایین تر باشد، خودرو ساده تر و با زحمت کمتری جریان هوای مقابل را می شکافد. این ضریب بسیار مهم است چرا که بین آن و سرعت رابطه وجود دارد؛ هر چقدر سریع تر برانید، جریان هوای مقابل با فشار بیشتری مثل یک دیوار و در روی خودرو قرار می گیرد. این یکی از دلایلی است که باعث می شود بوگاتی شیرون با وجود ۳۰۰ اسب بخار قدرت بیشتر به نسبت ویرون گرند اسپرت ویتس، تنها ۱۰ کیلومتر بیشینه سرعت فراتر از آن داشته باشد.

بال و پر دادن به خودرو

خودروسازان سطوح کنترل ایرودینامیک بی شماری برای ایجاد نیروی رو به پایین به کار می برند و توضیح در مورد تمامی آنها نیازمند نگارش کتابی در باب آیرودینامیک است. پس فعلا به مهم ترین آنها یعنی بال های ثابت می پردازیم. اولین کاربرد بال ثابت در خودرو به دهه ۱۹۳۰ میلادی و RAK۲ فریتز فان اوپل باز می گردد. این خودرو رکوردشکن برای رسیدن به مرز سرعت ۲۳۷.۹ کیلومتر در ساعت از ۲۴ موشک بهره گرفت و با دانش کسب شده از صنعت هوافضا، اوپل دو بال قوس گرفته به سمت بالا در طراحی RAK۲ استفاده کرد تا از بلند شدن آن از سطح زمین در سرعت های بالا پیشگیری کند. اما تا اواخر دهه ۱۹۶۰ که کولین چپمن خودروی فرمولاوان موفق خود یعنی لوتوس ۴۹ را معرفی کرد، زمان بُرد تا شاهد اولین استفاده از بال عقب ثابت در چیدمانی مرسوم تر برای خودرو باشیم.

در اواسط فصل 1968 فرمولاوان، چپمن بال ارتفاع گرفته ای را مستقیما روی فنربندی عقب، به مراتب بالاتر از ارتفاع سر راننده (یا به عبارت بهتر، خارج از رد آیرودینامیک خودروهای مقابل) نصب کرد. این مشخصه، در ابتدا برتری رقابتی قابل توجهی به لوتوس داد اما خیلی زود، به واسطه چند تصادف جدی، از استفاده آن منع شد.

ایرودینامیک فعال

طبیعی است هر یک از اجزائی که نیروی رو به پایین ایجاد می کنند، یک نیروی درگ نیز مرتبط با خود خواهند داشت. پس چطور می شود بهترین بهره ممکن را از آیرودینامیک برد. به این شکل که بر سر پیچ ها نیروی رو به پایین لازم را داشته باشیم، بدون ایجاد هیچ گونه نیروی پسا در مسیرهای مستقیم؟ اینجاست که وارد صحنه آیرودینامیک فعال می شویم. مثال بارز آیرودینامیک فعال، بال عقبی است که در دل سطوح بدنه مخفی است و تنها در هنگام نیاز مثلا در سر پیچ ها و یا در سرعت های بالا، برای ایجاد چسبندگی بیشتر خودرو به مسیر، بالا می آید. این فرآیند توسط ستون های هیدرولیک انجام می شود و بسته به عملکرد مورد نظر، موقعیت و شکل متفاوتی به بال عقب می دهد.

برای نمونه بال عقب مک لارن P۱ در حالت سواری Race در بالاترین ارتفاع خود و تهاجم یترین زاویه ممکن قرار می گیرد که همین P۱ را در پیچیدن های بسیار سریع نیز به خوبی به سطح مسیر می چسباند. همین بال عقب می تواند با تغییر زاویه به شکلی تقریبا عمودی، نقش یک ترمز هوایی را نیز در تزمزگیری های شدید ایفا کند. پیشینه این نوع فناوری آیرودینامیک را می توان تا شاپارل ۲E سال ۱۹۶۶ دنبال کرد. این خودرو مسابقه ای دارای بال عقب بزرگی بود که قابلیت تغییر حالت برای ایجاد داونفورس کمتر یا بیشتر، بسته به نیاز راننده بود. نیسان به فاصله ۲ سال با R۳۸۱ فاتح گرندپری، این فناوری را ارتقا داد. البته با این تفاوت که بال عقب را به دو قسمت تقسیم کرد تا امکان ایجاد نیروی رو به پایین متغیر روی چرخ عقب داخل پیچ و بیرون پیچ وجود داشته باشد.

بال یا اسپویلر

هر جزء آیرودینامیکی که پشت یک خودرو نصب می شود، یک بال عقب حقیقی نیست. بیشتر از بال عقب کاربرد اسپویلرها که هم از نظر شکل و هم از نظر عملکرد متفاوت از بال عقب هستند در خودروهای مدرن و امروزی مرسوم است. مهم ترین بخش بال عقب، سطح زیرین قوس دار آن است؛ یعنی جایی که بیشترین تفاوت فشار هوا ایجاد می شود. اسپویلرها که البته در عامیانه، از آنها به عنوان بال عقب نیز یاد می شود، فاقد این بخش زیرین هستند و صرفا جریان هوا را در سرعت های بالا، به شکلی بهینه تر از قسمت عقب خودرو هدایت کرده، مانع اغتشاش هوای مزاحم و پس کشنده در این قسمت می شوند. نمونه بارز اسپویلرهای مدرن نیز اسپویلر سه تکه پورشه پانامرا توربو ۲۰۱۷ است که به شکلی جالب، ابتدا از دل صندوق بالا آمده سپس باز می شود.

وقتی می گوییم مهم ترین بخش بال عقب خودرو در ایجاد نیروی رو به پایین، سطح زیرین آن است، با یک ایراد اساسی نیز مواجه می شویم چرا که اکثرا با دو ستون به خودرو متصل هستند که به دلیل اختلال در جریان هوای زیر سطح بال می توانند تا یک سوم تاثیرپذیری عملکردی بال را کاهش دهند. به همین دلیل است که در برخی ابرخودروها پایه های اتصال بال به خودرو، به سطح فوقانی آن وصل هستند. نمونه بارز این طراحی نیز بال عقب کونیگزگ One:1 است.

فناوری روز آیرودینامیک

آیرودینامیک مدرن به قدری پیشرفت کرده که می توان بدون اضافه کردن الحاقات بزرگ به بدنه، داونفورس کافی را برای یک خودرو ایجاد کرد، مثل فراری ۴۸۸ GTB که بدون هیچ گونه سطوح کمکی اضافه شده روی بدنه، تا ۵۰ درصد بیشتر از مدلی که جایگزینش شده (۴۵۸ ایتالیا) نیروی رو به پایین ایجاد می کند. این مهم به لطف نوآوری های آیرودینامیکی همچون دریچه هوای کار شده در انتهای درپوش موتور، موسوم به Blown Spoiler که جریان هوای روی خودرو را از روی سطح درپوش موتور و دریچه انتهایی آن تا خروجی هوای کار شده در قسمت عقب هدایت می کند میسر شده است.

این مشخصه به نوعی یک اسپویلر داخلی در دل بدنه ایجاد کرده که امکان ایجاد یک قوس مناسب در سطح زیرین آن را به طراحان فراری داده است و در کنار آن، از مزیتی به نام پدیده ونتوری نیز بهره می برد. این پدیده هنگامی اتفاق می افتد که جریان هوا با هدایت به یک محیط کم حجم تر، شتاب بیشتری می گیرد. در واقع با ترکیب این دو مزیت، Blown Spoiler فراری 458 GTB عملکردی بهتر از یک بال عقب ثابت دارد.

آینده فناوری آیرودینامیک

آنچه که خواندید، مختصری بود در باب سطوح کنترلی ثابت و تکامل آنها از بال عقب ثابت تا آیرودینامیک فعال. اما آینده فناوری آیرودینامیک چه خواهد بود؟ یک پاسخ می تواند کنترل جریان هوا با تحریک پلاسما باشد؛ ایده ای که فعلا در مرحله تحقیق و توسعه است اما پتانسیل بسیار بالایی برای استفاده در ابرخودروهای فوق عملکردی دارد. ایده کلی هم این است که فقط زمانی که چسبندگی اضافی مورد نیاز است، کنترلگرهای پلاسما فعال می شوند. در واقع اجزای الکترونیک جا شده در دل بدنه که به خودی خود تاثیری در جریان هوای اطراف بدنه ندارند، می توانند بدون نیاز به هیچ گونه عضو الصاقی متحرک، شکل و مسیر این جریان هوا را تغییر دهند.

روند کار به این ترتیب است که جریان متناوب با ولتاژ بالا از بین دو الکترون عبور داده می شود تا پلاسمای دمای پایین ایجاد شود. این پلاسما می تواند مولکول های هوایی که از روی یک سطح می گذرند را یونیزه کرده، جریان عبوری را شتاب دهد.

این نوع فناوری برخلاف بال های مرسوم می تواند بدون ایجاد درگ و اغتشاش هوا، داونفورس خودرو را به شکل محسوسی افزایش دهد. کافی است هنگام نیاز به چسبندگی بیشتر به مسیر، کنترلگرهای جریان پلاسما فعال شوند و وقتی که نیازی نیست، غیرفعال شوند. حتی هنگام فعال بودن نیز این مکانیسم، نیروی پسای به مراتب کمتری به نسبت بال ها و اسپویلرهای ثابت یا فعال ایجاد می کنند چرا که فاقد هرگونه عضو متحرک یا سطح فیزیکی بازدارنده یا مزاحم است.

مک لارن خودرو فومولاوان مفهومی خود، MF۴-X را بر پایه این فناوری طراحی کرده و ارگان هایی همچون ناسا هم توجه ویژه ای به این فناوری دارند اما تا عملیاتی شدن آن، مخصوصا روی خودروهای عملکرد محور و ابرخودروها، زمان بسیاری باقی است چرا که در حال حاضر با ولتاژهای بسیار بالایی کار می کند که مناسب و بهینه برای یک خودرو امروزی نیست.