مروری بر تاثیر سیر تکامل بال عقب در خودرو و چگونگی عملکرد آن؛ آیرودینامیک خودرو به زبان ساده

به گزارش پایگاه خبری «عصر خودرو»، مهندسی آیرودینامیک، امروز ساعات بی‌شماری از تست‌های تونل باد و شبیه‌سازی‌های پیشرفته کامپیوتری را شامل می‌شود. 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 488 GTB فراری به ظاهر چیز اضافه‌ای ‌روی بدنه ندارند؟ با طرح این پرسش، می‌خواهیم نگاهی موشکافانه‌تر 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 قاعده‌ای که هواپیما‌ها را در هوا نگه می‌دارد، در چسباندن خودرو‌ها به سطح مسیر به‌کار می‌روند. نیم‌رُخ قوس‌دار بال یک هواپیما، مسیر جریان هوا را بُرش داده، بخشی از آن را از رو و بخشی دیگر را از زیر خود هدایت می‌کند. از آنجایی که سطح فوقانی بال هواپیما، قوس بیشتری به جریان هوا می‌دهد، 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 1738 فیزیکدان و ریاضیدان سوئیسی، دانیل برنولی، به‌نام 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، بال‌ها به سمت بالا هدایت می‌شوند و در اثر ایجاد نیروی رو به بالا، موقعیت هواپیما در ارتفاع حفظ می‌شود.
این بال را که سر و ته کنید، همین قاعده، خودرو را محکم‌تر به سطح مسیر چسبانده، چسبندگی بیشتری به آن می‌دهد. مثال بارز آن هم نیروی رو به پایین یا همان داونفورسی است که توسط یک بال عقب ثابت عادی ایجاد می‌شود. با استفاده از همان ابزار شبیه‌سازی که خودروسازان بزرگ برای طراحی خودرو‌های خود به‌کار می‌برند، می‌توانیم چگونگی ایجاد نیروی رو به پایین توسط یک بال را به تصویر بکشیم. در این شبیه‌سازی کامپیوتری دینامیک سیال (شکل 1)، نواحی آبی رنگ زیر بال قاعده برنولی را در هنگام حرکت نمایش می‌دهند. جریان هوایی که سریع‌تر حرکت می‌کند، ناحیه‌ای با فشار هوای پایین ایجاد می‌کند تا نیروی رو به پایین ‌روی بال ایجاد شود. البته پیش از نصب هر گونه بال روی خودرو باید نواحی قرمز‌رنگ در لبه‌های انتهایی بال هم مد نظر قرار گیرند. متاسفانه تمامی این نیروی رو به پایین، با یک نیروی پسا نیز همراه است که خوروسازان آن را با واحدی به‌نام Drag Coefficient (ضریب درگ) یا به اختصار، Cd مشخص می‌کنند. هرچه این ضریب پایین‌تر باشد، خودرو ساده‌تر و با زحمت کمتری جریان هوای مقابل را می‌شکافد. این ضریب بسیار مهم است چراکه بین آن‌ و سرعت، رابطه وجود دارد؛ هرچقدر سریع‌تر برانید، جریان هوای مقابل با فشار بیشتری مثل یک دیوار رو در روی خودرو قرار می‌گیرد. این یکی از دلایلی است که باعث می‌شود بوگاتی شیرون با وجود 300 اسب‌بخار قدرت بیشتر به نسبت ویرون گرنداسپرت ویتس، تنها 10 کیلومتر بیشینه سرعت فراتر از آن داشته باشد.

بال و پر دادن به خودرو
خودروسازان سطوح کنترل آیرودینامیک بی‌شماری برای ایجاد نیروی رو به پایین به‌کار می‌برند و توضیح در مورد تمامی آنها، نیازمند نگارش کتابی در باب آیرودینامیک است. پس فعلا به مهم‌ترین آنها یعنی بال‌های ثابت می‌پردازیم. اولین کاربرد بال ثابت در خودرو به دهه 1920 میلادی و RAK 2 فریتز فان اوپل باز‌می‌گردد. این خودرو رکوردشکن برای رسیدن به مرز سرعت 237.9 کیلومتر در ساعت، از 24 موشک بهره گرفت‌ و با دانش کسب شده از صنعت هوافضا، اوپِل دو بال قوس‌گرفته به سمت بالا در طرفین RAK2 استفاده کرد تا از بلند‌شدن آن از سطح زمین در سرعت‌های بالا پیشگیری کند. اما تا اواخر دهه 1960 که کولین چپمن خودرو فرمولاوان موفق خود یعنی لوتوس 49 را معرفی کرد، زمان بُرد تا شاهد اولین استفاده از بال عقب ثابت در چیدمانی مرسوم‌تر برای خودرو باشیم. در اواسط فصل 1968 فرمولاوان، چپمن بال ارتفاع‌گرفته‌ای را مستقیما روی فنربندی عقب، به‌مراتب بالاتر از ارتفاع سر راننده (یا به عبارت بهتر، خارج از رد آیرودینامیک خودرو‌های مقابل) نصب کرد. این مشخصه، در ابتدا برتری رقابتی قابل‌توجهی به لوتوس داد اما خیلی زود، به واسطه چند تصادف جدی، از استفاده آن منع شد.

آیرودینامیک فعال
طبیعی است هر یک از اجزائی که نیروی رو به پایین ایجاد می‌کنند، یک نیروی درگ نیز مرتبط با خود خواهند داشت. پس چطور می‌شود بهترین بهره ممکن را از آیرودینامیک بُرد به این شکل که بر سر پیچ‌ها، نیروی رو به پایین لازم را داشته باشیم، بدون ایجاد هیچ‌گونه نیروی پسا در مسیر‌های مستقیم؟ اینجاست که وارد مبحث آیرودینامیک فعال می‌شویم. مثال بارز آیرودینامیک فعال، بال عقبی است که در دل سطوح بدنه مخفی است و تنها در هنگام نیاز، مثلا در سر پیچ‌ها و یا در سرعت‌های بالا، برای ایجاد چسبندگی بیشتر خودرو به مسیر، بالا می‌آید. این فرآیند، توسط ستون‌های هیدرولیک انجام می‌شود و بسته به عملکرد مورد نظر، موقعیت و شکل متفاوتی به بال عقب می‌دهد. برای نمونه، بال عقب مک‌لارن P1 در حالت سواری Race در بالاترین ارتفاع خود‌ و تهاجمی‌ترین زاویه ممکن قرار می‌گیرد که همین، P1 را در پیچیدن‌های بسیار سریع نیز به خوبی سطح مسیر می‌چسباند. همین بال عقب، می‌تواند با تغییر زاویه به شکلی تقریبا عمودی، نقش یک ترمز هوایی را نیز در ترمزگیری‌های شدید ایفا کند. پیشینه این نوع فناوری آیرودینامیک را می‌توان تا شاپارل 2E سال 1966 دنبال کرد. این خودرو مسابقه‌ای دارای بال عقب بزرگی بود که قابلیت تغییر حالت برای ایجاد داونفورس کمتر یا بیشتر، بسته به نیاز راننده بود. نیسان به فاصله 2 سال، با R381 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 می‌شود، 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. مهم‌ترین بخش بال عقب، سطح زیرین قوس‌دار آن است؛ یعنی جایی که بیشترین تفاوت فشار هوا ایجاد می‌شود. اسپویلر‌ها که البته در عامیانه، از آنها به عنوان بال عقب نیز یاد می‌شود، فاقد این بخش زیرین هستند و صرفا جریان هوا را در سرعت‌های بالا، به شکلی بهینه‌تر از قسمت عقب خودرو هدایت کرده، مانع اغتشاش هوای مزاحم و پس‌کشنده در این قسمت می‌شوند. نمونه بارز اسپویلر‌های مدرن نیز اسپویلر سه‌تکه پورشه پانامرا توربو 2017 است که به شکلی جذاب، ابتدا از دل صندوق بالا آمده، سپس باز می‌شود.
وقتی می‌گوییم مهم‌ترین بخش بال عقب خودرو در ایجاد نیروی رو به پایین، سطح زیرین آن است، با یک ایراد اساسی نیز مواجه می‌شویم چراکه اکثرا با دو ستون به خودرو متصل هستند که به دلیل اختلال در جریان هوای زیر سطح بال، می‌توانند تا یک‌سوم تاثیرپذیری عملکردی بال را کاهش دهند. به همین دلیل است که در برخی ابرخودرو‌ها، پایه‌های 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 به‌قدری پیشرفت کرده که می‌توان بدون اضافه‌کردن الحاقات بزرگ به بدنه، داونفورس کافی را برای یک خودرو ایجاد کرد مثل فراری 488 GTB که بدون هیچ‌گونه سطوح کمکی اضافه شده ‌روی بدنه، تا 50 درصد بیشتر از مدلی که جایگزینش‌شده (458 ایتالیا) نیروی رو به پایین ایجاد می‌کند. این مهم به لطف نوآوری‌‌های آیرودینامیکی همچون دریچه هوای کار‌شده 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 می‌کند، 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 به‌نام پدیده ونتوری نیز بهره می‌برد. این پدیده هنگامی اتفاق می‌افتد که جریان هوا با هدایت به یک محیط کم‌حجم‌تر، شتاب بیشتری می‌گیرد. 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 می‌تواند کنترل جریان هوا با تحریک پلاسما باشد؛ ایده‌ای که فعلا در مرحله تحقیق و توسعه است اما پتانسیل بسیاری بالایی برای استفاده در ابرخودرو‌های فوق‌عملکردی دارد. ایده کلی هم این است که فقط زمانی که چسبندگی اضافی مورد نیاز است، کنترلگر‌های پلاسما فعال می‌شوند. در واقع اجزای الکترونیک جاشده در دل بدنه‌ که به خودی خود تاثیری در جریان هوای اطراف بدنه ندارند، می‌توانند بدون نیاز به هیچ‌گونه 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 می‌شود تا پلاسمای دمای پایین ایجاد شود. این پلاسما می‌تواند مولکول‌های هوایی که از روی یک سطح می‌گذرند را یونیزه کرده، جریان عبوری را شتاب دهد (شکل 2).
این نوع فناوری برخلاف بال‌های مرسوم، می‌تواند 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 به‌مراتب کمتری به نسبت بال‌ها و اسپویلر‌های ثابت یا فعال ایجاد می‌کنند چراکه فاقد هرگونه عضو متحرک یا سطح فیزیکی بازدارنده یا مزاحم است.
مک‌لارن خودرو فرمولاوان مفهومی خود، MP4-X را برپایه این فناوری طراحی کرده و ارگان‌هایی همچون ناسا هم توجه ویژه‌ای به این فناوری دارند اما تا عملیاتی‌شدن آن، مخصوصا ‌روی خودرو‌های عملکردمحور و ابرخودرو‌ها، زمان بسیاری باقی است چراکه در حال حاضر، با ولتاژ‌های بسیار بالایی کار می‌کند که مناسب و بهینه برای یک خودرو امروزی نیست.

نویسنده: مجید رقیبی