Аэродинамика мотоцикла с обтекателем
Аэродинамика – лженаука
Аэродинамика – лженаука
BMW R 1200 R: 2016 г., 1170 см3, 125 л. с., 231 кг
BMW R 1200 RS: 2016 г., 1170 см3, 125 л. с., 236 кг
BMW R 1200 RТ: 2016 г., 1170 см3, 125 л. с., 274 кг
Текст: Денис DEAN Панфёров
Фото: Кирилл Калапов
В пресс-релизах нередко попадаются фразы про оптимизацию воздушных потоков лобовым обтекателем, призванную повысить комфорт водителя и существенно снизить расход топлива. Как влияет аэродинамика на расход в гражданских режимах эксплуатации?
Для ответа на этот вопрос мы взяли три разных по классу мотоцикла с одинаковым мотором и проехали кольцевой маршрут длиной 238 км плотной группой: в одинаковых режимах движения и регулярно меняясь мотоциклами. Выводы получились неоднозначные.
В дороге мотоцикл проявил себя добротным туристом. Высокий руль обеспечивает удобную вертикальную посадку, а стекло отбивает набегающий поток вверх от груди, что снижает давление и улучшает вентиляцию в шлеме. От заправки до заправки можно ехать без дополнительных остановок на разминку, растяжку и «производственную гимнастику».
R 1200 RS – попытка сделать спортбайк из нейкеда. Но получился не спортбайк, а полноценный спорттурист старой школы. Из тех времён, когда ручные приборы контроля скорости сидели в кустах в засаде, а не висели стационарно на столбах. У него заниженные клипоны, а поза за рулём имеет чётко выраженный наклон вперёд. На раме закреплён стационарный обтекатель, лобовое стекло регулируется по высоте методом поднятия и опускания двумя руками, и делать это лучше на остановках, а не на ходу.
Ехать медленно на R 1200 RS не так комфортно, как на нейкеде – из-за наклона вперёд спина и руки сильнее затекают. Но на скоростях 120+ км/ч поток встречного ветра равномерно давит на плечи и голову, разгружая спину, вектора сил уравновешивают друг друга, ехать становится комфортно. Это настоящий спорттурист, медленной езде предпочитающий прохваты по автобанам.
R 1200 RT – полноценный турист с огромными кофрами, прекрасной ветрозащитой, подогревами всего и музыкой. Огромный обтекатель способен обеспечить тотальную ветрозащиту при прямой вертикальной посадке водителя. Лобовое стекло снабжено бесступенчатой электрической регулировкой высоты, что позволяет тонко настроить под себя объём зоны неподвижного воздуха за ним. В верхнем его положении на дорогу смотришь через стекло, а капли дождя на ходу не мочат куртку.
На RT вообще нет разницы, с какой скоростью ехать – одинаково комфортно и удобно от минимальной до максимально развиваемой. Единственное, что огорчает, так это динамика на высоких скоростях – при приближении к 200 шасси ещё справляется, а мотора начинает не хватать.
Мотоциклы были заправлены «под горлышко», счётчики суточного пробега обнулены, стартовали. Режим езды был выбран такой: плавно, но уверенно разгоняемся до крейсерской скорости, затем едем на высшей передаче немного быстрее разрешённой скорости. На автомагистрали мы ехали около 150–160, по второстепенным дорогам 120–130, там, где можно 60, не быстрее 100. В общем, без экстрима.
В гражданских условиях эксплуатации аэродинамика очень слабо влияет на расход топлива. Для того чтобы влияние стало ощутимым, надо поддерживать крейсерскую скорость в районе 200 км/ч, что при нынешней ситуации с камерами контроля скорости нереально. Да и тяжело это – ехать «за двести» весь день, уж поверьте на слово старому пуляльщику. Был опыт езды из Москвы в Брест со скоростью не ниже 205, чтобы ручные радары «Сокол» показывали нули. До границы мы добрались достаточно быстро, высохнув по пути всего два раза, но вертолёты в голове потом летали всю ночь. Так что не верьте пресс-релизам, обещающим существенную экономию топлива из-за тщательной проработки формы лобового обтекателя в аэродинамической трубе. Вы выигрываете крохи, но можете потерять в главном – в комфорте, в удовольствии от дороги, в позитивных эмоциях от путешествия. В паре водитель – мотоцикл доминировать должен водитель. Ему решать, в каком режиме и с какой скоростью ехать.
Отдельно хочу поднять вопрос об острой необходимости обтекателя для дальнобоя. Всё это е-рун-да! Прозрачное пластиковое лобовое стекло, установленное на руль над фарой, справится с делом оптимизации набегающего потока ветра и повышения уровня комфорта ничуть не хуже. А по возвращении его можно снять. Вам не придётся постоянно возить с собой килограммы дорогого и ломкого пластика по городу. Из нейкеда получается прекрасный туристический мотоцикл, а вот наоборот, когда нейкед из «туриста» – это путь не особо эстетичный.
Из представленной троицы R 1200 R наиболее универсален. На нём удобнее всего ездить по городу, по делам, совершать короткие вылазки в пригород. Для дальних путешествий достаточно добавить лобовое стекло и кофры. R 1200 RS больше понравится бунтарям и асоциальным элементам, не признающим разрешённые скоростные режимы и предпочитающим немецкие безлимитные автобаны отечественным дорогам, увешанным камерами контроля скорости. А вот R 1200 RT создан исключительно для дальнобоя. Он лучше всего раскроется в двух-трёхнедельном кольцевом маршруте по Европе длиной 12000–15000 км. Ездить же на нём каждый день по городу радости не доставляет – масса и габариты тяготят.
Содержание материала
ЧАСТЬ 4. НАСТРОЙКА МОТОЦИКЛА
ГЛАВА 17. АЭРОДИНАМИКА
ГЛАВА 17. АЭРОДИНАМИКАВ Формуле 1 наиболее оплачиваемые инженеры именно те, которые занимаются аэродинамикой. Глава отдела аэродинамики в топ-команде получает зарплату, которая выражается семизначным числом. А все потому, что небольшое улучшение аэродинамики равносильно громадному увеличению мощности мотора.
Сейчас большинство конструкторов мототехники уделяют большое внимание аэродинамике, пытаясь улучшить как характеристики байков, так и комфорт водителя. Правда, частенько случается, что конечный дизайн байка определяют маркетологи, принимая в расчет, как он выглядит, а не насколько замечательна его аэродинамика. Мотоцикл должен круто смотреться, чтобы хорошо продаваться. Buell RW750, прекрасно проработанный аэродинамически, выглядит уныло, как Boeing 737, а не как шикарная Ducati 916. Впрочем, есть и исключения из правил, например Britten V1000, сконструированный Джоном Бриттеном, так что есть надежда, что и другие производители смогут объединить шикарный дизайн и аэродинамику.
Давление против скорости
Сзади байка создается область разрежения, которая как бы всасывает байк, затрудняя его движение. Сила, с которой воздух мешает байку двигаться, называется аэродинамическим сопротивлением. Она характеризуется неким коэффициентом, который измеряют в аэродинамической трубе.
К сожалению, сопротивление воздуха растет не линейно, а квадратично. Если какому-то байку нужна 21 лошадиная сила, чтобы достичь скорости 100 миль в час, то для достижения двухсот ему потребуется 168 лошадиных сил, а для достижения 300 уже 567 лошадиных сил.
Уменьшение аэродинамического сопротивления
Если бы мидель быль единственным фактором, определяющим аэродинамическое сопротивление, то все было бы просто. Делать обтекатель поменьше, и дело с концом. Но форма обтекателя тоже влияет на сопротивление воздуха.
Вода в падении принимает форму капли. Это наиболее совершенная форма с точки зрения аэродинамики. Обтекатель в форме капли должен достигать максимальной ширины равной одной трети 
от общей длины байка, причем ширина эта должна равняться ширине плеч водителя. Потом этот обтекатель должен сходить на нет, причем под углом не более, чем 7 градусов к продольной оси байка. При большем угле произойдет срыв потока, течение станет турбулентным и сопротивление возрастет. Впрочем, многие специалисты сходятся во мнении, что угол в реальной жизни должен быть не больше 4 градусов.
К сожалению, если построить байк в соответствии с этими требованиями, он будет слишком длинным, а хвост его будет слишком острым и опасным. Чтобы этого избежать, хвост можно обрезать сразу после задней покрышки, эффективность упадет, но не сильно. Такой хвост носит имя Камма, в честь инженера, который первым его придумал. Бьюэлл использовал ту же идею для создания шлема Эдди Лоусона, в котором тот выиграл Daytona 200.
Сам водитель тоже влияет на аэродинамику, заполняя собой пространство между обтекателем и хвостом. Наиболее удачно смог использовать водителя Эрик Бьюэлл, создавший в 1983 году свой RW750, остающийся эталоном мотоциклетной аэродинамики.
В 1996 году я готовил статью для журнала на тему аэродинамики. Я решил применить принципы этой науки на практике, причем отталкиваясь только от теории, поскольку возможности проводить опыты в трубе у меня не было. С помощью Джима Рида и Чарли Мура я смог улучшить аэродинамику Honda CBR600F2 так, что максимальная скорость выросла на 11.3 мили в час. Чтобы добиться того же с помощью тюнинга мотора, мне пришлось бы поднять мощность на 20 лошадиных сил. Что же мы сделали? Всего три вещи. Во-первых, срезали верхнюю часть бака, чтобы водитель мог пригнуться пониже. Во-вторых, сняли нижнюю часть обтекателя. И наконец, сделали хвост как у Buell RW750. Могу себе представить результат, которого можно добиться, если иметь доступ к аэродинамической трубе и достаточно средств.
Сопротивление радиаторов
Гоночные автомобили используют сравнительно небольшие радиаторы, при том, что температурный режим гоночного мотора существенно более тяжелый. Эффективность обеспечивается выигрышным положением относительно потока набегающего воздуха. Для мотоцикла лучше всего поместить радиаторы под седло, обеспечив каким-то образом доступ к ним воздуха. Некоторые прототипы гоночных мотоциклов используют эту схему, тот же Britten, например. В результате мидель, а значит и сопротивление воздуха, уменьшается.
К сожалению, серийные мотоциклы не используют такую компоновку, если не считать Benelli Tornado. Harley-Davidson поместил радиатор под седло в начале 70-х на своем злополучном проекте Nova, который так и не пошел в серию.
Для радиаторов, распложенных под седлом придется организовывать туннель, чтобы воздух мог проходит сквозь облицовку. Эрик Бьюэлл рекомендует тянуть такой туннель как можно дальше, в идеале до самого хвоста. Тогда зона низкого давления, образующаяся за байком, увеличивает эффективность всей схемы. Самое интересное, что подобная схема расположения радиаторов в туннеле, проходящем через корпус, активно применялась в конструкции самолетов Второй Мировой войны.
Сопротивление водителя
Я понимаю, что у большинства читателей нет ни времени, ни средств для кардинального улучшения аэродинамики их байков. Но если обращать внимание на позу за рулем, улучшений можно добиться бесплатно. Например, новички теряют примерно 7-8 миль в час от скорости на прямой только потому, что не пригибаются.
Чтобы выработать правильную позу, поставьте байк перед большим зеркалом, наденьте полную экипировку и сядьте, как обычно. Посмотрите в зеркало и попытайтесь найти положение, в котором вы занимаете минимальную площадь. Заодно можно понять, какие компоненты требуют улучшения с точки зрения аэродинамики. Например, большее ветровое стекло как правило оказывается полезным.
Комфорт тоже зависит от аэродинамики. Маленький обтекатель или его полное отсутствие приводит к усталости шеи, которая вынуждена держать голову в набегающем потоке. Если же поставить огромное ветровое стекло, то за ним образуется зона разряжения, и шее придется противостоять всасывающему эффекту. На гоночном мотоцикле тоже не стоит пренебрегать комфортом, даже если он немного ухудшает аэродинамику. Отсутствие усталости к концу гонки не менее важно, и суммарный эффект может быть положительным.
АЭРОДИНАМИКА МОТОЦИКЛОВ
Как известно, помимо жизненно важного дыхания, обеспечения жизни на планете и сгорания топлива, воздух имеет определённое свойство создавать сопротивление движущимся объектам, таким как мотоцикл. На преодоление этого сопротивления расходуется часть мощности двигателя. Поэтому, для того, чтобы достичь высоких показателей максимальной скорости, нужно позаботиться о том, чтобы на сопротивление воздуху тратилось как можно меньше энергии двигателя.
Когда воздух обтекает мотоцикл со всех сторон, он создаёт препятствие для движения. Когда мы оцениваем аэродинамику мотоцикла, мы должны учитывать плотность воздуха, его давление, площадь воздействия воздуха и скорость самого мотоцикла. Согласно законом физики, чем выше скорость, тем выше сопротивление среды. Наша задача заключается в том, чтобы уменьшить аэродинамическое сопротивление среды, а значит, мы должны найти форму, площадь воздействия на которую будет меньше.
Чтобы измерить лобовое сопротивление, инженеры должны видеть как течёт поток воздуха вокруг всего предмета и по обтекателю. Для этого на поверхности создают специальные индикаторные наклейки, которые указывают либо на то, что всё идеально и поток неотрывен от поверхности, либо начинают трепетать, при этом указывая, в каком месте недочёт. Для того, чтобы видеть распределение потоков в пространстве, в струе потока распыляют специальные красители.
Обтекатель является самой важной деталью в спортивном мотоцикле. Компьютеры не умеют просчитать и создать идеальную и наиболее эффективную поверхность. Поэтому данной работой во всех видах гоночного спорта занимаются высокооплачиваемые инженеры. Конечно, самую идеальную форму создала мать-природа. Это тело птицы, капля дождя, крыло насекомого. Мотоциклы, побившие мировые рекорды, имели обтекатель, близкий к форме тела птицы. Разница состояла лишь в материале, из которого изготавливался байк, и в том, что изготавливались они в разных странах в разное время. Но и в том, и в другом случаях, райдер принимал позу лицом вниз, полулежа, спиной дополняя форму корпус. Таким образом происходило снижение лобового сопротивления воздуха.
Однако, чем дальше исследовались аэродинамические свойства мотоцикла, тем больше приходили к выводу, что от сплошного корпуса обтекателя стоит отказаться. Теперь для изготовления обтекателей применяются композитные материалы, да и вес самой машины значительно уменьшился. Райдер теперь не лежит на мотоцикле, а принимает некую позу эмбриона. Если раньше старались изготавливать ажурные формы, поглощающие райдера, то теперь мы имеем обтекатель малой площади с рублеными деталями.
У серийных мотоциклов обтекатели решают не только те же самые задачи, что и обтекатель спортивного болида. Причина в том, что такой мотоцикл должен не только быть шедевром конкурентной борьбы инженеров, а и иметь привлекательный вид для потенциального покупателя.
#фотоGP: аэродинамика MotoGP, что нового?
Первые зимние тесты MotoGP — пока не время бросаться в атаку на круг. Хотя поигрывание мышцами среди производителей уже началось. Участники чемпионата используют закрытые тесты 2 — 4 февраля на Сепанге не только для того, чтобы испытатели проверили надёжность новых прототипов на коротких и длинных выездах. Это шанс пораньше проверить в деле наработки из самой развиваемой области MotoGP последних лет — аэродинамики.
Новую волну опытов над приручением воздуха в 2015 году запустила Ducati. Другие производители подхватили тренд — Honda, Yamaha, Suzuki и КТМ соревновались с Ducati и друг другом по вычурности и размерам аэрокрыльев. Aprilia — вероятно, команда MotoGP с наименьшим заводским бюджетом, — всё это время шла в кильватере грандов. Но не теперь. Её крылатый байк RS-GP 2020 с «автомобильным» передним спойлером стал самым большим новатором тестов в Малайзии.
Спойлер, ради которого обтекателю подрезали щёки — новое аэротечение MotoGP?
Нос Aprilia уже напоминает клюв болида Формулы-1, под который подвешен передний спойлер. Хотя…
… если присмотреться к предыдущему RS-GP, большой разницы нет. Спойлер во всю ширину почти был, нужно было лишь «убрать жир» вокруг воздухзаборника. Нижний ярус крыльев тоже исчез.
Весь облик передней части прототипа задаётся крупной «скамейкой» во всю ширину 600-миллиметрового обтекателя. Как обязывает технический регламент MotoGP с 2017 года, у крыльев не должно быть острых выступающих граней, так что по бокам спойлер замыкается планками с изломом посередине. В тыльной части спойлер загнут кверху, выполняя главное назначение — прижимать к земле переднее колесо на разгонах.
Как рассказывал технический директор Aprilia Racing Романо Альбезиано, автор этой конструкции — Марко де Лука, новый шеф по развитию RS-GP. Де Лука пришел из автомобильной сферы — это бывший аэродинамик Ferrari и McLaren в Формуле-1, а также Mercedes в кузовной серии DTM. Зная об этом, становится понятно, откуда на мотоцикле такая явно автомобильная деталь. У 4-колёсных машин форма кузова намного сильнее пытается овладеть воздухом, так что эти познания могут пригодиться и на байках.
Другие производители MotoGP уже обыгрывали похожее решение, но никто не формировал нос обтекателя вокруг спойлера так явно, как Aprilia. Щёки обтекателя в нижней части настолько сужаются, что примыкают прямо к вырезу воздухозаборника. Тем самым площадь крыла становится больше, нагрузка на колесо — выше. Это результат многочисленных компьютерных тестов в виртуальной аэротрубе — так называемой вычислительной гидродинамики CFD, — и проверок в аэротрубе Toyota в Кёльне.
Для новой Aprilia сгодились прошлогодние крышки для RS-GP 2019
Крышка переднего колеса для направленного обдува тормозных скоб Aprilia RS-GP — это экспериментов Ducati с аэродинамикой (2019)
Yamaha начала играть с обдувом тормозов на тестах в Мизано-2019
В 2019 году Ducati в зависимости от характеристик трека закрывала фартуками одно или оба колеса. Прорезей в них не было, поэтому вероятно, их функция — обтекание воздуха без обдува тормозов
Другая большая деталь фронтальной аэродинамики — наколёсные крышки. Этот тренд задала Ducati в начале 2019 года (для обоих колёс), затем подхватила Yamaha. Вариант Aprilia выглядит самым изящным, особенно по сравнению с аляповатыми треугольными фартуками Ducati. Прорезь в передней части даёт понять, что поток воздуха направляется на обдув тормозных скоб, после чего покидает конструкцию через следующую прорезь.
КТМ — второй по уровню откровенности аэроновинок. Кроме прошлогодней версии — горизонтальная одноэтажная конструкция, которая отходит от носа назад и заканчивается на линии ручек руля, — КТМ проверял альтернативу в виде «усатой» формы по образу и подобию Honda. Любопытно, что у обтекателя края зубчатой формы. Команда явно проверяет, что происходит с потоком воздуха, который попадает на руки гонщика. Если гонщик жалуется, что на 300 км/ч воздух пытается снять его руки с руля, техникам надо подумать еще.
Новинка для зимних тестов — крыло-бабочка, сильно напоминающее прошлогоднюю Honda. КТМ тяжело отнести к новатором аэромоды MotoGP.
Дани Педроса пилотирует на Сепанге новый KTM с прошлогодним обтекателем.
Для зимних тестов 2020-го Honda слегка переделала свои новые усы (или бабочку — кому что больше напоминает). Двухъярусная конструкция смотрится изящнее, чем прошлогодняя — это было видно на осенних тестах, особенно когда на треке рядом с Алексом Маркесом на байке-2019 появлялся Марк на байке-2020.
Мотоцикл, который на Сепанге проверял тест-пилот Штефан Брадль, был в нескольких исполнениях. Из-за многочисленных участков чёрного пластика вперемешку с участками старого обтекателя-2019 он имел весьма лоскутный вид.
Алекс Маркес на Honda 2019
Байк 2020 года Штефана Брадля. Кроме бабочки, которая переехала выше до уровня воздухозаборника, на прежнюю морду RC213V прикрутили новую верхнюю половину
Глава Ducati Corse Луиджи Даллинья — основоположник самой большой аэроволны в истории MotoGP, — на презентации команды Ducati 23 января заметил, что на этот раз ничего серьёзного не будет. Действительно, новый GP 20 тест-пилота Микеле Пирро внешне едва отличался от мотоцикла, который проверялся на осенних тестах. Крылья на щеках обтекателя стали крупнее, также слегка изменилась форма нижнего яруса.
Покажет ли Ducati что-то большее? Возможно. Из 9 тестовых дней перед сезоном 2020 прошли 2,5, так что марка могла попридержать козыри для Андреа Довициозо и Данило Петруччи из заводской команды. Они к работе еще не приступали.
На Ducati 2020 обтекатель слабо отличается от прошлогодней тестовой версии
Таким он был в прошлом году. Верхние грани верхнего ярусы крыльев были менее массивными, нижний ярус не был вдавлен внутрь в центральной секции
Аэродинамика мотоцикла с обтекателем
Статьи об аэродинамике обычно фокусируются на восхвалении достоинств низкого лобового сопротивления и сопутствующих эффектов по эффективности и экономии топлива. Но создание «гладких мотоциклов», возможно, легкий случай. Обычно при рассмотрении всех средств достижения высоких скоростей эффект воздушного давления необходимо учитывать, но вовсе не неожиданно это становится очень сложным на байке по сравнению с такими самобалансирующимися машинами, как автомобили. Наша старый приятельница, сила гироскопической прецессии и ее взаимодействие с рулением, является причиной многих проблем стабильности, отсутствующих у автомобилей, грузовиков и т.д. Давайте взглянем на некоторые их этих проблем и рассмотрим, можно ли что-нибудь сделать для их ослабления.
Вначале давайте рассмотрим, что же вызывает лобовое сопротивление – которое, в конце концов, является самым крупным вором выходной мощности нашего двигателя на всех скоростях, кроме самых медленных. Лобовое сопротивление – сила, стремящаяся предотвратить быстрое движение байка через воздух, эта сила генерируется разностью давления между передом и задом машины. Эта разность давления действует на фронтальную зону байка и вызывает тормозную силу, следовательно чем больше фронтальная зона, тем больше лобовое сопротивление. Так как байк движется через воздух, он должен раздвигать молекулы воздуха в стороны, и если это происходит мягко на более низких скоростях, молекулы следуют за байком недалеко от очертания машины и генерируется небольшое сопротивление. Малое сопротивление возможно только при хорошо обтекаемой форме, как классическая капля. При таких условиях поток воздуха будет ламинарным и большинство лобового сопротивления будет возникать от сил трения, так как частички воздуха фактически трутся одна о другую вдоль поверхности корпуса. На практике поток обычно турбулентный, а не ламинарный, и лобовое сопротивление значительно выше. Как подсказывает само название, такой режим потока (турбулентный) запутан и состоит из многих вихрей около поверхности. Эти вихри возникают из-за неспособности воздуха следовать резким изменениям формы, которые изобилуют на байке или автомобиле. Момент инерции частичек воздуха стремится удержать их на прямолинейном пути, но когда форм корпуса отходит слишком далеко от идеала, воздух больше не следует за формой, и трение между соседними слоями воздуха, движущимися с разной скоростью, стремится завернуть поток воздуха в вихри. Объект, движущийся через воздух, оставляет в таком случае за собой турбулентную струю, и исследования показали, что сила лобового сопротивления приблизительно прямо пропорциональна площади этой струи. Размер и форма объекта, а также скорость – наиболее существенные факторы, влияющие на площадь этой струи. Для того, чтобы в цифрах сравнить аэродинамические качества разных форм, используется безразмерный параметр, известный как Cd (коэффициент лобового сопротивления). Иногда некорректно утверждается, что плоская пластина, толкаемая через воздух, имеет Cd в 1,0. это относится только к особому теоретическому случаю, когда воздух перед пластиной выталкивается непосредственно вперед ее, и совсем не распределяется по сторонам. В действительности Cd плоской пластины зависит от ее размера и может быть ближе к 0.5. Сам вопрос размера очень интересен, так как он влияет на достоверность при экстраполировании результатов от теста моделей к реальной машине. Аэродинамические трубы, достаточно большие, чтобы вместить полноразмерный байк или автомобиль, очень дороги в постройке и работе, и поэтому тесты моделей могут быть сильно значимыми в плане экономии денег, что всегда является приоритетом производителей. Тем не менее, использование моделей не всегда просто. Есть вполне очевидные проблемы, такие как точность, например, допуск в 1 мм на полноразмерной машине становится допуском в 0,2 мм на модели в одну пятую величины. Менее очевидным, но столь же важным обстоятельством является число Рейнольдса. Г-н Рейнольдс, ранний исследователь потоков жидкости, открыл, что скорость воздуха, при которой турбулентные характеристики объекта такой же формы, но другого размера зависят от его размера. Фактически, если вы возьмете половинный размер объекта, вам нужно увеличить скорость воздуха вдвое, этот эффект был формализован в математическое выражение, известное как число Рейнольдса. Для того, чтобы достичь аналогичных условий потока в моделях с разными размерами, на нужно стараться сохранить это число неизменным. Но во многих случаях это очень трудно. Допустим мы хотим исследовать аэродинамику мотоцикла в аэродинамической трубе при 100 милях в час (≈ 160 км/ч), используя модель в одну шестую величины. Для аналогичного числа Рейнольдса это потребует, чтобы скорость потока воздуха в трубе была примерно 600 миль в час (≈ 960 км/ч), что немедленно приводит к еще бОльшим проблемам. Огромная мощность требуется для создания потока такой скорости, и силы, действующие на модель, будут исключительно высоки, создавая возрастающие трудности. Вдобавок ко всему, 600 миль/час очень близко к скорости звука, а когда мы подбираемся к этой скорости, проблемы сжимаемости выходят на первый план и нарушают все характеристики потока. Конечным результатом этого является то, что небольшие модели тестируются при небольших числах Рейнольдса и требуется много умения и тщательности при интерпретации этих тестов.
Значимость уменьшенного лобового сопротивления было ясно показано в пятидесятых, когда журнал «Motor Cycle» заказал постройку полузакрытого обтекаемого корпуса на пятилетнем 350-кубовом Royal Enfield. Это вылилось в увеличении общего веса на 45 фунтов. Но значение лобового сопротивления было таково, что даже ускорение в диапазоне от 15 до 40 миль/час было значительно улучшено, как показывает таблица результатов.
Эти тесты проводились Виком Виллоубай в MIRA с использованием электронного счетного привода. Попытка свести эти результаты в процентное уменьшение лобового сопротивления имеет свои проблемы, во многом из-за того, что все тесты проводились на одной передаче. Следовательно обороты двигателя, а значит и выходная мощность, возможно, были бы разными при максимальных скоростях, в зависимости от того, был ли прикреплен обтекатель или нет. Тем не менее, делая одно или пару допущений, я просчитал, что лобовое сопротивление с обтекателем было примерно 75-85% от лобового сопротивления машины без обтекателя. Так что если этот порядок совершенствования отдачи возможен при таком корпусе, просто представьте, чего можно достичь с постройкой целевого аппарата – хорошо обтекаемого FF, например, с уменьшенной фронтальной зоной, а также с возможностью лучшей формы. Ну да ладно, так какая же форма является наилучшей с точки зрения лобового сопротивления? Положим, классическую каплеобразную форму было бы трудно победить, и 
приближение к ней было очень успешно использовано в NSU при достижении многих мировых рекордах скорости в малых классах еще в пятидесятых. Однако отношение длины к ширине, требуемое для минимального лобового сопротивления, сделало бы обычный мотоцикл слишком длинным. Сокращение длины корпуса путем увода зада под более крутым углом только вызовет турбулентность и увеличение лобового сопротивления, гораздо лучше создать длинный тонкий кузов и просто обрезать его хвост для получения желаемой длины, это как бы обманывает воздух и действует, как если бы остаток хвоста все еще присутствовал. Такая задняя часть известна как хвост Камма – по имени человека, впервые додумавшегося до этого. Даже с хвостом Кама обычный байк трудно сделать действительно эффективно обтекаемым из-за разных вырезов, нужных по практическим причинам, например, посадка на байк, опускание ноги вниз при остановке и т.д. И все же усовершенствования определенно можно сделать, и, несмотря на многие современные аргументы, начинать надо с задней части машины – поток вокруг зон повышенного давления спереди может сам о себе позаботиться, но все, что сглаживает поток сзади и помогает уменьшить площадь струи, будет действительно выигрышным. Фактически многие остроконечные спереди формы создавали бы меньшее лобовое сопротивление, если их развернуть наоборот, как показано на рис. 1
Аэродинамический подъем, в особенности над передним колесом, потенциально опасен, так как он уменьшает сцепление шины(шин) с дорогой. Не всегда понимают, что даже если форма корпуса не создает самостоятельной подъемной силы, все равно остается тенденция для переноса веса от переднего колеса на заднее полностью из-за эффекта лобового сопротивления. Рассмотрим рис. 2: силу лобового сопротивления Fd можно считать действующей через одну точку на ограниченном расстоянии от земли h. Эта сила создает вращающий момент, стремящийся повернуть байк вокруг его заднего колеса, таким образом, поднимая перед.
Итак, при прочих равных условиях все, что уменьшает лобовое сопротивление и/или эффективную высоту его действия, поможет уменьшить этот перенос веса. Дополнительно к простому уменьшению лобового сопротивления идеальная ситуация для формы корпуса была бы в создании прижимающей силы спереди и подъемной силы сзади, чтобы точно сбалансировать вышерассмотренный эффект. Во главе с БМВ с их обтекателем для R 100 RS производители обращают сейчас больше внимания на эту проблему. Иногда предполагают, что, раз гоночные автомобили в настоящее время выигрывают так много от огромного прижимающего аэродинамического давления, создаваемого их корпусами, то можно использовать те же преимущества на байках при поворотах. Но здесь снова, как и во многих других аспектах, наша потребность наклонять байк для поворота усложняет вопрос. На прямой линии любые аэродинамические черты, создающие дополнительную прижимающую силу, будут сильнее нагружать шины и давать большее сцепление. При условии, что наши тормоза достаточно хороши и у нас достаточно мощности, это повышенное сцепление позволит лучше разгоняться и тормозить. Но когда мы говорим о повороте, ситуация меняется. Предположим, что мы получили дополнительную прижимающую силу от использования антикрыла, как на рис. 3. Тогда при наклоне в поворот эта сила будет действовать по линии байка и, следовательно, увеличит горизонтальную силу в прямой пропорции с увеличением вертикальной составляющей на шины. Следовательно, любое увеличение способностей шин поддерживать увеличенную боковую реакцию расходуется горизонтальной составляющей аэродинамической силы. На практике скорость прохождения поворота может фактически уменьшиться. Так как коэффициент сцепления шин, скорее всего, уменьшится из-за увеличенной нагрузки. Гоночный автомобиль выигрывает потому, что он не наклоняется на значительный угол и сила действует вертикально вниз, а получить то же самое на байке означает, что антикрыло должно было бы наклоняться, оставаясь в положении, близком к горизонтальному, при наклоне байка, или не давать байку наклоняться – возможно, путем экстремального использования наколенных слайдеров и стиля езды со смещением пятой точки вбок.
ОСНОВЫ ПУТЕВОЙ УСТОЙЧИВОСТИ
Одно из первых требований для нее – чтобы Центр бокового Давления был позади Центра тяжести. ЦД – мы можем считать, что это точка, через которую действует сила ветра на боковую поверхность байка. Именно этот критерий устойчивости требует, чтобы у самолетов были вертикальные стабилизаторы в задней части, а у дротиков и стрел – оперение. Это работает так: при воздействии бокового ветра, если ЦД сзади, задняя часть машины отталкивается ветром, заставляя, таким образом, перед приводиться к ветру и автоматически корректировать сбивание с курса. С другой стороны, когда ЦД расположен спереди, то перед отклоняется ветром и байк будет сдувать с начального курса – в своей основе не стабильное условие и только вмешательство водителя сможет удержать все под контролем. Получить ЦД, расположенный сзади, труднее, чем говорить о нем. У обычных мотоциклов есть склонность иметь большинство, если не весь свой обвес спереди водителя – наследство недальновидного решения ММФ в 1957 г. Значительно ограничить дизайн обтекаемости гоночных байков, и поэтому расположенный спереди ЦД неизбежен в обычной конструкции. Как ни иронично, но даже если задаться целью создания обтекаемого корпуса с большой боковой зоной сзади, часто этого сложнее достичь. Чтобы это понять, нам нужно немного ближе рассмотреть подробности потока воздуха вокруг такой машины.
Рис. 4 показывает как на скорости боковой ветер действует вовсе не как боковой, а в сочетании со встречным ветром от движения байка, и создает поток воздуха под углом к машине. Например, если байк едет со скоростью 75 миль/ч, а боковой ветер дует со скоростью 15 миль/ч, то результирующий ветер будет действовать со скоростью 76,5 миль/ч под углом около 10°. Хорошо обтекаемая часть, как самолетное крыло, будет создавать очень высокие силы при таком угле атаки. На самолете эти силы действуют как подъемные, и их величина наглядно демонстрируется каждый раз, когда взлетает 747-й. На наземной машине эти силы действуют как боковые, и мы хотим уменьшить их величину, чтобы минимизировать отклоняющий эффект. Плохо обтекаемая форма стала бы очень плохим самолетным крылом, потому что степень подъема была бы низкой и те же самые соображения применяются на дороге, величина боковых отклоняющих сил обычно уменьшается при дизайне с высоким лобовым сопротивлением. Реальный мотоцикл попадает где-то посередине между идеальной формой капли (по причинам лобового сопротивления) и кирпичом с колесами. Поток воздуха вокруг фронтальной части машины разумно желателен, но в каком-то месте вдоль нее произойдет разделение, и поток позади этой точки будет турбулентным. Случай, когда это происходит на стороне, подверженной этому завихренному потоку, не будет эффективен в сохранении ЦД сзади. При возрастании скорости точка разделения будет сдвигаться вперед вместе с ЦД, так что вместо улучшения аэродинамической устойчивости при возрастании скорости обычная тенденция как раз противоположна. У обтекаемых машин-рекордсменов часто есть высокие хвостовые стабилизаторы для восстановления баланса. Если говорить о балансе, он также нарушается боковым ветром, как показывает вид сзади на рис. 5
Боковая сила создает момент, стремящийся опрокинуть байк в сторону от ветра, для удержания баланса, следовательно, необходимо наклонить байк к ветру. При этих условиях вес машины теперь действует сбоку от центральной линии и создает момент, балансирующий момент силы ветра. Для уменьшения требуемой степени наклона нам требуется вызывать небольшую боковую силу в сочетании с низко расположенным ЦД, чтобы получить минимальный нарушающий эффект, и требуется тяжелый байк с высоким расположением ЦТ для минимизации реакции байка на такой дисбаланс.
ДИНАМИЧЕСКАЯ ПУТЕВАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ
Вышесказанное относится к устойчивым условиям постоянного бокового ветра. На практике это случается редко и более обычны условия порывистого ветра. Помимо меняющегося ветра, прогалины в окружающих защитных лесопосадках, а также завихрения и ударные волны от грузовиков на шоссе также добавляют свой вклад в наши проблемы. Полный динамический эффект всего этого набора на байк исключительно сложен, но мы можем рассмотреть некоторые основные моменты. Как я уже подчеркивал в предыдущих статьях боковые движения или движения наклона байка переплетаются с курсовыми движениями или рулением. Это может привести к дисбалансу при условиях порывистого ветра. Рассмотрим резкий порыв ветра слева, байк отреагирует неожиданным наклоном от ветра вправо, это в свою очередь, посредством эффекта прецессии, вызовет поворот руля вправо, а значит байк будет стремиться увернуться от ветра, вместо того, чтобы привестись к нему, как было бы желательно. Но это стремление повернуть вправо, через центробежную силу, будет наклонять машину влево, что нам и нужно для удержания баланса. – Понимаете, что я имею в виду, говоря о сложности всего этого дела!
Интересной особенностью, которую я заметил при езде на своем QL на прошлогоднем шоу в Милане, был эффект давления воздуха в шинах. У QL обтекаемый корпус с довольно большой боковой зоной, а значит можно ожидать, что величина сил бокового ветра будет большой. Но если машина показала себя стабильной в отношении курсовой аэродинамической устойчивости, она начинала опасно вилять, если давление в шинах снижалось. Это происходило из-за того, что позже обнаружилось как медленная утечка воздуха в золотнике переднего колеса. Похоже, что уменьшенная боковая жесткость шин, когда они недокачаны, позволяло машине значительно уходить в стороны от направления движения под действием большой силы бокового ветра. Фото «Flying Hammok»
Аэродинамический дизайн мотоциклов – нечто большее, чем просто средство уменьшить лобовое сопротивление, подъем корпуса с ЦД позади ЦТ. Труднее достичь устойчивости с хорошо обтекаемым корпусом из-за увеличенной боковой поверхности с таким обтекателем и из-за более эффективного вызывания «бокового подъема», возникающего от угла потока воздуха к направлению движения. Так что в идеале мы бы хотели получить комбинацию иногда конфликтующих условий: минимальное лобовое сопротивление для улучшенной отдачи и экономии топлива; низко расположенный передний ЦД для уменьшения переноса веса. Вызываемого лобовым сопротивлением; расположенный низко и сзади боковой ЦД для уменьшения дестабилизирующих моментов и получения курсовой устойчивости; форма и размер боковой поверхности, минимизации создаваемой боковой силы; расположенный высоко и спереди ЦТ в сочетании с большим весом для минимизации эффекта любых боковых сил.
Если кто-либо из вас думает о создании собственного обтекателя, не дайте всей этой информации сбить вас с толку. Часто любитель с ограниченными ресурсами повергает в смущение большие компании, которые не всегда получают правильный результат даже со своими аэродинамическими трубами. Вспомните попытку компании Форд с Сиеррой, когда вначале были проблемы с устойчивостью, пока они не прикрепили спойлер над задними фонарями. В мире байков в 1981 году дорожный тест полностью обтекаемого концепт байка БМВ Футуро также очень плохо показал себя в этом отношении.