Download - Aerodynamiki Teyxos i

Transcript

EΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΕΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣΤΜΗΜΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ

http://lab_aero.vt.teithe.gr/

ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΕΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΟΧΗΜΑΤΩΝΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΕΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΟΧΗΜΑΤΩΝ

ΤΕΥΧΟΣ ΙΤΕΥΧΟΣ Ι

Dr.-Ing. Γ. Δεληπορανίδης ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2010

Περιεχόμενα:

1. 1 Βασικές αρχές 21. 2 Ιδιαιτερότητες της αεροδυναμικής

οχημάτων 101. 3 Σχετικά Πεδία 14

Κεφάλαιο 2: Ιστορία της αεροδυναμικής οχημάτων16

2. 1 Έρευνα 162. 2 «Δανεικά» σχέδια 182. 3 Η εποχή του αεροδυναμικού σχεδιασμού

212. 4 Μελέτη παραμέτρων342. 5 Οχήματα ενός όγκου402. 6 Το πλαίσιο «μπανιέρα»442. 7 Επαγγελματικά οχήματα472. 8 Μοτοσικλέτες51

Κεφάλαιο 3: Παρόν και Μέλλον – Τάσεις52

3. 1 Τεχνολογία αιχμής523. 2 Βελτιστοποίηση λεπτομέρειας573. 3 Βελτιστοποίηση μορφής583. 4 Δαπάνες ανάπτυξης60

Κεφάλαιο 4: Αεροδυναμική και σχεδίαση61

Βιβλιογραφία68

1.1 Βασικές αρχές

Οι επι μέρους ροές, που εν γένει συναναντάμε, σε ένα κινούμενο όχημα διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες:

1. Ροή του αέρα γύρω από το όχημα. 2. Ροή του αέρα μέσω του οχήματος. 3. Πεδίο ροής στα επι μέρους μηχανικά μέρη του οχήματος.

Τα πρώτα δύο πεδία ροής συσχετίζονται στενά. Παραδείγματος χάριν, η ροή του αέρα μέσω του τμήματος που περιέχει τον κινητήρα εξαρτάται από το πεδίο ροής γύρω από το όχημα. Και τα δύο πεδία ροής πρέπει να εξεταστούν από κοινού. Από την άλλη πλευρά, το πεδίο ροής μέσα στον κινητήρα και τη μετάδοση κίνησης δεν συνδέεται άμεσα με τα πρώτα δύο πεδία ροής. Επομένως δεν συγκαταλέγεται στην αεροδυναμική και δεν εξετάζεται εδώ.

Η αεροδυναμική αντίσταση είναι αυτή στην οποία εστιάζεται το κοινό ενδιαφέρον για την αεροδυναμική οχημάτων. Αυτή και ακόμα περισσότερο ο αδιάστατος αριθμός CD, ο συντελεστής αντίστασης αποτελεί αντικείμενο σημαντικών ερευνών. Και πράγματι δεν μπορούμε να αρνηθούμε τη σημασία του ρόλου της που είναι ίσως συγκρίσιμος με τον λόγο συμπίεσης για μια μηχανή εσωτερικής καύσης. Η απόδοση, η οικονομία καυσίμων, οι εκπομπές ρύπων και η μέγιστη ταχύτητα είναι σημαντικά χαρακτηριστικά ενός οχήματος. Αυτά είναι συνήθως και τα κυριότερα επιχειρήματα πωλήσεων που όλα επηρεάζονται από την αεροδυναμική αντίσταση.

Η αεροδυναμική οχημάτων περιλαμβάνει πολλά περισσότερα από την αντίσταση, όπως φαίνεται και στην εικόνα 1. Η ροή γύρω από ένα όχημα είναι υπεύθυνη για την ευστάθειά του στις ευθείες, κατά την δυναμική ή παθητική οδήγηση. Η αντίδραση του οχήματος στους πλάγιους ανέμους εξαρτάται από το διαμορφούμενο εξωτερικό πεδίο ροής. Επιπλέον, η εξωτερική ροή πρέπει να αποτρέπει τη συγκέντρωση ύδατος στα παράθυρα και τους εξωτερικούς καθρέφτες, να διατηρεί τα φώτα καθαρά από σκόνη,

να μειώνει τον αεροδυναμικό θόρυβο, να αποτρέπει τη μετακίνηση των υαλοκαθαριστήρων, και να ψύχει την ελαιολεκάνη του κινητήρα, τα φρένα, κ.λ.π. Η εσωτερική ροή πρέπει -με την βοήθεια του ψυγείου-να απάγει τις απώλειες θερμότητας του κινητήρα υπό όλες τις συνθήκες οδήγησης. Τέλος, ένα άλλο εσωτερικό σύστημα ροής πρέπει να παρέχει μία άνετη ατμόσφαιρα μέσα στην καμπίνα των επιβατών.

Εν γένει, η αεροδυναμική έχει μια ισχυρή επιρροή στον σχεδιασμό ενός οχήματος. Εντούτοις, ο σχεδιαστής αεροδυναμικής πρέπει να λάβει υπόψη ότι το βασικό σχέδιο και πολλές λεπτομέρειές του καθορίζονται πρώτιστα από άλλα κριτήρια εκτός αεροδυναμικής. Μεταξύ αυτών είναι η λειτουργικότητα, η ασφάλεια, οι κανονισμοί, η οικονομία και τελευταίο αλλά όχι ασήμαντο, η αισθητική. Μόνο εάν είναι έτοιμος να δεχτεί το γεγονός αυτό και πρόθυμος να συνεργαστεί με τους υπευθύνους εκείνων των «άλλων» κριτηρίων θα πετύχει να ασκήσει την επιρροή του. Τέλος, η γοητεία της αεροδυναμικής των οχημάτων είναι ότι πρέπει να ανταποκρίνεται στις σχεδιαστικές απαιτήσεις της εκάστοτε εποχής.

Εικόνα 1: Φάσμα των στόχων της αεροδυναμικής (BMW AG)

Τα κύρια χαρακτηριστικά της ροής γύρω από ένα όχημα μπορούν να γίνουν ορατά. Αυτά που απαιτούνται είναι μια αεροδυναμική σήραγγα και μια γεννήτρια καπνού. Στην εικόνα 2 παρουσιάζεται

το αεροδυναμικό περίγραμμα σε μοντέλο συμμετρίας για συμμετρικές συνθήκες ροής (π.χ απουσία πλευρικών ανέμων). Το σημαντικότερο στοιχείο είναι η αποκόλληση της ροής στο οπίσθιο μέρος του οχήματος. Ενώ το αεροδυναμικό περίγραμμα ακολουθεί το περίγραμμα του πλαισίου διαμέσου μακριών γραμμών, ακόμα και σε περιοχές με αιχμηρές καμπυλώσεις, η ροή του αέρα τελικά αποκολλάται στο πίσω μέρος της οροφής, σχηματίζοντας μεγάλο απόρρου. Αυτός ο απόρρους, που μερικές φορές ονομάζεται περιοχή «νεκρού ύδατος», μπορεί να γίνει ορατός εισάγοντας τον καπνό άμεσα πίσω από το όχημα (βλ. εικόνα 3) αντί μέσα στην επερχόμενη ροή του στην εικόνα 2. Η αποκόλληση είναι ένα τυπικό χαρακτηριστικό της ροής γύρω από ένα όχημα και, εκτός των άλλων, προκαλεί την αντίσταση. Κύρια αποστολή της αεροδυναμικής των οχημάτων είναι να αποτρέπει την αποκόλληση της ροής ή όταν να την ελέγχει κατά το δυνατόν όταν η παρουσία της είναι αναπόφευκτη.

Η αεροδυναμική αντίσταση D, όπως επίσης και άλλα στοιχεία που απορρέουν από την εφαρμογή της δύναμης του αέρα αυξάνεται ανάλογα με το τετράγωνο της ταχύτητας V του οχήματος:

D ~ V2 (1.1)Με ένα μέσου μεγέθους αυτοκίνητο, η αεροδυναμική αντίσταση αποτελεί χαρακτηριστικά περίπου 75-80% της συνολικής αντίστασης της κίνησης στα 100 km/h (62 mph). Ως εκ τούτου η μείωση της αεροδυναμικής αντίστασης συμβάλλει σημαντικά στην οικονομία καυσίμων ενός αυτοκινήτου. Για αυτόν τον λόγο η αεροδυναμική αντίσταση παραμένει το σημείο εστίασης της αεροδυναμικής οχημάτων. Για πολύ καιρό, η μέγιστη ταχύτητα ήταν το κίνητρο για τη μείωση της αντίστασης σε πολλές χώρες, ενώ σήμερα είναι η οικονομία καυσίμων και εκπομπές ρύπων.

Η πλήρης έκφραση της συνάρτησης (1.1) είναι:

D=CDρ2V 2

(1.1)

Εικόνα 2: Αεροδυναμικές γραμμές κατά τον διαμήκη άξονα του , ορατές με χρήση καπνού στη σήραγγα αέρα της DAIMLER BENZ.

Εικόνα 3: Δίνη σε MERCEDES SLR, ορατή με την εισαγωγή καπνού στο πίσω τμήμα.

όπου το CD είναι ο αδιάστατος συντελεστής οπισθέλκουσας. Το Α είναι η προβαλλόμενη μετωπική επιφάνεια του οχήματος, όπως

περιγράφεται στην εικόνα 4, και το ρ είναι η πυκνότητα του αέρα του περιβάλλοντος.

Επομένως η αντίσταση CD ενός οχήματος καθορίζεται από το μέγεθός του, το οποίο προσδιορίζει και τη μετωπική επιφάνεια Α, και από τη μορφή του, η αεροδυναμική ποιότητα της οποίας, χαρακτηρίζεται από το συντελεστή οπισθέλκουσας CD.

Γενικά το μέγεθος ενός οχήματος, και ως εκ τούτου η μετωπική επιφάνειά του, καθορίζονται από τις σχεδιαστικές απαιτήσεις, συνεπώς οι προσπάθειες για την μείωση της αντίστασης συγκεντρώνονται στη μείωση του συντελεστή οπισθέλκουσας με την κατάλληλη διαμόρφωση του σχήματός του.

Εικόνα 4: Ορισμός της μετωπικής επιφάνειας Α ενός οχήματος.

Η ανάπτυξη του διαστήματος μεταξύ των αεροδυναμικών γραμμών στην εικόνα 2 παρέχει μια ένδειξη της καθαρής δύναμης που ενεργεί στην κάθετη κατεύθυνση. Κλειστά διαστήματα μεταξύ των αεροδυναμικών γραμμών σημαίνει υψηλή ταχύτητα και συνεπώς χαμηλή στατική πίεση. Η διαφορά πίεσης μεταξύ των ανώτερων και χαμηλότερων επιφανειών ενός οχήματος παράγει μια επακόλουθη δύναμη στη σωστή γωνία της κατεύθυνσης της

κίνησης, η οποία καλείται άντωση. Κατ’ αρχήν αυτή η άντωση είναι στην ανοδική κατεύθυνση, δηλαδή, τείνει να ανυψώσει το όχημα και επομένως μειώνει τα δραστικά φορτία επί των τροχών. Αυτό είναι, σε γενικές γραμμές, ασύμφορο για την κατευθυντική σταθερότητα ενός αυτοκινήτου επειδή για μια δεδομένη δευτερεύουσα δύναμη, που μπορεί να προέλθει από πλευρικούς ανέμους, η γωνία ολίσθησης αυξάνεται όταν μειώνεται το φορτίο των τροχών. Επιπλέον, η άντωση συνδέεται με ένα φαινόμενο ταλάντωσης που έχει δύο συνέπειες: 1) η αλλαγή φορτίων στον μπροστινό άξονα διαφέρει από αυτή στον οπίσθιο άξονα, και κατά συνέπεια η δυναμική παθητική οδήγηση του αυτοκινήτου αλλάζει 2) ο προσανατολισμός του αυτοκινήτου σχετικά με το δρόμο, η γωνία επίθεσής του, αλλάζει και μπορεί να αυξήσει την αντίσταση.

Εφ' όσον η ταχύτητα οδήγησης είναι χαμηλή, κάτω από τα 100 km/h (62 mph), τα φαινόμενα της άντωσης και ταλάντωσης έχουν μόνο μια μικρή επίδραση στην κατευθυντική σταθερότητα ενός αυτοκινήτου, ακόμη και στους πλάγιους ανέμους. Εντούτοις, στις υψηλότερες ταχύτητες αυτό δεν ισχύει πλέον, και οι τόσο πρόσφατες εξελίξεις κατευθύνονται στον έλεγχο τους. Η χαμηλή άντωση, ειδικότερα στον πίσω άξονα για εμπρόσθιας μετάδοσης συστήματα, είναι ένας δηλωμένος σχεδιαστικός στόχος. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτό, μια μικρή αύξηση της αντίστασης είναι μερικές φορές ακόμη και ανεκτή. Αεροδυναμικά βοηθήματα στο εμπρός και το οπίσθιο τμήμα, που εφαρμόζονταν αρχικά μόνο στα σπορ αυτοκίνητα αλλά τώρα ενσωματώνονται όλο και περισσότερο στην επικρατούσα τάση της παραγωγής αυτοκινήτων, είναι ένα ορατό σημείο της προσπάθειας να εκπληρωθεί ο στόχος της χαμηλής άντωσης. Αυτό ισχύει ακόμα περισσότερο για τα αγωνιστικά αυτοκίνητα, όπου τα φορτία ανά τροχό θέτουν τα όρια για την ταχύτητα στις στροφές. Τα ιδιαίτερα πτερύγια στο εμπρός και το οπίσθιο τμήμα αυτών των αυτοκινήτων παράγουν πολύ υψηλή αρνητική άντωση. Δυστυχώς, αυτό συνδέεται με την υψηλή αντίσταση. Στους πλάγιους ανέμους η ροή μετά από ένα όχημα γίνεται

ασύμμετρη όσον αφορά το διαμήκες κεντρικό επίπεδό της. Η μορφή του αυτοκινήτου πρέπει να είναι τέτοια που οι πρόσθετες δυνάμεις και οι ροπές να είναι αρκετά μικρές, ώστε να μην έχουν επιπτώσεις στην κατευθυντική σταθερότητά του τόσο πολύ. Αυτή την περίοδο, το πρόβλημα της ευαισθησίας στους πλάγιους ανέμους έχει χάσει ένα μεγάλο μέρος της προηγούμενης προσοχής του. Αυτό είναι αποτέλεσμα του γεγονότος ότι με την τάση των εμπρόσθιων συστημάτων μετάδοσης, το κέντρο βάρους του μέσου αυτοκινήτου έχει μεταφερθεί προς τα εμπρός κατά τη διάρκεια των πρόσφατων ετών, και τα αυτοκίνητα με τους κινητήρες πίσω έχουν γίνει σπάνια. Αλλά η κατάσταση μπορεί να αλλάξει πάλι. Στην αναζήτηση της καλύτερης οικονομίας καυσίμων το βάρος των αυτοκινήτων πρέπει να μειωθεί, και σε συνδυασμό με τα πλαίσια χαμηλής αντίστασης, μπορεί να οδηγήσει σε αυτοκίνητα που είναι περισσότερο ευαίσθητα στους πλάγιους ανέμους.

Επομένως, η ευαισθησία στους πλάγιους ανέμους δεν πρέπει να αγνοηθεί ακόμα και σήμερα. Υπάρχουν δύο λόγοι: Κατ' αρχάς, η ανάγκη αντίδρασης στους πλάγιους ανέμους, ποικίλων εντάσεων και κατευθύνσεων είναι ενοχλητική για έναν οδηγό, δεδομένου ότι πρέπει συνεχώς να κάνει οδηγικές διορθώσεις. Δεύτερον, οι πολύ σφοδρές περιβαλλοντικές συνθήκες μπορούν να οδηγήσουν στη συνολική απώλεια ελέγχου. Και τα δύο αποτελέσματα πρέπει να αντιμετωπιστούν από το κατάλληλο αεροδυναμικό σχέδιο. Εντούτοις, είναι επίσης σημαντικό να προστατευθούν οι οδηγοί από το να εκπλαγούν από απροσδόκητες πλευρικές δίνες αέρα, στις οποίες μπορεί να είναι ανίκανοι να αντιδράσουν αρκετά γρήγορα. Η κατάλληλη οδική και περιβαλλοντική διαμόρφωση μπορούν να βοηθήσουν στην αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος.

Μια δεύτερη ματιά στην εικόνα 3 φέρνει στο προσκήνιο ένα άλλο θέμα: ακαθαρσίες. Σκόνη ή βρώμικο νερό που στροβιλίζονται προς τα επάνω από τις ρόδες, όπως και μόρια και σταγονίδια που διανέμονται σε όλη τη δίνη με την στροβιλώδη μίξη. Τελικά, μερικοί εναποθέτονται στο οπίσθιο τμήμα του οχήματος. Αλλά, δεδομένου ότι το σχέδιο ροής στο οπίσθιο τμήμα έχει σημαντική επιρροή στην

αεροδυναμική αντίσταση, η αποφυγή του λερώματος της οπίσθιας επιφάνειας δεν μπορεί να εξετασθεί μεμονωμένα. Μια πρώτη επίγνωση στην αλληλεπίδραση μεταξύ της εξωτερικής και εσωτερικής ροής μπορεί να κερδηθεί από τα ίχνη καπνού στην εικόνα 2. Η ροή στο ψυγείο του κινητήρα καθορίζεται από τη ροή μπροστά από το όχημα. Για να χρησιμοποιήσει την επίδραση εισροής, η εισαγωγή αέρα του ψυγείου τοποθετείται σε μια ζώνη υψηλής στατικής πίεσης δηλ., κοντά στο σημείο στασιμότητας στη μετώπη του οχήματος. Αφ' ετέρου, ένα από τα μέτρα για την διατήρηση της χαμηλής αντίστασης είναι να τοποθετηθεί το σημείο στασιμότητας όσο το δυνατόν χαμηλότερα. Σταδιακά το άνοιγμα της εισαγωγής αέρα για το ψυγείο μετακινήθηκε προς τα κάτω κατά τη διάρκεια των ετών, ακόμη πιο κοντά προς τον προφυλακτήρα, και η «μύτη» του αυτοκινήτου έχει μετακινηθεί πιο κάτω, όπως δείχνεται στην εικόνα 5. Συνεπώς, οι αεροδυναμικές γραμμές κάτω από τον προφυλακτήρα κατευθύνονται προς τα πάνω και δεν είναι παράλληλες στο πλέγμα κατασκευής. Αυτό πρέπει να επιτρέπεται κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού της εισαγωγής και των εσωτερικών οδηγών αέρα. Προκειμένου να αποτραπεί η απώλεια της εταιρικής ταυτότητας των αυτοκινήτων, οι γρίλιες, που αποτελούν και μέρος της μάρκας των αυτοκινήτων, χρησιμοποιούνται για την εισαγωγή αέρα ψύξης του κινητήρα.

Η ροή εγκλωβίζεται εν μέρει στην κοιλότητα που σχηματίζεται από το καπό και το παρμπρίζ του αυτοκινήτου. Αυτή η συγκέντρωση πίεσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την οδήγηση του αέρα μέσω του συστήματος θέρμανσης και εξαερισμού. Στα περισσότερα οχήματα το άνοιγμα εισαγωγής φρέσκου αέρα τοποθετείται κοντά στο επίπεδο συμμετρίας, όπου η στατική πίεση είναι υψηλότερη (ελλείψει πλευρικών ανέμων). Εντούτοις, σε αυτήν την θέση η πίεση εξαρτάται από την ταχύτητα οδήγησης, με συνέπεια μια αύξηση της ροής φρέσκου αέρος όσο η ταχύτητα αυξάνεται. Εάν οι είσοδοι φρέσκου αέρα μετακινηθούν σε περιοχές του πλαισίου που ασκείται περιβαλλοντική πίεση -στον ήρεμο αέρα αυτό συμβαίνει και στις δύο πλευρές της κοιλότητας- οι εσωτερικές και εξωτερικές ροές μπορούν να γίνουν ανεξάρτητες η μια από την άλλη εάν τα

ανοίγματα των εξόδων αέρα βρίσκονται επίσης στις περιοχές ατμοσφαιρικής πίεσης. Εντούτοις, ο ανεμιστήρας φρέσκου αέρα πρέπει να είναι οπωσδήποτε μεγαλύτερος και πρέπει να λειτουργεί καθ’ όλη την ώρα. Αυξανόμενη προσοχή δίνεται στη σχεδίαση των εσωτερικών ροών μέσα στη μηχανή και τον χώρο επιβατών. Μέχρι πρόσφατα τα ψυγεία τοποθετούνταν ελεύθερα στο χώρο του κινητήρα, αλλά σήμερα είναι μέρος ενός προσεκτικά σχεδιασμένου αεραγωγού. Μερικοί τύποι οχημάτων, όχι μόνο τα αγωνιστικά αυτοκίνητα, έχουν χωριστούς αγωγούς ροής για το ψυγείο νερού, το ψυγείο λαδιού, την ψύξη των φρένων, και του αέρα εισαγωγής κινητήρα. Το σύστημα ψύξης κινητήρα έχει σαν στόχο την απαγωγή ενός ποσού θερμότητας Q, που είναι, για τους βενζινοκινητήρες, περίπου ίσος με την ωφέλιμη ισχύ P:

Q ≈ P (1.3)

Εικόνα 5α: Επιφάνεια εισαγωγής αέρα ψύξης σε σχέση με την ιπποδύναμη, συναρτήσει του χρόνου (K. D. Emmenthal),

(β)

Εικόνα 5β: Επίδραση στη σχεδίαση με παράδειγμα το Opel Kadett.

Δεδομένου ότι η σχεδίαση οχημάτων έχει αναπτυχθεί, οι απαιτήσεις του συστήματος ψύξης έχουν μεταβληθεί:

• Εφ' όσον αυξήθηκε η ισχύς των κινητήρων, είναι απαραίτητη η ροή μεγαλύτερου όγκου αέρα ψύξης.

• Ως αποτέλεσμα των απαιτήσεων του σχεδίου και της αεροδυναμικής, η «μύτη» των αυτοκινήτων χαμήλωσε κατά τη διάρκεια των ετών. Επομένως, η διαθέσιμη περιοχή για την τοποθέτηση των εισαγωγών του αέρα ψύξης έχει γίνει μικρότερη. Επιπλέον, η προηγουμένως μεγάλη περιοχή εισαγωγής έχει χωριστεί σε διάφορες υποπεριοχές.

• Λόγω του συμπαγούς σχεδίου, έχει μειωθεί το διαθέσιμο διάστημα στο χώρο του κινητήρα για το ψυγείο και τους αυλούς αέρα.

• Για χάρη της ασφάλειας το πλαίσιο έχει ενισχυθεί στο μπροστινό μέρος («σκληρό άκρο»), συνεπώς η ροή εμποδίζεται από έναν ευρύ, ενισχυμένο προφυλακτήρα.

Ο αέρας ψύξης πρέπει να καθοδηγηθεί κατα τέτοιο τρόπο έτσι ώστε η ταχύτητα του αέρα μπροστά από το ψυγείο (η ταχύτητα εισόδου), να είναι όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφη, εξασφαλίζοντας κατά τον τρόπο αυτό τη βέλτιστη αποτελεσματικότητα των ψυγείων. Επιπλέον, η αεροδυναμική αντίσταση ενός αυτοκινήτου μπορεί να αυξηθεί αρκετά από την απώλεια ορμής στους αεραγωγούς ψύξης. Αυτή η αύξηση στην αντίσταση μπορεί να διατηρηθεί χαμηλά με κατάλληλα μέτρα. Υπό μεταβαλλόμενες συνθήκες οδήγησης ο εισαγόμενος αέρας δεν είναι ικανοποιητικός για την ψύξη, και έτσι πρέπει να προστεθεί ένας ανεμιστήρας. Το ψυγείο και ο ανεμιστήρας πρέπει να συνδυαστούν καλά, για να προκύψει ένα οικονομικό σύστημα σε ότι αφορά κόστος και ισχύ. Ο θόρυβος του ανεμιστήρα πρέπει να είναι χαμηλός, και η απαίτηση σε ρεύμα για έναν ηλεκτρικό ανεμιστήρα όσο το δυνατόν μικρότερη.

Η ροή αέρος διαμέσου του χώρου των επιβατών πρέπει να πληρεί τρεις στόχους: 1. Πρέπει να εξασφαλιστεί ο ικανοποιητικός εξαερισμός. Όλοι οι μολυσματικοί παράγοντες υπό μορφή αερίων, ατμών, και σκόνης πρέπει να αποβάλλονται από τον χώρο. Ταυτόχρονα, με τον εξαερισμό γίνεται αντικατάσταση του οξυγόνου που καταναλώνεται από τους επιβάτες.

2. Μια άνετη εσωτερική θερμοκρασία πρέπει να επιτυγχάνεται και να εξασφαλίζεται για ένα ευρύ φάσμα εξωτερικών συνθηκών. Για τη χειμερινή λειτουργία, αυτό επιτυγχάνεται με ένα υψηλής απόδοσης καλοριφέρ. Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, η άνεση πρέπει να εξασφαλίζεται από την κυκλοφορία του φρέσκου αέρα. Ακόμη και στις χώρες με μέτριο κλίμα αυτό και μόνο δεν θεωρείται πλέον ικανοποιητικό, και ο κλιματισμός θεωρείται βασικός εξοπλισμός.

3. Η εσωτερική ροή πρέπει να περνάει κατά μήκος των επιφανειών των παραθύρων έτσι ώστε το θόλωμα και το πάγωμα, τα οποία μπορεί να εμφανισθούν και στις δύο πλευρές των παραθύρων, να εξαλείφονται σε μικρή χρονική περίοδο (απόψυξη).

Ιδιαίτερες απαιτήσεις τοποθετούνται στα δυναμικά χαρακτηριστικά και των δύο εσωτερικών συστημάτων ροής. Παραδείγματος χάριν, το καλοριφέρ σχεδιάζεται για να παρέχει θερμότητα γρήγορα αφότου ξεκινήσει η μηχανή. Κατά τη διάρκεια του ταξιδιού η εσωτερική θερμοκρασία πρέπει να είναι ανεξάρτητη από την ταχύτητα του οχήματος, την κατάσταση λειτουργίας της μηχανής και την εξωτερική θερμοκρασία. Η εξωτερική και η εσωτερική ροή πρέπει να παράγουν όσο το δυνατόν λιγότερο θόρυβο. Ο θόρυβος του αέρα πρέπει να αποφευχθεί και ο θόρυβος των ανεμιστήρων να ελαχιστοποιείται. Τα ανοίγματα του πλαισίου, με τα οποία η εσωτερική ροή συνδέεται με την εξωτερική ροή, πρέπει να σχεδιαστούν έτσι ώστε το νερό να μην μπορεί να εισδύει, ακόμη και υπό συνθήκες όπως στο πλύσιμο ενός αυτοκινήτου. Οι ιδιαίτεροι στόχοι της αεροδυναμικής οχημάτων επηρεάζονται από τον τύπο του οχήματος. Εντούτοις, ακόμη και ένας δεδομένος στόχος -παραδείγματος χάριν, χαμηλή αντίσταση- μπορεί να έχει πολλές λύσεις, όπως φαίνεται στην εικόνα 6. Παραδείγματος χάριν, κατά τη διάρκεια της σχεδίασης ενός επιβατικού αυτοκινήτου ο κύριος στόχος είναι η μείωση της αντίστασης, ενώ για ένα μικρό λεωφορείο, ένα φορτηγό, ή ένα φορτηγάκι η μείωση της ευαισθησίας στους πλευρικούς ανέμους μπορεί να είναι ο πρώτος στόχος. Τα φορτηγά (και τα λεωφορεία) μελετώνται με οικονομικά κριτήρια. Όσο το δυνατόν περισσότερο φορτίο, πρέπει να μεταφερθεί με το χαμηλότερο κόστος. Όταν η αντίσταση ενός φορτηγού μειώνεται, ο χώρος φόρτωσης αυτού ή του ρυμουλκούμενού του πρέπει να παραμείνει άθικτος. Ένα αποτέλεσμα αυτού του περιορισμού είναι η εφεύρεση των αεροτομών για τις οροφές των τρακτόρων, που έχουν γίνει χαρακτηριστικές για τα φορτηγά. Στα αγωνιστικά αυτοκίνητα

στόχος είναι η αύξηση της πρόσφυσης των ελαστικών με τη χρήση βοηθημάτων αρνητικής άντωσης. Οι αεροτομές εμπρός και πίσω έχουν γίνει χαρακτηριστικά των αγωνιστικών αυτοκινήτων σε πολλές κατηγορίες. Τέλος, η μοτοσυκλέτα: η απόδοσή της μπορεί να αυξηθεί με την αεροδυναμική σχεδίαση αλλά τα αεροδυναμικά πτερύγια δεν πρέπει να μειώσουν την οδηγησιμότητα και τον χειρισμό της.

Εικόνα 6: Ένας κοινός στόχος, η χαμηλή αντίσταση, προκύπτει από ένα μεγάλο εύρος λύσεων που εξαρτώνται από τον τύπο του οχήματος.

1.2 Ιδιαιτερότητες της αεροδυναμικής οχημάτων

Δεν υπάρχει καμία αμφιβολία ότι η αεροδυναμική των οχημάτων έχει τις ρίζες της στην αεροδυναμική των αεροπλάνων. Με σχηματική μορφή η εικόνα 7 συνοψίζει πώς η γενική μορφή σχεδιασμού των αυτοκινήτων έχει εξελιχθεί από το προφίλ μιας αεροτομής. Το πόσο δύσκολα και αργά έγινε αυτή η εξέλιξη, θα περιγραφεί αργότερα σε αυτό το κεφάλαιο. Η επίδραση της αεροδυναμικής δεν είναι η ίδια για ένα όχημα δρόμου όπως για ένα αεροπλάνο. Το αεροπλάνο δεν μπορεί να «ζήσει» χωρίς αεροδυναμική, το όχημα μπορεί. Εντούτοις υπάρχουν πολλά κοινά μεταξύ των δύο περιπτώσεων καθώς οι ουσιαστικοί στόχοι τους συσχετίζονται πολύ. Προκειμένου να επιτευχθούν καλά οδηγητικά χαρακτηριστικά ή πτήσεως (διαμήκης δυναμική), υψηλή προτεραιότητα πρέπει να δοθεί στη χαμηλή αντίσταση. Με την κατάλληλη εξισορρόπηση των δυνάμεων που ασκούνται γύρω κι ενδιάμεσα των αξόνων που είναι κάθετοι κατά την εμπρόσθια κίνηση, μπορεί να επιτευχθεί καλή οδηγητική ή πτητική σταθερότητα (πλευρική σταθερότητα). Επιπλέον, η επεξεργασία των αεροδυναμικών στοιχείων (μετρημένων ή υπολογισμένων) στις εξισώσεις της κίνησης έχει πολλές ομοιότητες.

Εικόνα 7: Η ανάπτυξη της αεροδυναμικής οχημάτων εξελίχθηκε από την αεροναυπηγική, όμως τώρα είναι αυτόνομη.

Ωστόσο, τα πεδία ροής γύρω από ένα όχημα και ένα αεροπλάνο διαφέρουν σημαντικά όσον αφορά τα ακόλοθουσα τρία στοιχεία:

1. Στην ορολογία της μηχανικής ρευστών τα πλαίσια των αυτοκινήτων λαμβάνονται ως ογκώδη σώματα με επιφάνειες με πλατιά, επίπεδη εμπρόσθια σχεδίαση. Όπως φαίνεται και από τα σκίτσα στην εικόνα 8, τα πεδία ροής τους χαρακτηρίζονται από περιοχές με έντονες αποκολλήσεις. Οπουδήποτε υπάρχει αυξανόμενη πίεση στην κατεύθυνση της ροής, η ροή αποκολλάται από το περίγραμμα και ακολουθεί τη δική της πορεία. Ο λόγος για αυτήν την συμπεριφορά είναι η απώλεια κινητικής ενέργειας λόγω της τριβής στην εκάστοτε επιφάνεια. Δύο αρχικοί τύποι διαχωρισμών μπορούν να διακριθούν, ο απόρρους (wake) (αποκαλούμενα ως «dead water») και οι διαμήκεις δίνες. Και οι δύο αλληλεπιδρούν έντονα με το κύριο πεδίο ροής στο οποίο η τριβή διαδραματίζει έναν δευτερεύοντα ρόλο. Ως εκ τούτου, για τα οχήματα δρόμου, η επίδραση της τριβής δεν είναι περιορισμένη σε ένα λεπτό ρευστό στρώμα κοντά στις επιφάνειες, το οριακό στρώμα, αλλά είναι παρούσα πέρα από τις ευρείες περιοχές του περιβάλλοντος χώρου. Ο στόχος του σχεδιαστή αεροδυναμικής οχημάτων είναι να αποτρέψει αυτές τις αποκολλήσειςς ή εάν αυτό καθίσταται αδύνατο, να τις ελέγχει κατά το δυνατόν έτσι ώστε να μην «ενοχληθεί» σημαντικά η ροή. Το να «ενοχληθεί» η ροή σημαίνει την υπερβολική αντίσταση, τον υπερβολικό θόρυβο αέρα, ή την προσκόλληση νερού και λάσπης στις επιφάνειες του οχήματος. Αντίθετα το πεδίο ροής γύρω από ένα αεροπλάνο χαρακτηρίζεται από τη ροή που προσκολλάται πάνω μεγάλα τμήματα της επιφάνειάς του -εάν αποκλείσουμε τα λεπτά «δέλτα» φτερά όπως του Concorde, ή το διαστημικό όχημα πυκνών δρομολογίων κατά τη διάρκεια της απογείωσης και της προσγείωσης-. Τα φτερά, η ουρά, η άτρακτος και το περίβλημα των κινητήρων του αεροπλάνου, σχεδιάζονται για να κρατήσουν τη ροή ομαλή και προσκολλημένη στην επιφάνειά του. Η επίδραση του ιξώδους του αέρα περιορίζεται σε ένα πολύ λεπτό οριακό στρώμα παρακείμενο στις επιφάνειες, και σε περιορισμένα ίχνη πίσω από το αεροπλάνο. Η αλληλεπίδραση μεταξύ της ουσιαστικά μη-

ιξώδους εξωτερικής ροής και του οριακού στρώματος είναι αδύνατη (τουλάχιστον στην χαμηλή - υποηχητική ροή).

Εικόνα 8: Ροή γύρω από ένα επιβατικό όχημα, σχηματικά.

2. Όσον αφορά τη γεωμετρία τους, τα οχήματα διαφέρουν από τα αεροπλάνα δεδομένου ότι τα πλαίσια τους δεν μπορούν να διαχωριστούν σε ξεχωριστά μέρη «δυναμικής ρευστών» που να είναι διακριτά. Ακόμη και με τα φορτηγά – ρυμουλκούμενα ή τα αγωνιστικά αυτοκίνητα, όπου αυτό φαίνεται να είναι δυνατό, η χωριστή επεξεργασία των επιμέρους τμημάτων δεν είναι κατάλληλη λόγω των ισχυρών αλληλεπιδράσεων μεταξύ τους. Αυτός ο διαχωρισμός σε τμήματα χρησιμοποιείται στον αεροδυναμικό σχέδιασμό ενός αεροπλάνου. Πρώτα, κάθε τμήμα βελτιστοποιείται χωριστά, και οι αλληλεπιδράσεις υπολογίζονται μόνο σε ένα ακόλουθο βήμα. Ακόμη και μερικά από τα ενιαία

τμήματα, όπως π.χ το φτερό, μπορούν να διαχωριστούν περαιτέρω. Τα τρισδιάστατα αποτελέσματα διακρίνονται από δισδιάστατα, και κατόπιν προστίθενται μαζί. Μια τέτοια βαθμιαία διαδικασία δεν μπορεί να ακολουθηθεί για την ανάπτυξη της μορφής ενός αυτοκινήτου καθώς η μορφή του πρέπει να εξεταστεί συνολικά.

3. Τα αυτοκίνητα κινούνται σε μικρή απόσταση πάνω από το έδαφος, η οποία ωστόσο είναι τόσο σημαντική ως μέγεθος, αντίστοιχα π.χ με το μήκος του. Η αλληλεπίδραση με το δρόμο είναι τόσο ισχυρή που δεν μπορεί κάτω από καμία περίσταση να αμεληθεί.

Η δυνατότητα του διαχωρισμού ενός αεροπλάνου σε επιμέρους τμήματα έχει απλοποιήσει την αεροδυναμική του μεταχείριση από την πρώτη κιόλας πτήση. Τα πειραματικά συμπεράσματα και οι θεωρητικές εξηγήσεις τους έχουν αποδοθεί στα περιεκτικά εγχειρίδια των H. SCHLICHT1NG, Ε. TRUCKENBRODT και J.D. ANDERSEN. Από τα πειράματα και από τη θεωρία, προέκυψαν ισχυρές διαδικασίες εξέλιξης (D. KUECHEMANN), οι οποίες όλο και περισσότερο αντικαθίστανται με τις αριθμητικές μεθόδους (C.A.J FLETCHER). Και οι πειραματικές και οι αριθμητικές μέθοδοι αποτελούν ακόμα αντικείμενο της έντονης ανάπτυξης.

Αντιθέτως, η αυτοκινητική αεροδυναμική εξουσιάζεται ακόμα από την εμπειριοκρατία, την βελτιστοποίηση μορφής ειδικότερα. Παρ’ όλη την προσπάθεια που γίνεται με τους αριθμητικούς κώδικες, αυτή η διαμόρφωση πρέπει ακόμα να πραγματοποιείται σχεδόν αποκλειστικά πειραματικά. Σήμερα μόνο τα πολύ συγκεκριμένα προβλήματα μπορούν να λυθούν με τις αριθμητικές μεθόδους, όπως π.χ οι δυνάμεις που ασκούνται σε τμήματα του πλαισίου όπου η ροή παραμένει προσκολλημένη, και εσωτερικά συστήματα ροής όπως η ροή κάτω από το καπό και μέσα στην καμπίνα των επιβατών, συμπεριλαμβανομένων των σχετικών πεδίων θερμοκρασίας τους.

Η βελτιστοποίηση της μορφής εκτελείται σε μια σήραγγα αέρα. Το μέτριο μέγεθος των επιβατικών αυτοκινήτων, των μοτοσικλετών,

των ελαφρών ημιφορτηγών και των αγωνιστικών αυτοκινήτων, επιτρέπει τις μετρήσεις στα πραγματικού μεγέθους πρότυπα ή στα έτοιμα προς κυκλοφορία οχήματα. Επειδή οι σχεδιαστές προτιμούν να εργαστούν στην πλήρη κλίμακα, τα ρεαλιστικά πρότυπα είναι συνήθως διαθέσιμα για τη δοκιμή σηράγγων αέρα, υπό τον όρο ότι κατασκευάζονται πάνω σε ένα πραγματικό πλαίσιο. Τα μεγάλα φορτηγά και τα λεωφορεία ερευνώνται χρησιμοποιώντας τα μικρής κλίμακας πρότυπα, όπως και ορισμένοι κατασκευαστές αυτοκινήτων που προτιμούν μικρής κλίμακας πρότυπα για τα επιβατικά αυτοκίνητα, τουλάχιστον στην πρόωρη φάση ανάπτυξης. Τα πλεονεκτήματα και οι κίνδυνοι είναι εξίσου υπαρκτά για τα μικρής κλίμακας πρότυπα γι’ αυτό και πρέπει να μελετώνται προσεκτικά.

1.3 Συναφείς Επιστημονικά Χώροι

Υπάρχουν πεδία της εφαρμοσμένης μηχανικής ρευστών που έχουν ομοιότητες με την αεροδυναμική οχημάτων όσον αφορά τη φυσική καθώς επίσης και τις μεθόδους εργασίας. Συνοψίζονται εν συντομία στην εικόνα 9. Για τους σχεδιαστές αεροδυναμικής οχημάτων, αξίζει μια ματιά σε αυτά καθώς μπορεί να προκύπτουν σημαντικά οφέλη και γνώσεις από αυτούς τους γειτονικούς σχεδιαστικούς κανόνες. Οι ακόλουθες παρατηρήσεις και οι αναφορές πρέπει να ενθαρρύνουν τέτοιους αναγνώστες για να το κάνουν, και να το καταστήσουν ευκολότερο για αυτούς.

Ο συσχετισμός είναι στενότερος με την αεροδυναμική των οχημάτων σταθερής τροχιάς. Τα πεδία ροής γύρω από ένα όχημα δρόμου και ένα τραίνο είναι παρεμφερή. Η πιό ουσιαστική διαφορά προκύπτει από το γεγονός ότι ένα τραίνο αποτελείται από πολλά οχήματα, παράγοντας κατά συνέπεια ένα σύνολο που είναι εξαιρετικά μακρύ σε σχέση με το ύψος ή το πλάτος του. Κατά συνέπεια, το οριακό στρώμα στο τέλος ενός τραίνου είναι εξαιρετικά παχύ και είναι εξαιρετικά ικανό να υπερνικήσει οποιαδήποτε αντίθετα ασκούμενη πίεση. Επομένως, σε αντίθεση με ένα όχημα δρόμου, η μορφή του οπίσθιου τμήματος έχει

δευτερεύουσα επιρροή στην αεροδυναμική αντίσταση ενός τραίνου. Επιπλέον, με τα σύγχρονα μεγάλα τραίνα όπως το ICE ή το TGV, η μορφή του οπίσθιου τμήματος δεν επιλέγεται βάσει του πεδίου ροής που δημιουργείται στο οπίσθιο τμήμα. Αυτό γίνεται επειδή αυτά τα τραίνα πηγαίνουν εμπρός και πίσω χωρίς να εκτελούν περιστροφή, έτσι το σχήμα των μηχανών είναι το ίδιο και στα δύο άκρα, των οποίων και ο σχεδιασμός καθορίζεται από τις απαιτήσεις ενός εμπρόσθιου τμήματος.

Οι σημαντικοί στόχοι στην αεροδυναμική των οχημάτων σταθερής τροχιάς είναι:

• Χαμηλή αεροδυναμική αντίσταση• Μέτριο «κύμα πίεσης» στο εμπρόσθιο (και στο οπίσθιο

τμήμα) ενός τραίνου. • Χαμηλός θόρυβος αέρα.• Χαμηλή ευαισθησία στους πλευρικούς ανέμους.• Συντονισμένη εξωτερική και εσωτερική ροή για την ψύξη και

τον κλιματισμό των μηχανών.

Εικόνα 9: Πεδία σχετικά με την αεροδυναμική οχημάτων.

Την παγκόσμια στροφή στην κυκλοφορία με τα τραίνα υψηλών ταχυτήτων έχει προωθήσει σθεναρά η αεροδυναμική των τραίνων. Αυτή η προσπάθεια απεικονίζεται σε μια περιεκτική βιβλιογραφία, από την οποία μόνο μερικά σημαντικά συγγράμματα θα αναφερθούν εδώ. Για μια επισκόπηση στην αγγλοσαξωνική

βιβλιογραφία ο αναγνώστης αναφέρεται στους: R.G. GAWTHORPE, S.R. AHMED, R.G. GAWTHORPE και P. – A. MACKRODT και J. – L. PETERS. Η εξέλιξη του εμπρόσθιου τμήματος του ICE χρησιμοποιώντας μέθοδο πλαισίου περιγράφεται από τον P. - A. MACKRODT, J. STEINHAUER και G. STOFFERS, και, τελικά, η φυσική των τραίνων υψηλών ταχυτήτων συνοψίζεται από τους P. - Α. MACKRODT και Ε. PFIZENMAIER.

Οι παραλληλισμοί με την αεροδυναμική των κτηρίων είναι πολυάριθμοι επίσης:

• Τα κτήρια έχουν απότομες πλατιές επιφάνειες.• Τα πεδία ροής τους χαρακτηρίζονται από μεγάλους

διαχωρισμούς. • Τα κτήρια είναι στο έδαφος.• Υποβάλλονται σε επισκευαστικές επεμβάσεις.• Εκτίθενται στον φυσικό αέρα που είναι θυελλώδης και έχει τις

ιδιότητες ενός τυρβώδους οριακού στρώματος.• Έχουν τα παρόμοια προβλήματα της τεχνικής σηράγγων αέρα

(η παρεμπόδιση, προσομοίωση μπουρινιού, τεχνητή ενίσχυση των οριακών στρωμάτων).

Η αεροδυναμική εξέλιξή τους έχει επίσης παρόμοιους στόχους:

• Προσδιορισμός των δυνάμεων σε ένα κτήριο συνολικά. • Προσδιορισμός των δυνάμεων τμηματικά, όπως στη στέγη,

τα κεραμίδια,την πρόσοψη, τα παράθυρα, και τις κεραίες.

• Διαμόρφωση του πεδίου ροής κοντά στο έδαφος έτσι ώστε να παρεμποδιστεί η έκθεση των πεζών σε ανέμους.

• Συντονισμός της εσωτερικής με την εξωτερική ροή προκειμένου να επιτραπεί ο άνετος κλιματισμός – εξαερισμός των κτηρίων.

Συγκεκριμένο ενδιαφέρον για τα κτήρια έχουν τα αερό-ελαστικά φαινόμενα. Σ’ αυτά θα μπορούσαν να εστιάσουν για τα οχήματα σαν υπερ-ελαφριές κατασκευές. Μεγάλες και επίπεδες επιφάνειες όπως οροφές, στέγες, πόρτες θα μπορούσαν να υποβληθούν σε ταλαντώσεις εξαιτίας του περιβάλλοντος πεδίου ροής (βλ. H.W.

FORSCHING). Μια επιλογή από την εκτενή βιβλιογραφία για την αεροδυναμική κτηρίων αποτελούν τα ακόλουθα (αγγλικά) εγχειρίδια: E. L. HOUGHTON και N. B. CARRUTHERS, T. V LAWSON, Η. SOCKEL.

Με την πρόοδο στην υπολογιστική μηχανική ρευστών οι σχέσεις μεταξύ της αεροδυναμικής οχημάτων και της υδροδυναμικής των πλοίων έχουν γίνει εμφανέστερες. Η συνεργασία ήταν καθιερωμένη ήδη στην εξέλιξη με την αριθμητική περιγραφή των επιφανειών. Όπως στα οχήματα, τα πλοία:

• Είναι μεγάλες απότομες επιφάνειες.• Το πεδίο ροής τους, τουλάχιστον κοντά στην πρύμνη,

κυριαρχείται από αποκολλήσεις.• Ο κύριος στόχος της εξέλιξης της μορφής τους είναι η χαμηλή

αντίσταση (ακριβέστερα, μέγιστη απόδοση πρόωσης).

Περιστασιακά, οι σήραγγες ύδατος και οι ρυμουλκούμενες δεξαμενές χρησιμοποιούνται για τους σκοπούς της αεροδυναμικής των οχημάτων (βλ. L. LARSSON). Ιδιαίτερη μελέτη στην υδροδυναμική των πλοίων γίνεται από τον E.V. LEWIS.

Ακόμη και για τον σχεδιασμό των εσωτερικών πεδίων ροής ο σχεδιαστής αεροδυναμικής οχημάτων μπορεί να κάνει χρήση της εμπειρίας του από άλλες εφαρμογές. Για παράδειγμα, ο σχεδιασμός των αγωγών εξαερισμού έχει ωφεληθεί από τα αποτελέσματα που επετεύχθησαν στον σχεδιασμό των ψυγείων ελαίου των αεροσκαφών. Για ένα άλλο παράδειγμα, το σύνολο των φυσιολογικών στοιχείων που συλλέγεται κατά τη διάρκεια των ετών από την εφαρμογή του κλιματισμού στα κτήρια μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο σχεδιασμό του συστήματος κλιματισμού ενός οχήματος. Εντούτοις, υπάρχουν διαφορές που δεν πρέπει να αγνοηθούν. Παραδείγματος χάριν, τα προαναφερθέντα φυσιολογικά στοιχεία έχουν συγκεντρωθεί για μεγάλα δωμάτια, όπου καμία άμεση ακτινοβολία από τον ήλιο δεν λήφθηκε υπόψη. Ο χώρος των επιβατών ενός αυτοκινήτου ή ακόμα και ενός λεωφορείου δεν είναι

ιδιαίτερα μεγάλος αλλά και η επιρροή του ήλιου δεν πρέπει να αγνοηθεί.

2. Ιστορία της αεροδυναμικής οχημάτων

2.1 Έπισκόπηση

Η αεροδυναμική και η τεχνολογία των οχημάτων συνενώθηκαν πολύ αργά. Μια σύνθεση των δύο έγινε επιτυχής μόνο μετά από διαρκείς δοκιμές. Αυτό είναι εκπληκτικό δεδομένου ότι στις γειτονικές εφαρμογές της τεχνολογίας μεταφορών, της ναυτικής αρχιτεκτονικής, και της αεροναυτικής η συνεργασία με τους μηχανικούς ρευστών αποδείχθηκε πολύ καρποφόρα. Φυσικά, οι σχεδιαστές των πλοίων και των αεροπλάνων ήταν σε καλύτερη θέση καθώς βρήκαν τα πρωτότυπά τους στη φύση: ψάρια και πουλιά. Από αυτές τις φυσικές μορφές πήραν πολλά ουσιαστικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα. Το αυτοκίνητο δεν είχε κανένα τέτοιο πρωτότυπο. Ως εκ τούτου οι σχεδιαστές του προσπάθησαν να δανειστούν τις μορφές από τα πλοία και τα αεροπλάνα, οι οποίες εμφανίστηκαν προοδευτικά. Πολύ σύντομα αυτό αποδείχθηκε η λανθασμένη προσέγγιση. Μόνο όταν ξέφυγαν μακριά από αυτά τα αταίριαστα πρωτότυπα οι σχεδιαστές αεροδυναμικής έκαναν μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα της αυτοκίνησης.

Ένας άλλος λόγος για τις επαναλαμβανόμενες αποτυχίες της αεροδυναμικής με τα οχήματα είναι ότι άρχισε πάρα πολύ νωρίς. Τα πρώτα αυτοκίνητα ήταν αρκετά αργά. Στους κακούς δρόμους εκείνων των ημερών τα αεροδυναμικά σχεδιασμένα πλαίσια θα φαίνονταν γελοία. Προστατεύοντας τον οδηγό και τους επιβάτες από τον αέρα, τη λάσπη και τη βροχή το δοκιμασμένο παραδοσιακό σχέδιο τύπου κάρου-άμαξας ικανοποιούσε. Αργότερα η προκατάληψη πως τα αεροδυναμικά σχέδια ήταν κάτι ιδιαίτερο για εξέχοντα πρόσωπα υπερεκτίμησε την ανάγκη για τα οφέλη της αεροδυναμικής για οικονομικούς λόγους.

Μια συνοπτική επισκόπηση της ιστορίας της αεροδυναμικής οχημάτων συνοψίζεται στην εικόνα 10. Τέσσερις περίοδοι διακρίνονται που, φυσικά, δεν μπορούν να χωριστούν η μια από την άλλη τόσο αυστηρά όσο στη σχηματική αναπαράσταση. Η επόμενη θεματολογία θα επικεντρωθεί στην επίδραση της δυναμικής ρευστών: ποια επίδραση ανακαλύφθηκε πότε, και πώς μετασχηματίστηκε στην εφαρμογή. Ακόμη και οι λανθασμένοι τρόποι θα περιγραφούν. Ειδικότερα, καθίσταται σαφές τι απαιτείται για την μετατροπή της δυναμικής ρευστών στην αεροδυναμική οχημάτων.

Κατά τη διάρκεια των δύο πρώτων από τις συνολικές τέσσερις περιόδους που παρουσιάζονται στην εικόνα 10, η αεροδυναμική εξέλιξη έγινε από άτομα, τα περισσότερα από τα οποία προέρχονταν έξω από το χώρο της αυτοκινητοβιομηχανίας. Προσπάθησαν να μεταφέρουν τις βασικές αρχές από την αεροδυναμική αεροσκαφών στα αυτοκίνητα. Το πως τα συμπεράσματά τους εφαρμόστηκαν από τους πολλούς κατασκευαστές αυτοκινήτων εκείνων των ημερών έχει τεκμηριωθεί λεπτομερώς από R. J. F. KIESELBACH και δεν θα επαναληφθεί εδώ. Αργότερα, κατά τη διάρκεια των υπόλοιπων δύο περιόδων που παρουσιάστηκαν στην εικόνα 10, η ευθύνη της αεροδυναμικής οχημάτων αναλήφθηκε από τις κατασκευάστριες αυτοκινήτων και ενσωματώθηκε στην εξέλιξη των προϊόντων. Από τότε, ομάδες, και όχι μεμονωμένοι ερευνητές, ήταν (και είναι) αρμόδιες για την αεροδυναμική.

Εικόνα 10: Η ιστορία της αεροδυναμικής οχημάτων, στα επιβατικά αυτοκίνητα.

Η ιστορία πρέπει να επιστρέψει στις πηγές. Αυτά που χρησιμοποιούνται εδώ είναι από την ανοικτή βιβλιογραφία, δηλαδή, τα έγγραφα που δημοσιεύονται στα ειδικευμένα περιοδικά και τα πρακτικά διασκέψεων, και, φυσικά, τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας. Εντούτοις, τα τελευταία χρησιμοποιούνται μόνο ως συμπληρωματικές πηγές. Τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας στην αεροδυναμική οχημάτων είναι πολυάριθμα, αλλά με πολύ λίγες εξαιρέσεις είχαν μικρή επιρροή στην πρόοδο του αντικειμένου, ενώ πολλές από αυτές ήταν αξιοπερίεργες. Το ποσοτικό στοιχείο από την βιβλιογραφία – φυσικά η αντίσταση είναι το επίκεντρο- πρέπει να εξεταστεί με την προσοχή, όχι μόνο από τις παλαιότερες

δημοσιεύσεις. Η αεροδυναμική αντίσταση είχε (και συνεχίζει ακόμα) μετρηθεί με τις διάφορες μεθόδους όπως π. χ μικρής κλίμακας ή πραγματικού μεγέθους δοκιμές σηράγγων αέρα, την κύλιση, τη μέγιστη ταχύτητα, κ.λ.π., που δεν δίνουν απαραιτήτως τα ίδια αποτελέσματα. Ακόμη και τα σημερινά δεδομένα αντίστασης από τις διάφορες μετρήσεις σε πραγματικού μεγέθους σήραγγες αέρα παρουσιάζουν μερικές φορές αποκλίσεις που δεν μπορούν να εξηγηθούν πλήρως. Οπουδήποτε είναι δυνατόν, τα παλαιά στοιχεία συμπληρώνονται από νέα. Το νοσταλγικό ενδιαφέρον για το παρελθόν είναι μια βοήθεια καθώς οι μετρήσεις με τα παλαιά πραγματικά οχήματα στις σύγχρονες σήραγγες αέρα παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες.

Πώς η αεροδυναμική οχημάτων αναπτύχθηκε από τις αρχές ακόμη, μέχρι το 1939, έχει τεκμηριωθεί από τον Ρ. V. KOENIG - FACHSENFELD. Πιο πρόσφατη εργασία, πρωτίστως από την αμερικανική άποψη, έχει δημοσιευθεί από τους K. E. LUDVIGSEN και A. T. MCDONALD. O R. J. F. KIESELBACH δημοσίευσε ένα συμπλήρωμα στην προαναφερθείσα σειρά βιβλίων. Μια συνοπτική έρευνα στην κατάσταση προόδου της αεροδυναμικής οχημάτων έχει δημοσιευθεί πρόσφατα από τους W. - H. HUCHO και G. SOVRAN.

2.2 «Δανεικές» Μορφές

Για τις πρώτες προσπάθειες σχεδίασης των αυτοκινήτων σύμφωνα με τις αρχές της αεροδυναμικής ήταν τυπικός ο δανεισμός των σχημάτων που είχαν αποδειχθεί αποδοτικά στις θαλάσσιες εφαρμογές και τα αεροσκάφη. Αυτά μεταφέρθηκαν σχεδόν αυτούσια και σχεδόν δημιουργήθηκαν τορπίλες και αεροσκάφη σε ρόδες. Χωρίς καμία αμφιβολία, αυτά τα οχήματα είχαν κατά πολύ χαμηλότερη αντίσταση από τους σύγχρονους ανταγωνιστές τους που μοιάζουν περισσότερο με τις κάρο-άμαξες. Εντούτοις, από πλευράς μηχανικής ρευστών, αυτή δεν εφαρμόστηκε, παρά τα αεροδυναμικά σχήματά τους. Αγνόησαν το γεγονός ότι κοντά στο έδαφος η ροή γύρω από ένα σώμα εκ περιστροφής χάνει τη συμμετρία του και αυξάνεται η αντίσταση. Επιπλέον, οι

εκτεθειμένοι τροχοί και το υποπλαίσιο των οχημάτων διατάρασσαν τη ροή.

Βεβαίως το παλαιότερο όχημα που αναπτύχθηκε σύμφωνα με τις αεροδυναμικές αρχές κατασκευάστηκε από τον CAMILLE JENATZY (βλ. εικόνα 11). Αυτό το ηλεκτρικά κινούμενο όχημα ήταν το πρώτο που υπερέβη τα 100 km/h (62 mph), το «μαγικό» όριο ταχύτητας εκείνης της εποχής. Στις 29 Απριλίου του 1899, έφθασε τα 105,9 km/h (65,8 mph) (βλ. R. V FRANKENBERG & M. MATTEUCCI). Με αναλογία μήκους – διαμέτρου l / d ≈ 4 το τορπιλοειδές όχημα ήταν από μόνο του αεροδυναμικό, αλλά οι εκτεθειμένοι τροχοί και ο οδηγός πρέπει βεβαίως να διατάρασσαν τις καλές ιδιότητες ροής του. Το αυτοκίνητο του Jenatzy πρέπει να θεωρηθεί ως προκάτοχος όλων των αγωνιστικών μονοθεσιών αυτοκινήτων (monoposto), ακόμα κι αν το πλαίσιό του τοποθετήθηκε επάνω από τους τροχούς του αντί ενδιάμεσά τους.

Εικόνα 11: Το αυτοκίνητο που κατέρριψε το ρεκόρ ταχύτητας, από τον Camille Jenatzy, 1899.

Εικόνα 12: Alfa Romeo από τον Count Ricotti, 1914.

Ένα όχημα σχεδιασμένο όπως ένα αεροσκάφος παρουσιάζεται στην εικόνα 12. Πάνω σε πλαίσιο Alfa Romeo, εξελίχθηκε το 1913 από τον COUNT RICOTTI. Με αναλογία μήκος - διαμέτρου l / d ≈ 3 ο σχεδιασμός του ήταν πληρέστερος του οχήματος του JENATZY και οι επιβάτες δεν έπρεπε πλέον να κάθονται σε ανοιχτό αμάξωμα. Νωρίτερα, ήδη από το 1912, παρόμοια οχήματα αλλά με εξ ολοκλήρου ενσωματωμένους τροχούς είχαν σχεδιαστεί από τον O. BERGMANN (βλ. R. V. KOENIG – FACHSENFELD & R. F. J. KIESELBACH). Δεν υπάρχουν μετρήσιμα στοιχεία για την αντίσταση αυτών των σχημάτων, όμως θα πρέπει να ήταν ιδιαίτερα ευνοϊκά. Εάν η χαμηλή αντίσταση ήταν όλη η αεροδυναμική οχημάτων, η τεχνολογία θα είχε φτάσει στο στόχο της πολύ νωρίς.

Αργότερα, υπήρξαν επαναλαμβανόμενες προσπάθειες της αναβίωσης των οχημάτων ενός όγκου. Για πολύ καιρό αυτή η προσπάθεια ήταν ανεπιτυχής. Εντούτοις, στις αρχές της δεκαετίας του '80 τα αυτοκίνητα ενός όγκου βρήκαν αποδοχή ως τύπου VAN, αρχικά σε περιορισμένο αλλά τώρα σε αυξημένο αριθμό.

Αντίθετη με τον συνδυασμό των σχεδίων που χρησιμοποιούνται από τους JENATZY, BERGMANN, και COUNT RICOTTI είναι η αποκαλούμενη «πρύμνη». Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το «Audi – Alpensieger» από το 1913, που παρουσιάζεται στην εικόνα 13, όπου από άποψη αεροδυναμικής είναι απολύτως αναποτελεσματικό. Η ροή, που αποκολλάται στο εμπρόσθιο τμήμα, τον προφυλακτήρα και τους πλαϊνούς μαρσπιέδες, δεν επανακολλάται στο πίσω τμήμα τύπου «πρύμνης σκάφους». Εντούτοις η «πρύμνη» εφαρμόστηκε συχνά στα σπορ και τα ανοικτά αυτοκίνητα για να τους δώσει μια πιο δυναμική εμφάνιση. Αυτό είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα για το πώς τα αεροδυναμικά επιχειρήματα είχαν, και έχουν ακόμα και σήμερα, εφαρμοστεί λανθασμένα για να ικανοποιήσουν «στιλιστικές» ανάγκες. Μια τάση που τόνιζαν τα οπίσθια πτερύγια και τις αεροτομές της δεκαετίας του '50, και τα διάφορα «spoiler» σήμερα δεν είναι πολύ μακριά απ' αυτό.

Εικόνα 1.13: Σχεδίαση «πρύμνης» στο Audi Alpensieger, 1913.

2.3 Η εποχή του αεροδυναμικού σχεδιασμού Ενώ οι διαισθητικές προσεγγίσεις κυριαρχούσαν κατά τη διάρκεια της αρχικής φάσης της αεροδυναμικής οχημάτων, μια πιο τακτική ανάπτυξη άρχισε μετά από τον Α’ παγκόσμιο πόλεμο, που υποστηρίχθηκε από τρεις διαφορετικές πλευρές:

1. Η ανάλυση των ελκτικών αντιστάσεων από τον Α. RIEDLER (1911) σαφώς προσδιόρισε τη σημασία της αεροδυναμικής αντίστασης.

2. Περισσότερο οι PRANDTL & EIFFEL μελέτησαν λεπτομερώς τη

φύση της αεροδυναμικής αντίστασης, και κυρίως αυτή η μελέτη επέφερε γνώση και εφαρμόστηκε στα οχήματα. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η εργασία που έγινε από τον W.G ASTON (1911). Εντούτοις, η απομάκρυνση από την θεωρία αντίδρασης του Newton ήταν μια πολύ αργή διαδικασία.

3. Ψάχνοντας για πεδία δραστηριότητας εκτός αεροναυπηγικής, οι Γερμανοί αερο-μηχανικοί στράφηκαν στο σχέδιο οχημάτων. Προσπάθησαν να μεταφέρουν τη συγκεκριμένη τεχνογνωσία τους στο αυτοκίνητο. Έτσι, εξελίχθηκαν σε διάφορα μέρη «αεροδυναμικά αυτοκίνητα».

Αρχίζοντας το 1919, ο Ε. RUMPLER, γνωστός κατασκευαστής του διάσημου «Rumpler Taube» (περιστέρι), εξέλιξε διάφορα αυτοκίνητα που σχεδίασε ως "αυτοκίνητα σταγόνα". Για την εποχή, η μορφή μιας σταγόνας που έπεφτε θεωρούταν αεροδυναμικώς τέλεια. Ένα χαρακτηριστικό αυτοκίνητο Rumpler παρουσιάζεται στην εικόνα 14. Αυτό το αυτοκίνητο είχε τη μορφή αεροτομής. Για να χρησιμοποιήσει τον κατά τα άλλα, άχρηστο, στενό χώρο στη λεπτή ουρά, ο Rumpler αποφάσισε την τοποθέτηση της μηχανής πίσω. Τεχνικές λεπτομέρειες του σχεδίου έχουν αναφερθεί από τους Α. HELLER, C. EPPINGER, και από τον ίδιο τον Ε. RUMPLER.

Με ένα πρότυπο κλίμακας 1:7.5, ο RUMPLER εκτέλεσε τις μετρήσεις σήραγγας αέρα στο Aerodynamische Versuchsanstalt (AVA) στο Gottingen το 1922. Αυτό που προκύπτει από αυτά τα πειράματα είναι ότι η αντίσταση του αυτοκινήτου RUMPLER ήταν περίπου στο 1/3 της τιμής των σύγχρονων ανταγωνιστών. Αλλά ο RUMPLER δεν αναφέρθηκε μόνο για τη χαμηλή αντίσταση, όπως είναι καλά τεκμηριωμένο στη διαφήμισή του. Με τα σκίτσα όπως αυτό στην εικόνα 15 επισήμανε ότι το αυτοκίνητό του για πολύ, δεν απομάκρυνε την σκόνη όπως άλλα. Μετρήσεις σε ένα γνήσιο αυτοκίνητο Rumpler (βλ. εικόνα 16), που εκτελέστηκαν το 1979 στη μεγάλη σήραγγα αέρα της VOLKSWAGEN AG, έδωσαν τα ακόλουθα αποτελέσματα:

συντελεστής αντίστασης CD = 0.28, εμβαδόν μετώπης A = 2.57 m2 !!!!

Εικόνα 14: Σχέδιο αυτοκινήτου τύπου «σταγόνας» του Rumpler, 1922.

Εικόνα 15: Ροή σκόνης γύρω από ένα συμβατικό κι ένα αυτοκίνητο Rumpler, σχεδιασμένη από τον E. Rumpler.

Μόνο δεκαετίες αργότερα αυτός ο εξαιρετικά χαμηλός αριθμός αντίστασης επιτεύχθηκε πάλι με ένα όχημα παραγωγής, το Opel Omega του1986. Η τιμή αυτού του CD είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτη επειδή οι τροχοί στα οχήματα RUMPLER είναι εξ’ ολοκλήρου ακάλυπτοι. Όπως προκύπτει από τις μετρήσεις που δημοσιεύονται από τον W. KLEMPERER, αυτό πρέπει να έχει αυξήσει την αντίσταση κατά 50%.

Η σκέψη του RUMPLER, όπως ειπώθηκε από τους κριτές του, περιορίστηκε στη δισδιάστατη ροή. Σύμφωνα με αυτούς, δεν είχε αναγνωρίσει ότι η ροή πέρα από ένα τμήμα αεροτομής δεν είναι πλέον δισδιάστατη όταν αποκόβεται από ένα μεγάλο τμήμα πτερυγίου, όπως φαίνεται στο σχέδιο 17 (α). Αυτή είναι ακόμη περισσότερο η περίπτωση, όταν γυρίσει 90ο αυτή η αεροτομή και τοποθετηθεί κοντά στο έδαφος, όπως φαίνεται στο σχέδιο 17 (β). Ένα σκίτσο σχεδιασμένο από τον ίδιο τον RUMPLER, στην εικόνα 18, και τα πιο πρόσφατα ίχνη καπνού που φωτογραφίζονται στη σήραγγα αέρα της VOLKSWAGEN, αναιρούν αυτήν την κριτική. Η ομαλά κυρτή οροφή και ο ομαλός υποδαπέδιος σχεδιασμός εναρμονίζουν τη ροή σε τρεις διαστάσεις.

Εικόνα 16: Αυτοκίνητο τύπου «σταγόνας» του Rumpler, 1922.

Ο RUMPLER επένδυσε το μεγαλύτερο μέρος των χρημάτων που είχε κερδίσει από τα αεροπλάνα του σε νέες εξ’ ολοκλήρου εγκαταστάσεις, και είχε αρχίσει να κατασκευάζει το «αυτοκίνητο δάκρυ» του (οι λεπτομέρειες αυτής της ιστορίας έχουν ειπωθεί από τους Μ. GRAF WOLFF METTERNICH και U. KUBISCH. Όμως ο RUMPLER απέτυχε. Το αυτοκίνητό του μπορούσε μετά βίας να πωληθεί. Επανειλημμένα ειπώθηκε ότι αυτό οφειλόταν στη μη συμβατική μορφή σταγόνας που δεν έγινε αποδεκτή από το αγοραστικό κοινό. Ίσως αυτό ισχύει. Όπως είναι επίσης αλήθεια ότι το αυτοκίνητο του RUMPLER εξοπλίστηκε με πλήθος μη δοκιμασμένων καινοτομιών, όπως παραδείγματος χάριν ο εκκρεμής οπίσθιος άξονας που ο ίδιος εφηύρε. Τα ποιοτικά προβλήματα με αυτά τα νέα στοιχεία ήταν από μόνα τους αρκετά για να αποτρέψουν την επιτυχία του αυτοκινήτου του.

Εικόνα 17: Διαχωρισμός του αυτοκινήτου «σταγόνας» από ένα φτερό: a) δισδιάστατη ροή γύρω από ένα φτερό στο άπειρο, b) τρισδιάστατη ροή γύρω από έναν τομέα επιφάνειας κοντά στο έδαφος.

Εικόνα 18: Αεροδυναμικές γραμμές γύρω από ένα όχημα Rumpler, σχέδιο E. Rumpler.

Σε αντίθεση με τη «σταγόνα» του RUMPLER, το αυτοκίνητο Bugatti που εισήχθη στο Grand Prix του Strassburg το 1923 εξελίχθηκε πρώτιστα σύμφωνα με τους δισδιάστατους κανόνες σχεδίου. Όπως μπορεί να φανεί από την εικόνα 19 τα πλευρικά τμήματα ήταν σχεδόν σαν αεροπλάνο. Εντούτοις, αυτό το αυτοκίνητο εκθέτει μερικές αξιοπρόσεκτες λεπτομέρειες που είναι καλές για τη χαμηλή αντίσταση. Ο σχεδιασμός του περιγράμματος προσαρμόζει καλά τη ροή κοντά στο έδαφος, και το κύρτωμα που δημιουργείται επιτρέπει την τοποθέτηση τροχών τύπου «δίσκων». Οι μαρσπιέδες στον προφυλακτήρα και στις πλευρές εμποδίζουν την απώλεια παραγόμενης ροής κάτω από το όχημα, ακριβώς όπως κάνουν στα σύγχρονα αγωνιστικά αυτοκίνητα πρωταθλήματος. Εντούτοις, η ροή πέρα από την ουρά πρέπει να διαταράσσεται αρκετά από τον οδηγό.

Σχεδόν την ίδια εποχή με τον Ε. RUMPLER, ο P. JARAY άρχισε μια έρευνα που στόχευε σε ένα «αεροδυναμικό αυτοκίνητο», ένα όνομα που έδωσε ο ίδιος στο διάσημο σύγγραμμα του, «Der Stromlinienwagen, eine neue Form der Automobilkarosserie» (το αεροδυναμικό αυτοκίνητο, μια νέα μορφή πλαισίου αυτοκινήτου).

Εικόνα 19: Αυτοκίνητο αγώνων Grand – Prix από τον E. Bugatti, 1923.Η μέθοδος για το πώς αναλύει τη ροή γύρω από τα στερεά σώματα περιγράφεται εκεί μέσα - και με περαιτέρω λεπτομέρειες από τον HP. BROHL – αργότερα αποτελεί σημείο αναφοράς για τη σύγχρονη αεροδυναμική οχημάτων.

Μαζί με τον W. KLEMPERER, ο JARAY πραγματοποίησε μετρήσεις στη σήραγγα αέρα της COUNT ZEPPELIN στο Friedrichshafen της Γερμανίας, οι οποίες συνοψίζονται στην εικόνα 20. Η αφετηρία ήταν το επαναστατικό λεπτόμορφο σχήμα με αναλογία μήκους / διαμέτρου κοντά στο 5. Πάνω από το έδαφος η αντίσταση του ήταν πολύ χαμηλή: CD = 0,045. Μια βαθμιαία μετακίνηση αυτού του πλαισίου προς το έδαφος συνοδεύθηκε από αύξηση στην αντίσταση, πρώτα συγκρατημένα, αλλά έπειτα σημαντικά σε μια χαρακτηριστική απόσταση από το έδαφος για τα αυτοκίνητα. Οι JARAY και KLEMPERER παρατήρησαν ότι η ροή σε αυτό το συμμετρικό σχήμα έχασε τη συμμετρία της όταν αυτό ήρθε κοντά στο έδαφος, και τελικά εμφανίστηκε μία ισχυρή αποκόλληση στην ανώτερη οπίσθια πλευρά του πλαισίου. Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι αυτή η αποκόλληση ήταν η αιτία της αύξησης της αντίστασης.

Εικόνα 1.20: Μετρήσεις σε ημιπλαίσια, από τον W. Klemperer, 1922.

Στο όριο της μηδενικής απόστασης από το έδαφος μια περιστροφική συμμετρική ροή θα μπορούσε να επανακτηθεί, με την αντικατάσταση του πλαισίου που εξελισσόταν από ένα που ήταν το μισό του αρχικού. Μαζί με την εικόνα είδωλό του -που παρήχθη από την απεικόνιση του μισού πλαισίου κάτω από την οδική επιφάνεια- παρήχθη ένα επαναστατικό αποτελεσματικό πλαίσιο. Το μισό πλαίσιο με μια αναλογία μήκους – πλάτους στο 4, συμμορφώθηκε με τις απαιτήσεις ενός αυτοκινήτου, με την αντικατάσταση του μισού κύκλου που διαμόρφωνε την κύρια πλευρά του με ένα ορθογώνιο με στρογγυλεμένα τα ανώτερα άκρα.

Όταν αυτό το πλαίσιο ανυψώθηκε από το έδαφος σε ένα απαραίτητο για το αυτοκίνητο επίπεδο, η αντίσταση αυξήθηκε πάλι. Ο λόγος για αυτό ήταν η αποκόλληση της ροής στήν οξεία εμπρόσθια περιοχή στο κάτω τμήμα του οχήματος. Με τη στρογγυλοποίηση αυτής της περιοχής η αύξηση της αντίστασης αποφεύχθηκε. Το αποτέλεσμα ήταν το CD = 0,09. Όταν προστέθηκαν οι τροχοί χωρίς τη διαμόρφωση θόλων – τροχών, αυξήθηκε το CD = 0,15, τιμή τρεις φορές μεγαλύτερη αυτής του επαναστατικού πλαισίου εκτός εδάφους. Αλλά σε σύγκριση με τα αυτοκίνητα εκείνων των ημερών, για τα οποία το CD = 0,7 ήταν μια

χαρακτηριστική τιμή, αυτός ο αριθμός ήταν ενθαρρυντικός. Τόσο πολύ έτσι ώστε ο JARAY χρησιμοποίησε αυτό το μισό-πλαίσιο ως αφετηρία για την εξέλιξη των «πραγματικών» αυτοκινήτων. Η ιδέα της εφαρμογής της μορφής ενός μισού - πλαισίου άμεσα σε ένα αυτοκίνητο ήταν τόσο ελκυστική που δοκιμάστηκε από διάφορους σχεδιαστές και οδήγησε τελικά στα Van.

Προκειμένου να διατηρηθεί η χαμηλή αντίσταση, η διαμόρφωση του περιγράμματος στο πίσω τμήμα του οχήματος έπρεπε να γίνει έτσι ώστε να επιτραπεί όσο το δυνατόν περισσότερη αποκατάσταση πίεσης. Εντούτοις, επειδή ένα οριακό στρώμα είναι σε θέση να στηρίξει μόνο μέτριες τιμές αυξανόμενης πίεσης στην κατεύθυνση της ροής, τα αεροδυναμικά βοηθήματα όπως αεροτομές και πτερύγια τελειώνουν σε μακριές λεπτές «ουρές». Για τα αυτοκίνητα, τέτοιες μακριές ουρές είναι απολύτως ακατάλληλες επειδή το μήκος ενός οχήματος είναι περιορισμένο για διάφορους λόγους. Ο Jaray προσπάθησε να επιτύχει την καλή αποκατάσταση πίεσης με ένα πιο μικρό μήκος, με το να τη κατανείμει πάνω σε δύο πτέρυγες. Εφηύρε τη «συνδυασμένη μορφή» που, όπως φαίνεται στην εικόνα 21, αποτελούταν από δύο τμήματα φτερών, ένα που τοποθετήθηκε οριζόντια, και ένα άλλο μικρότερο που τοποθετήθηκε κάθετα πάνω σε αυτό.

Εικόνα 21: Οι δύο εκδοχές της συνδυασμένης μορφής του Jaray, σχηματικά.

Δυστυχώς, δεν έχει εξεταστεί ποτέ προσεκτικά εάν η υπόθεση του JARAY ισχύει. Υπάρχει αμφιβολία, επειδή τα οριακά στρώματα στις

γωνίες είναι επιρρεπή σε διαχωρισμούς, και δύο τέτοιες γωνίες διαμορφώνονται από το κάθετα τοποθετημένο προφίλ. Ο ίδιος ο JARAY δημοσίευσε μια σχηματική αναπαράσταση της κατανομής της πίεσης (βλ. εικόνα 22). Ο C. SCHMID είχε παρατηρήσει τη ροή ενός προτύπου Jaray σε μια σήραγγα αέρα. Το σκίτσο του, που δείχνει καθαρά τον ισχυρό διαχωρισμό ροής στο οπίσθιο τμήμα, παρουσιάζεται στην εικόνα 23. Μια μετρημένη κατανομή πίεσης μαζί με το γράφημα της επιφανειακής ροής, δημοσιεύεται από τον R. V. KOENIG – FACHSENFELD και μας δείχνουν ότι, ακόμη και με τη συνδυασμένη μορφή, ο διαχωρισμός μπορεί να αποτραπεί μόνο με ένα εξαιρετικά λεπτό οπίσθιο άκρο.

Εικόνα 22: Κατανομή πίεσης γύρω από ένα όχημα Jaray, σχέδιο του P. Jaray, 1934.

Εικόνα 23: Αεροδυναμικές γραμμές γύρω από ένα όχημα Jaray, σχέδιο C. Schmid, 1938.

Τα αποτελέσματα των μετρήσεων από τον W. KLEMPERER που πραγματοποίησε στα πρότυπα των πρώτων αυτοκινήτων Jaray δίνονται στην εικόνα 24. Σε σύγκριση με τα σύγχρονα αυτοκίνητα τύπου «κουτιού», στη συνδυασμένη μορφή του Jaray η τιμή της αντίστασης περιορίστηκε στο μισό. Στη συνέχεια, κατά τη διάρκεια του 1922 ως το 1923, οι γερμανοί κατασκευαστές αυτοκινήτων Audi, Dixi, και Ley εκθέτουν πρωτότυπα με σχεδίαση βασισμένη στη συνδυασμένη μορφή (βλ. εικόνα 25). Στις ΗΠΑ, ακολούθησε η Chrysler το 1928. Αλλά όλα αυτά τα αυτοκίνητα δεν έγιναν αποδεκτά από το κοινό, και συνεπώς δεν βγήκαν στη μαζική παραγωγή. Εντούτοις, το εκπληκτικό είναι ότι (με τη σημερινή άποψη) κανένας δεν παραπονέθηκε ότι όλα αυτά τα αυτοκίνητα σχεδιαστικά φαίνονταν πολύ ίδια.

Στις αρχές της δεκαετίας του '30, όταν άρχισε η κατασκευή της γερμανικής Autobahn (αυτοκινητοδρόμου), ο JARAY έκανε μια δεύτερη προσέγγιση. Τροποποίησε το πρωτότυπο του, και τοποθέτησε το κυρτό πλέον πλαίσιο πάνω από το χαμηλότερο οριζόντιο πλαίσιο, όπως παριστάνεται στο κάτω μέρος της εικόνας 21. Αυτό έδωσε στα αυτοκίνητά του μια δυναμική σπορ εμφάνιση. Εντούτοις, από αεροδυναμικής απόψεως, απείχε αρκετά από την τελειότητα.

Εικόνα 24: Μετρήσεις αντίστασης από τον W. Klemperer το 1922, με μοντέλα κλίμακας 1:10, απουσία αεραγωγών ψύξης.

Εικόνα 25: Ένα από τα πρώτα αυτοκίνητα Jaray, το Audi Type K 14/50 Hp, με πλαίσιο κατασκευής του H. Glaeser, Δρέσδη, 1923.

Εικόνα 26: Η BΜW 328 με αμάξωμα από τον E. Wendler, Reutlingen, 1938.

Αυτό διαπιστώθηκε με την Bmw 328 που εφοδιάστηκε με πλαίσιο κατασκευής Ε. WENDLER (βλ. εικόνα 26). Παρά τον όμορφο οπτικά σχεδιασμό ροής, η αντίσταση δεν ήταν καλύτερη από CD = 0,44,

ίσως λόγω της μεγάλης ροής αέρος μέσω του ψυγείου και του χώρου του κινητήρα.

Εικόνα 27: Δύο τυπικά αυτοκίνητα Jaray, από τους Huber & Bruehwiler, Luzern, 1933-34. Επάνω το Audi 2L, κάτω το Daimler-Benz Type 200 (R. F. J. Kieselbach)

Το πόσο μπροστά από την εποχή του ήταν ο JARAY γίνεται εμφανές όταν συγκρίνονται τα πρωτότυπα που σχεδιάστηκαν σύμφωνα με τις αρχές του, με τα σύγχρονα αυτοκίνητα. Στις εικόνες 27 και 28 που χρησιμεύουν ως παραδείγματα, η πρώτη παρουσιάζει πρωτότυπα από τις Audi και Daimler - Benz και η δεύτερη, αντίθετα, ένα πρότυπο παραγωγής της ίδιας εποχής, τον τύπο «Stuttgart» από την Daimler - Benz. Τα σχέδια του JARAY ήταν επαναστατικά, και βρήκαν πρακτική εφαρμογή μετά τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο: με ομαλές επιφάνειες πλαισίου, ενσωματωμένους προφυλακτήρες και προβολείς, κεκλιμένο παρμπρίζ. Απομακρύνθηκε εμφανώς ο σχεδιασμός των αυτοκινήτων από αυτόν των αμαξών. Εντούτοις, δεν επετεύχθη η υπερνίκηση του σοβαρότερου μειονεκτήματος όλων των, χαμηλής

αεροδυναμικής αντίστασης, αυτοκινήτων που εξελίχθηκαν εκείνη την εποχή: η κατά πολύ μακριά ουρά.

Η σχετικά μακριά ουρά, απαραίτητη για την σχεδίαση τύπου Jaray, όχι μόνο απέτρεψε την επιτυχία των ιδεών του JARAY, αλλά επιπλέον τις δυσφήμισε. Ξεκινώντας πρίν από τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο, κατασκευάστηκαν πολυάριθμες ψευδο – Jaray κατασκευές οι οποίες χαρακτηρίστηκαν ως «fastbacks», όπως το 1934 τα Chrysler Airflow και Volkswagen Beetle. Η κλίση της ουράς τους ήταν πάρα πολύ απότομη. Όπως παριστάνεται γραμμικά στην εικόνα 29 η ροή στη μέση (κεκλιμένη) επιφάνεια της οροφής πρόσκειται κατά ένα μεγάλο τμήμα σ’ αυτήν. Εντούτοις, οι ελπίδες που στηρίχθηκαν σε αυτό το φαινομενικά ομαλό σχέδιο ροής δεν εκπληρώθηκαν. Όπως ανακαλύφθηκε πολύ αργότερα, δύο ευδιάκριτες διαμήκεις δίνες παρήχθησαν και στις δύο πλευρές της κλίσης. Αυτές οι δίνες προκάλεσαν όχι μόνο μια ισχυρή μεταξύ τους αλληλεπίδραση που κρατούσε τη ροή προσκείμενη κατά το διαμήκη άξονα του αυτοκινήτου, προκάλεσαν επίσης μια υψηλή αρνητική πίεση στην επικλινή επιφάνεια προκαλώντας έτσι πολύ υψηλή αντίσταση.

Εικόνα 28: Το μοντέλο «Stuttgart» της Daimler-Benz, 1928.

Δεν ήταν μόνο η απαίτησή του για ένα οριζόντιο αιχμηρό πίσω τμήμα που έκανε εμφανή την επιρροή του JARAY από την αεροδυναμική αεροσκαφών. Ακόμα περισσότερο ήταν η πρότασή του για την μεταφορά μιας ιδέας που είχε αποδειχθεί πολύ καρποφόρα στην αεροναυπηγική. Προσπάθησε να περιγράψει τα πλαίσια των αυτοκινήτων με έναν αριθμητικό κώδικα συγκρίσιμο με αυτόν που εισήχθη από τη NACA (σήμερα NASA) για τα τμήματα πτερυγίων, και ανέπτυξε ένα σχέδιο για αεροδυναμικά σχεδιασμένα πλαίσια (βλ. R. V. KOENIG – FACHSENFELD).Αυτό το σχέδιο δεν κέρδισε την αποδοχή. Εντούτοις, με αυτό φαίνεται και πάλι πως ο JARAY ξεπέρασε την εποχή του: Κατέδειξε πόσο διαφορετικές εμφανίσεις είναι δυνατές για τα αεροδυναμικά διαμορφωμένα αυτοκίνητα.

Εικόνα 29: Απεικόνιση ροής σε αυτοκίνητο με σχεδίαση «ψευδό – Jaray», (R. F. J. Kieselbach).

Ένα αυτοκίνητο που ακολούθησε τις αρχές του JARAY πολύ αυστηρά, ήταν το Tatra 87, που σχεδιάστηκε από το H. LEDWINKA (εικόνα 30). Η παραγωγή του άρχισε το 1936 και ολοκληρώθηκε το 1950. Με αναλογία μήκους – ύψους l / h = 2,9 αυτό ήταν λιγότερο λεπτό από τα χαρακτηριστικά σχέδια του JARAY, αλλά η καμπίνα μετατοπίστηκε προς το εμπρός τμήμα, παρέχοντας κατά συνέπεια

τον χώρο για μια μέτρια καμπυλότητα στο οπίσθιο τμήμα. Οι τιμές αντίστασης που δημοσιεύθηκαν για αυτό το αυτοκίνητο προκάλεσαν πολλή σύγχυση, και είναι ένα καλό παράδειγμα για το πόσο προσεκτικά οι «παλαιές» τιμές πρέπει να αντιμετωπιστούν. Ο G. LANGE ερεύνησε τη ροή γύρω από το Tatra 87 με την τοποθέτηση ενός προτύπου κλίμακας ένα προς πέντε (1 / 5) στη σήραγγα αέρα του DVL Berlin – Adlershof. Από αυτά τα πειράματα ο R. V. KOENIG - FACHSENFELD ανακοίνωσε CD – 0,244, αλλά αυτός ο αριθμός σχολιάστηκε ως ύποπτος στο ίδιο περιοδικό. Από τον υπολογισμό της μέγιστης ταχύτητας και της ιπποδύναμης του κινητήρα προέκυψε τιμή CD – 0,31. Όμως η σωστή τιμή της αντίστασης ήταν CD – 0,36, όπως αυτή μετρήθηκε το 1979 στη μεγάλη σήραγγα αέρα της VOLKSWAGEN AG με ένα γνήσιο αυτοκίνητο. Δυστυχώς η επίδραση της εισαγωγής αέρα του κινητήρα στο οπίσθιο τμήμα δεν προσδιορίστηκε κατά τη διάρκεια αυτής της δοκιμής.

Στη Γαλλία ο P. MAUBOISSIN ακολούθησε παραπλήσια οδό με αυτή του JARAY, έχοντας κι αυτός τις ρίζες του στην αεροναυπηγική. Το 1933 σχεδίασε ένα αεροδυναμικό πλαίσιο για τους Chenard & Walcker και το ονόμασε «Mistral». Η εικόνα 31 (α) είναι μια αναπαραγωγή του σχεδίου του, ενώ το αυτοκίνητο της εικόνας 31 (β) είναι το Peugeot 402, όχι ίδιο αλλά παρόμοιο με το «Mistral». Παρατηρώντας τα σχέδια του διακρίνεται η μορφή αεροτομής. Σε αντίθεση με τον JARAY, στο αυτοκίνητο του P. MAUBOISSIN η πίσω πτέρυγα του ήταν κάθετα τοποθετημένη, με συνέπεια τη βελτίωση της σταθερότητας στους πλευρικούς ανέμους.

Εικόνα 30: Tatra Type 87, 1937, σχεδιασμένο από τον H. Ledwinka.

Μια άλλη προσπάθεια να εξελιχθεί ένα αυτοκίνητο χαμηλής αεροδυναμικής αντίστασης με την βοήθεια της αεροδυναμικής αεροσκαφών άρχισε στο Aerodynamische Versuchsanstalt (AVA) στο Gottingen, υπό την καθοδήγηση του LUDWIG PRANDTL. Η εργασία εκτελέσθηκε από τον Α. LANGE. Πάλι το σώμα αποτελούταν από δύο αεροτομές, αλλά αυτή τη φορά η ανώτερη τοποθετήθηκε οριζόντια πάνω σε μια χαμηλότερη, η οποία ήταν οριζόντια επίσης. Το δεύτερο προφίλ ξεκινούσε από το ύψος του παρμπρίζ καταλήγοντας σε κοινή καμπύλη γραμμή με το πρώτο. Μετά από το στρογγύλεμα όλων των άκρων, το πρότυπο που παρουσιάζεται στην κορυφή της εικόνας 32 ήταν ολοκληρωμένο. Παρά το γεγονός ότι αυτές οι γραμμές δεν χρησιμοποιήθηκαν ποτέ για την κατασκευή ενός πραγματικού αυτοκινήτου, αυτό το πρότυπο είναι γνωστό ως «αυτοκίνητο Lange». Ο συντελεστής αντίστασης που δημοσιεύθηκε από τον LANGE, CD = 0,14, θα μπορούσε σχεδόν να επιβεβαιωθεί αργότερα: Ένα πρότυπο κλίμακας ένα προς πέντε που κατασκευάστηκε από τη VOLKSWAGEN έδωσε CD = 0,16. Αυτός ο πολύ καλός αριθμός πρέπει να υπογραμμιστεί λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι το πρότυπο ήταν απολύτως ομαλό, χωρίς τις κοιλότητες για τα παράθυρα, πραγματικούς θόλους τροχών, και χωρίς υποπλαίσιο. Με μια αναλογία μήκους - ύψους 1/h = 3,52 η

ουρά που ήταν ακόμα πολύ μακριά, ταίριαζε μόνο για τα σπορ αυτοκίνητα με τους πίσω τοποθετημένους κινητήρες. Μετά από 60 έτη η μορφή Lange είναι ακόμα «ζωντανή» με την Porsche 911 που απεικονίζεται στο κάτω μέρος της εικόνας 32.

Οι RUMPLER, JARAY, MAUBOISSIN και LANGE έκαναν το ίδιο λάθος: Πήραν τα σχέδια που αναπτύχθηκαν για τις αεροναυπηγικές εφαρμογές και τις εφάρμοσαν στο αυτοκίνητο με όσο το δυνατόν μικρότερες τροποποιήσεις. Υποβάθμισαν τις απαιτήσεις της μεταφοράς, ενάντια στις απαιτήσεις της αεροδυναμικής. Όλοι εξέταζαν σταθερά την «ιδανική» τιμή αντίστασης, CD = 0,15, που μετρήθηκε από τον KLEMPERER με ένα μισό πλαίσιο, και προσπάθησαν να έρθουν όσο πλησιέστερα ήταν πιθανόν σε αυτό.

Το CD = 0,30 τέθηκε ως στόχος, ο οποίος εκπληρώθηκε μόνο στις αρχές του 1980 με τα αυτοκίνητα παραγωγής. Κανένας δεν υποστήριξε την ιδέα της μείωσης της αντίστασης των σύγχρονων αυτοκινήτων, από το CD = 0,7, βαθμιαία με όσο το δυνατόν λιγότερες δραματικές αλλαγές. Αυτό οδήγησε σε μια πόλωση: Από την άποψη της αεροδυναμικής το μέσο, «κανονικό» αυτοκίνητο παρέμεινε κακό, αλλά έγινε αποδεκτό από την αγορά, ενώ τα αεροδυναμικά αυτοκίνητα βρήκαν εφαρμογή στα εξωτικά σχέδια με τεχνικούς περιορισμούς, που το κοινό αρνήθηκε να αγοράσει.

(α)

(β)

Εικόνα 31: α) Αναπαραγωγή του σχεδίου «Mistral» του P. Mauboussin, 1933, για τους Chenard & Walker. β) Peugeot 402.

(α)

(β)

Εικόνα 32: α) Οι γραμμές του «αυτοκινήτου Lange», με CD = 0.14. β)Η Porsche 911 Carrera του 1995, με CD = 0.33, A = 1.86 m2.

2.4 Μελέτη παραμέτρων Ο κόλπος που χώριζε την αεροδυναμική από την τεχνολογία οχημάτων, γεφυρώθηκε μόνο όταν οι μηχανικοί οχημάτων έδειξαν οι ίδιοι ένα ενδιαφέρον για την αεροδυναμική. Αυτό συνέβη σχεδόν ταυτόχρονα και ανεξάρτητα σε δύο μέρη: στις ΗΠΑ από τον WALTER E. LAY, καθηγητή στο πανεπιστήμιο του Michigan, και στη Γερμανία από τον WUNIBALD KAMM, καθηγητή στο τεχνικό πανεπιστήμιο (TH) στη Στουτγκάρδη και διευθυντή του ερευνητικού ιδρύματος για τα οχήματα δρόμου και τους κινητήρες (FKFS).

Ο LAY ήταν ο πρώτος που πραγματοποίησε μια συστηματική παραλλαγή των παραμέτρων, και το 1933 δημοσίευσε τα αποτελέσματά του στο διάσημο σύγγραμμα «είναι τα 50 μίλια ανά γαλόνι πιθανά με τη σωστή αεροδυναμική σχεδίαση;». Ένα απόσπασμα απ' αυτό συντάσσεται στην εικόνα 33. Με συστηματική τροποποίηση του σχεδίου ενός αυτοκινήτου στο εμπρόσθιο και το οπίσθιο τμήμα, απομόνωσε διάφορα μεμονωμένα αεροδυναμικά αποτελέσματα. Οι έρευνές του αποκάλυψαν μια ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ των πεδίων ροής ενός αυτοκινήτου

μπροστά και πίσω από αυτό. Παραδείγματος χάριν, ένα αεροδυναμικώς καλά σχεδιασμένο οπίσθιο άκρο αποδείχθηκε αποτελεσματικό μόνο όταν η ροή γύρω από τη μετώπη του αυτοκινήτου παρέμεινε συνημμένη, ένα γεγονός που έχει αναφερθεί ήδη στην αναφορά της «πρύμνης» (βλ. εικόνα 13). Ένα απότομο παρμπρίζ μπορεί να είναι πολύ ανεπιτυχές για ένα ειδάλλως καλά σχεδιασμένο αμάξωμα, και μπορεί να οδηγήσει σε υψηλή αντίσταση. Εντούτοις, εάν η αντίσταση ενός προτύπου είναι ήδη υψηλή, παραδείγματος χάριν λόγω του διαχωρισμού στο οπίσθιο τμήμα, η επιρροή της κλίσης του παρμπρίζ έχει δευτερεύουσα σημασία.

Εικόνα 33: Η επιρροή των παραμέτρων βασικών πλαισίων στην αντίσταση, και οι αλληλεπιδράσεις τους, κατά τον W. E. Lay, 1933.

Δυστυχώς, σε σημαντικές λεπτομέρειες το πρότυπο του LAY απείχε πάρα πολύ μακριά από τη γεωμετρία ενός πραγματικού αυτοκινήτου, ένα λάθος επαναλαμβανόμενο από πολλούς άλλους που ακολούθησαν. Το πρότυπό του κατασκευάστηκε από τμήματα με παράλληλες πλευρικές επιφάνειες και έντονες γωνίες, με συνέπεια την αρκετά υψηλή αντίσταση. Οι διαχωρισμοί ροής και ο στροβιλισμός των δινών μπορεί να είχαν καλυφθεί από την επιρροή των λεπτομερειών του απλού σχεδίου. Τα συμπεράσματά του είχαν

επομένως περιορισμένη δυνατότητα εφαρμογής. Συνεπώς, η εργασία του έλαβε μετά βίας την αναγνώριση, και το σημαντικότερο εύρημά του αγνοήθηκε εντελώς π. χ, σε ένα κατάλληλα σχεδιασμένο όχημα, ένα αμβλύ οπίσθιο άκρο είναι λίγο μόνο χειρότερο από μια μακριά ουρά. Αυτή η εύρεση, επ' ευκαιρία ήταν γνωστή στην αεροναυπηγική για πολύ καιρό. Ήδη από το 1920, οι μετρήσεις που έγιναν από τον Dornier έδειξαν ότι η αντίσταση μιας αεροτομής αυξάνεται ελαφρώς μόνο όταν η πτέρυγα κόβεται απότομα. Λεπτομέρειες μπορούν να βρεθούν στo διάσημo Fluid Dynamic Drag του S. HOERNER.

Μόνο o KAMM μαζί με τους συνεργάτες του, πέτυχε, να εισαγάγει το αμβλύ πίσω τμήμα στη σχεδίαση οχημάτων. Η περιεκτική εργασία τους αναφέρεται λεπτομερώς από τον R. V. KOENIG - FACHSENFELD. Στην ουσία το αποτέλεσμα ήταν το ακόλουθο: Αρχίζοντας στη μέγιστη διατομή, το προς τη κατεύθυνση του αέρα περίγραμμα του οχήματος εκλεπτύνεται προσεκτικά ώστε να κρατηθεί η ροή συνημμένη. Αυτό παράγει μια σταθερή αύξηση της στατικής πίεσης στην κατεύθυνση της ροής. Ακριβώς στη θέση που η ροή θα ήθελε να διαχωριστεί, το πλαίσιο περικόπτεται κάθετα, με αποτέλεσμα να καταλήγει σε μια επιφάνεια της οποίας η διατομή είναι μικρή σε σύγκριση με την εμπρόσθια περιοχή. Τα ίχνη πίσω από το όχημα είναι στενά, και η αρνητική στατική πίεση στην επίπεδη επιφάνεια οφείλεται κάπως στην προς τα πάνω ανάκτηση της πίεσης. Και τα δύο συμβάλλουν σε μια χαμηλή αντίσταση.

Εξετάζοντας την εικόνα 34 τα πλεονεκτήματα της αποκαλούμενης «Kamm – back» (ή σε μια συχνά χρησιμοποιημένη σύντμηση, Κ - back) γίνονται εμφανή αμέσως. Σε σύγκριση με το σχέδιο του LAY, το ελεύθερο ύψος κεφαλής στο οπίσθιο τμήμα είναι πολύ υψηλότερο, ενώ έναντι του KLEMPERER σώζεται ικανοποιητικό τμήμα του μήκους του.

Το θέμα για το ποιος έχει την ευθύνη για την «Kamm – back» αποτέλεσε αντικείμενο μιας μακράς διαρκείας διαφωνίας που, ακόμα και σήμερα, δεν επιλύθηκε σαφώς. Ο KAMM έδωσε μια ένδειξη αυτής της ιδέας σε μια παρουσίαση που δημοσιεύθηκε το

1934, αλλά μια σαφής περιγραφή της αρχής βρίσκεται μόνο σε ένα έγγραφο που δημοσίευσε το 1939. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας (βλ. R.J.F. KIESELBACH) ήταν ο R. V. KOENIG - FACHSENFELD που πρέπει να τιμηθεί ως εφευρέτης. Οι μετρήσεις στα πρότυπα λεωφορείων που δημοσίευσε το 1936 σαφώς επισήμανε τα πλεονεκτήματα αυτής της μορφής πίσω τμήματος. Πολύ αργότερα, το 1948, ο E. EVERLING απαίτησε την ανακάλυψη, χρονολογημένη από το 1934. Στην πραγματικότητα, το αυτοκίνητο που φέρει το όνομά του, το αυτοκίνητο Everling (βλ. εικόνα 35), ήταν το πρώτο που εξοπλίζεται με «Κ – back», μόνο που αυτό έγινε το 1938.

Εικόνα 34: Σύγκριση τριών διαφορετικών σχεδίων πίσω τμήματος από τη δεκαετία του 1930.

Υπό την καθοδήγηση του KAMM διάφορα πρωτότυπα κατασκευάστηκαν σύμφωνα με τις αρχές του. Το πρώτο, ονομαζόμενο Κ1, φαίνεται να ήταν το προοδευτικότερο. Το πλαίσιο ήταν απολύτως ομαλό, και οι μπροστινές ρόδες καθώς επίσης και οι οπίσθιες ρόδες καλύφθηκαν. Στην εικόνα 36 η ροή πάνω από ένα πρότυπο κλίμακας ένα προς πέντε του K1 συγκρίνεται με αυτήν του DB W 158, παρόμοιο με το DB 170 Β που παρήχθη από Daimler-Benz μέχρι τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο. Οι γραφικές απεικονίσεις παρουσιάζουν τη διαφορά στο σχέδιο ροής των δύο προτύπων. Συνεπώς, οι τιμές αντίστασης διέφεραν σημαντικά. Ενώ ο συντελεστής αντίστασης για το W 158 ήταν CD = 0,51, για το K1 ήταν 0,21. Και τα δύο πρότυπα μετριούνται χωρίς την εισαγωγή αέρος ψύξης.

Εικόνα 35: Το πρώτο επιβατικό αυτοκίνητο με «Kamm – back», το Everling του 1938, βασισμένο στο πλαίσιο της Mercedes – Benz 170 V.

Το οπίσθιο άκρο του K1 ήταν ακόμα αρκετά διαχρονικό. Μια πιο χαρακτηριστική «Kamm – back» φαίνεται στην εικόνα 37, το οποίο δείχνει το K3. Τα ίχνη καπνού κάνουν ορατό το πόσο μακριά είναι σε θέση να ακολουθήσει η ροή, το περίγραμμα της οροφής. Η σύγκριση των διαμηκών τμημάτων που παρουσιάζονται στην εικόνα 38 υπογραμμίζει το πλεονέκτημα των γραμμών KAMM έναντι των JARAY και LAY. Το K3 εκτίθεται τώρα στο Langenburg Castle (Γερμανία). Οι μετρήσεις σε αυτό το αυτοκίνητο, που έγιναν στη μεγάλη σήραγγα αέρα της VOLKSWAGEN AG, απέδωσαν τον CD = 0,37. Ένας όχι πάρα πολύ κακός αριθμός, όμως πολύ χειρότερος από ότι ο KAMM δημοσίευσε σε μια από τις δοκιμές που ολοκλήρωσε με CD = 0,24.

Εικόνα 36: Σύγκριση του αυτοκινήτου Kamm K1 με την Mercedes – Benz W 158, με μοντέλα κλίμακας 1:5, στη σήραγγα αέρα της FKFS.

Εικόνα 37: Το αυτοκίνητο Kamm K3.

Εικόνα 38: Σύγκριση του διαμήκους κεντρικού τμήματος των αυτοκινήτων Jaray και Kamm. Το Tatra 87 είναι σχεδιασμένο χωρίς το ουραίο πτερύγιο.

Αν και η αεροδυναμική οχημάτων επικεντρώθηκε αρχικά στην αντίσταση σε ιδανικές συνθήκες αέρα, με συμμετρική επικείμενη ροή, τα προβλήματα του πλευρικού αέρα έγιναν σύντομα προφανή. Ο KLEMPERER, πραγματοποιώντας μετρήσεις για λογαριασμό του JARAY το 1922, ήδη είχε παρατηρήσει μια αύξηση της αντίστασης όταν ένα αυτοκίνητο έστριβε, και τον ώθησε στο συμπέρασμα πως αυτή η αύξηση της αντίστασης γινόταν σε μικρότερο βαθμό για ένα αεροδυναμικά σχεδιασμένο όχημα. Για τις μεγάλες γωνίες στροφής παρατήρησε ακόμη και την αρνητική αντίσταση. Δήλωσε: «Το όχημα τότε ενεργεί όπως το πανί ενός σκάφους που πλέει δυνατά σε προσήνεμο». Όμως αυτές οι γωνίες στροφής λαμβάνονται με πολύ

χαμηλές ταχύτητες, οπότε και η επίδραση της αεροδυναμικής αντίστασης είναι ασήμαντη.

Όσο ταχύτερα έγιναν τα αυτοκίνητα, όλο και περισσότερο ενδιαφέρον δόθηκε στην σταθερότητα σε πλάγιους ανέμους . Ο R. H. HEALD ανέφερε ότι η πλευρική δύναμη αυξανόταν γραμμικά για γωνία παρέκκλισης πάνω από τις 20°. Εκπληκτικό είναι ότι δεν σχολίασε καθόλου την στιγμή της παρέκκλισης από την πορεία, η οποία τείνει να γυρίσει ένα αυτοκίνητο, από τον αέρα. Ο P. MAUBOUSSIN, εντούτοις, αναγνώρισε πλήρως αυτήν την ανεπιθύμητη επίδραση της στιγμής παρέκκλισης από την πορεία. Προκειμένου να σταθεροποιηθεί το «Mistral» του, ενσωμάτωσε ένα μεγάλο κάθετο πτερύγιο στο πίσω μέρος του αυτοκινήτου (βλ. εικόνα 31). Ο KAMM κατέληξε στο εξής συμπέρασμα: «ένα όχημα σε ένα ρεύμα αέρος είναι λιγότερο σταθερό, όσο καλύτερη είναι η σχεδίασή του για χαμηλή αντίσταση». Για την αντιμετώπιση του φαινομένου της στιγμιαίας εκτροπής εξέλιξε επίσης τις αεροτομές. Το Κ1 ήταν ήδη εφοδιασμένο με δυο παράλληλα τοποθετημένες αεροτομές (βλ. Ε. SAWATZKI). Ακόμη και η επίδραση της άνωσης στην κατευθυντική σταθερότητα αναγνωρίστηκε νωρίς. Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα δόθηκε με τα πυραυλοκίνητα αυτοκίνητα που εξέλιξε ο FRITZ V. OPEL μαζί με τον MAΧ VALIER το 1928. Προκειμένου να πιεστούν αυτά τα οχήματα κάτω στο δρόμο, εξοπλίστηκαν με φτερά (βλ. εικόνα 39 και H. J. SCHNEIDER). Το κύρτωμα αυτών των φτερών ήταν θετικό, ενώ είναι αρνητικό σήμερα, αλλά η γωνία τους ήταν αρνητική, παράγοντας κατά συνέπεια μια δύναμη προς τα κάτω.

Εικόνα 39: Το Rocket Car RAK 2, με οδηγό τον Fritz v. Opel, 1928.

Είναι προφανές ότι η εφαρμογή πτερυγίων στο οπίσθιο τμήμα των αυτοκινήτων δεν είναι εφικτή. Εάν είναι μικρά, όπως παραδείγματος χάριν στο Tatra 87 (βλ. εικόνα 30), είναι αναποτελεσματικά. Εάν είναι μεγάλα, οι σχεδιαστές είναι ανήμποροι να τα ενσωματώσουν στο σχήμα του πλαισίου. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '50 τα πτερύγια χρησιμοποιήθηκαν κατ' άσχημο τρόπο σαν χαρακτηριστικά γνωρίσματα σχεδιασμού των μεγάλων αυτοκινήτων στην Αμερική. Μόνο τα οχήματα επιδόσεων – αυτοκίνητα και μοτοσικλέτες - εξοπλίστηκαν με πραγματικά πτερύγια. Μέσα για τον περιορισμό της άνωσης εισήχθησαν επίσης στα επιβατικά αυτοκίνητα, κυρίως υπό την μορφή «spoiler» στο εμπρός και στο πίσω τμήμα, μερικές φορές στο οπίσθιο τμήμα ως αεροτομές.

Ο κίνδυνος των πλάγιων ανέμων αποτελείται από τις έντονες ριπές τους, και όχι τόσο πολύ από τη μέση «σταθερά» δύναμή τους. Ένας οδηγός παρατηρεί μια ριπή ανέμου μόνο μέσω της αντίδρασης του οχήματός του, και ίσως από έναν κυμαινόμενο θόρυβο αέρα, και πρέπει να αντιδράσει σε αυτό αυθόρμητα. Το φυσικό φαινόμενο των ριπών ανέμου μπορεί να αυξηθεί από ένα εικονικό που «παράγεται» με την οδήγηση του αυτοκινήτου διαμέσου των δινών που δημιουργούνται από εμπόδια του περιβάλλοντος, όπως τα δέντρα και τα κτήρια. Αυτό έχει τεκμηριωθεί από τον L. HUBER, και σήμερα αναγνωρίζεται ευρέως κατά την κατασκευή δρόμων και την περιβαλλοντική διαμόρφωση. Συνεπώς, τα ατυχήματα λόγω πλαγίων ανέμων έχουν μειωθεί.

Πολύ νωρίς, με την αρχή της συστηματικής εργασίας πάνω στην αεροδυναμική οχημάτων, εξετάστηκαν τα προβλήματα της ροής μέσω ενός οχήματος. Ο KLEMPERER είχε εξετάσει ήδη τη ροή αέρος μέσω του ψυγείου κινητήρα στις πρότυπες δοκιμές του, και είχε αποδείξει ότι αυτό προκαλεί μια πρόσθετη αντίσταση. Οι F. FIEDLER και W. KAMM πρότειναν μέσα για τον περιορισμό της αύξησης αυτής της αντίστασης. Στη σχολή του KAMM εξετάστηκε λεπτομερώς η πορεία της ροής διαμέσου του ψυγείου. Η

αλληλεπίδραση μεταξύ των πεδίων ροής του οχήματος, του ψυγείου, και του ανεμιστήρα αέρα ερευνήθηκε από τον H. SCHMITT και τον Β. ECKERT. Αργότερα, η τεχνογνωσία που αναπτύχθηκε στην σχεδίαση των ελαιοψυκτήρων των αεροσκαφών, χρησιμοποιήθηκε και για τα αυτοκίνητα. Οι αρχές για τον εξαερισμό του χώρου των επιβατών διαμορφώθηκαν επίσης από τον KAMM και τους σπουδαστές του, οι οποίοι ερεύνησαν τη σχέση μεταξύ του εξωτερικού πεδίου ροής και του όγκου του αέρα που περνά διαμέσου του χώρου των επιβατών. Πολύ αργότερα, ερευνήθηκε ο σχεδιασμός του εσωτερικού πεδίου ροής και της επίδρασής του στην άνεση των επιβατών.

2.5 Οχήματα ενός όγκου

Παρά τις αποτυχίες των αεροδυναμικών αυτοκινήτων, μερικοί ενθουσιώδες προχώρησαν ακόμα περαιτέρω. Δεδομένου ότι το CD

= 0,30 των αεροδυναμικών αυτοκινήτων παρέμενε σε αρκετή απόσταση μακριά από τον «ιδανικό» αριθμό CD = 0,15 που ο KLEMPERER είχε επιτύχει με ένα «μισό-πλαίσιο», προσπάθησαν να εκμεταλλευτούν περαιτέρω τις δυνατότητές του. Όχι μόνο οι επιστήμονες, αλλά και οι σχεδιαστές επίσης, εκτίμησαν την μορφή ενός όγκου ως την τελευταία διαμόρφωση για το αυτοκίνητο. Στις ΗΠΑ, ο NORMAN BEL GEDDES (1931) και ο RICHARD BUCKMINSTER FULLER (1933), και στη Γαλλία, ο EMILE CLAVEAU (1925) και ο ANDRE DUBONNET (1935) ακολούθησαν το παράδειγμα του COUNT RICOTTI και κατασκεύασαν ιδιαίτερα πλαίσια (βλ. R.J.F. KIESELBACH). Τα σχέδιά τους δημιουργήθηκαν μάλλον διαισθητικά, και πιθανώς δεν «αντίκρισαν» ποτέ μια σήραγγα αέρα. Αντίθετα, το 1922 ο AUREL PERSU σχεδίασε ένα αυτοκίνητο του οποίου τη μορφή ταύτισε όσο το δυνατόν περισσότερο με το «ιδανικό» ημι - πλαίσιο του JARAY. Λόγω του περιορισμένου χώρου στο οπίσθιο τμήμα αποφάσισε σχετικά με την τοποθέτηση του κινητήρα στο κέντρο. Προκειμένου να δημιουργηθεί ένα οδηγήσιμο πρωτότυπο, κατασκεύασε ένα αυτοκίνητο δοκιμής από τμήματα που είχε σε ετοιμότητα. Το αποτέλεσμα παρουσιάζεται στην εικόνα

40. Λόγω της ασχήμιας του, αυτό το κατασκεύασμα δεν έκανε τίποτα άλλο πέραν του να προωθεί την ιδέα ενός αυτοκινήτου ενός όγκου. Το όχημα λέγεται ότι είναι έκθεμα στο Βουκουρέστι της Ρουμανίας.

Αργότερα, το 1930, διάφοροι Αμερικανοί μηχανικοί στράφηκαν στα πρότυπα ένας-όγκου. Μια περίληψη από την εργασία των W. T. FISHLEIGH, R. H. HEALD, W. E. LAY και E. G. REID συντάσσεται στην εικόνα 41. Για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων τους, που επιτελέσθηκαν σε μοντέλα με διαφορετική μορφολογία και διαφόρων κλιμάκων, κάθε σχήμα ημι - πλαισίου συγκρίνεται με ένα σύγχρονο πρότυπο αυτοκινήτου που εξετάζεται από τον ίδιο συντάκτη. Με εξαίρεση το εξαιρετικά μακρύ πίσω τμήμα που περιλήφθηκε στις δοκιμές του LAY, όλα τα πρότυπα ημι - πλαισίου είχαν συντελεστή αντίστασης περίπου στο ένα τρίτο από αυτό των σύγχρονων αυτοκινήτων.

Εικόνα 40: Αυτοκίνητο δοκιμής του A. Persu, 1923-24.

Ενώ τα σχέδια αυτών των προτύπων φαίνεται να δημιουργούνται από τη διαίσθηση, το σχέδιο του οχήματος ενός όγκου που εξελίχθηκε στο AVA του Gottingen προήλθε από τα αεροδυναμικά βοηθήματα χαμηλής αντίστασης. Μια ανάλυση της ροής μέσα από το πρότυπο του Lange από τον Κ. SCHLOR (βλ. εικόνα 42) έδειξε ότι αυτό το πρότυπο δεν ήταν τόσο ιδανικό όσο θεωρείτο. Ένα καλό πλαίσιο ενός όγκου πρέπει να υπερνικήσει τα μειονεκτήματα του σχεδίου Lange: διαχωρισμός μπροστά από το παρμπρίζ και στο

οπίσθιο τμήμα. Ο SCHLOR διαμόρφωσε το περίγραμμα του διαμήκους κεντρικού επιπέδου του αυτοκινήτου του (βλ. εικόνα 43) με το συνδυασμό δύο τμημάτων φτερών της οικογένειας Gottingen, και τα δύο τα οποία είχαν έναν χαμηλό συντελεστή αντίστασης CD

= 0,125. Οι βασικές γραμμές του αυτοκινήτου του Schlor προκύπτουν από καμπύλες, αλλά στο μέσο του οχήματος τείνουν περισσότερο σε ορθογώνιο σχήμα προκειμένου να καταστεί το εσωτερικό πιο ευρύχωρο.

Εικόνα 41: Αεροδυναμική οχημάτων στις ΗΠΑ, δεκαετία του 1930.

Εικόνα 42: Απεικόνιση της ροής γύρω από το όχημα του Lange, σχεδιασμένο από τον K. Schloer, 1938.

Εικόνα 43: Σχέδιο του πλαισίου του αυτοκινήτου Schloer, 1938.

Με το πέρασμα του χρόνου, το αυτοκίνητο του Schlor έχει ερευνηθεί σε τρεις διαφορετικές κλίμακες: ένα πρότυπο 1:5, ένα γνήσιο μοντέλο (1:1) στο AVA, και ένα πρότυπο 1:4 που επαναπαρήχθη από την VOLKSWAGEN χρησιμοποιώντας τις γραμμές της εικόνας

43. Οι τιμές αντίστασης συντάσσονται στην εικόνα 44. Η τετμημένη είναι η απόσταση από το έδαφος και αφορά το συνολικό ύψος του αυτοκινήτου. Μακριά από το έδαφος, το πρότυπο είχε έναν συντελεστή αντίστασης ακόμα χαμηλότερο από αυτόν των τμημάτων φτερών από τα οποία προήλθε. Το πραγματικό αυτοκίνητο, που μετρήθηκε στη μεγάλη σήραγγα αέρα AVA (ελλειπτικό ακροφύσιο, έξοδος 7 m Χ 4,5 m), είχε CD = 0,186, συγκρίσιμο αρκετά με το CD = 0,189 που προήλθε από τις δοκιμές που εκτελέσθηκαν στο Technical University στο Αννόβερο. Εντούτοις, αυτός ο χαμηλός συντελεστής αντίστασης πρέπει να εξεταστεί μαζί με την πολύ μεγάλη μετωπική επιφάνεια του αυτοκινήτου του Schlor, Α = 2,54 m2, που προκύπτει κυρίως από το μεγάλο πλάτος των 2,10 m, απαραίτητων για να επιτραπεί μια αρκετά μεγάλη γωνία στροφής τιμονιού, με τις πλήρως καλυμμένες μπροστινές ρόδες. Αυτή η μεγάλη μετωπική επιφάνεια, πρέπει να εξεταστεί ως τμήμα προτύπου του αυτοκινήτου SCHLOR. Οι δοκιμές δρόμου με το αυτοκίνητο Schlor έχουν αναφερθεί από τους Μ. HANSEN και Κ. SCHLOR.

Εικόνα 44: Συντελεστής οπισθέλκουσας συναρτήσει της απόστασης από το έδαφος, με μοντέλα από το αυτοκίνητο Schloer έως το πραγματικό αυτοκίνητο Schloer.

Οι Μ. HANSEN και Κ. SCHLOR επέκτειναν τις δοκιμές τους και στην ευστάθεια κατά των πλαγίων ανέμων. Από τα στοιχεία που παρατίθενται στην εικόνα 45, είναι εμφανές ότι η δύναμη εκτροπής από την πορεία, που τείνει να γυρίσει το αυτοκίνητο από τον αέρα, είναι πράγματι υψηλότερη για τα αεροδυναμικά βελτιωμένα απ' ό,τι για τα συμβατικά αυτοκίνητα. Η συγκριτικά χαμηλή δύναμη εκτροπής από την πορεία του αυτοκινήτου του Lange οφείλεται στη μεγάλη προεξοχή του στο οπίσθιο τμήμα. Η πλευρική δύναμη είναι χαμηλή για το αυτοκίνητο του Schlor. Εάν τα αυτοκίνητα χαμηλής αντίστασης είναι ή όχι πιο ευαίσθητα στους πλάγιους ανέμους δεν αποφασίζεται βάσει των αεροδυναμικών δεδομένων μόνο, η απάντηση προκύπτει μαζί με τους μηχανικούς οχημάτων. Στην Ευρώπη, όλη η δραστηριότητα στην αεροδυναμική οχημάτων τερματίστηκε απότομα με το ξέσπασμα του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου. Ένας συνδυασμός της εργασίας από τη Στουτγάρδη (δηλαδή η «Kamm – back») με τα αποτελέσματα από το Gottingen (δηλαδή το αυτοκίνητο του Lange και του Schlor) δεν εκτελέσθηκε. Και με το τέλος της παραγωγής των μη στρατιωτικών οχημάτων, όλες οι πιθανότητες της εισαγωγής των αποτελεσμάτων που προέκυψαν, στην μαζική παραγωγή, εκμηδενίστηκαν.

2.6 Το πλαίσιο «μπανιέρα»

Μετά από τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο, η παραγωγή αυτοκινήτων ξεκίνησε ξανά, διαφορετικά για ΗΠΑ και Ευρώπη. Ενώ στην Ευρώπη άρχισε με τα προπολεμικά πρότυπα, οι Αμερικανικές εταιρίες προώθησαν αυτοκίνητα βασισμένα σε ένα εξ ολοκλήρου νέο σχέδιο, τη διαμόρφωση τριών όγκων: από έναν όγκο ξεχωριστά, για τη μηχανή, τους επιβάτες, και τις αποσκευές (βλ. εικόνα 46 (α)). Από τις αρχές του 1940 αυτό το σχεδιαστικό πρότυπο εξελίχθηκε από τον HOWARD DARRIN, με το προσωνύμιο «μπανιέρα». Ο H.J. KAISER ήταν ο πρώτος που το εφάρμοσε σε μοντέλο το 1946. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα για αυτό που στην Ευρώπη αποκαλείται πλωτό πλαίσιο φαίνεται στην εικόνα 46 (β), το Ford Lincoln του 1949.

Εικόνα 45: Στιγμή εκτροπής και συντελεστές πλευρικών δυνάμεων από τέσσερα διαφορετικά είδη αυτοκινήτων, από τους Hansen & Schloer, 1938.

Αρχικά, το πλωτό πλαίσιο άφηνε λίγα περιθώρια για αεροδυναμική διαμόρφωση. Εντούτοις, οι επίπεδες επιφάνειες, οι ενσωματωμένοι προβολείς και οι προφυλακτήρες, οι καλά στρογγυλεμένες «άκρες», και το κεκλιμένο παρμπρίζ, όλα ήταν καλά για τη βελτίωση της ροής γύρω από ένα όχημα. Συνεπώς, ο μέσος συντελεστής αντίστασης μειώθηκε από το 0,55 στο 0,45, δηλ., κατά σχεδόν 20%. Αντίστοιχα, η μετωπική περιοχή στένεψε και ήρθε πιο κοντά στο εργονομικό όριό της. Με λίγη μόνο βοήθεια από τους σχεδιαστές αεροδυναμικής, η αεροδυναμική των αυτοκινήτων βελτιώθηκε αρκετά.

Για πολύ καιρό, η αεροδυναμική ενέμεινε σε αυτό το επίπεδο. Μέσα στην αυτοκινητοβιομηχανία ήταν κοινή προκατάληψη ότι η χαμηλότερη αντίσταση θα μπορούσε να επιτευχθεί μόνο με τα χαρακτηριστικά αεροδυναμικά σχέδια της δεκαετίας του '30 που, όπως όλοι θυμούνται, δεν ήταν τίποτα αλλά ήταν αποδεκτά από το αγοραστικό κοινό. Εντούτοις, μερικοί κατασκευαστές τόλμησαν να μείνουν μακριά από αυτήν την προκατάληψη, αλλά όλοι απέτυχαν, επιβεβαιώνοντας την κατά συνέπεια για να είναι σωστοί. Η Panhard έπρεπε να σταματήσει. Η Citroen, που κατείχε ηγετική θέση στην αεροδυναμική (βλ. εικόνα 47), έχασε την ανεξαρτησία της ως επιχείρηση. Εντούτοις, εάν οι αποτυχίες των Panhard και Citroen οφείλονταν ή όχι στη σχεδιαστική εμμονή των «Dyna» «ID» και «GS» είναι θέμα άποψης, ακριβώς όπως είναι, όσον αφορά την αποτυχία του RUMPLER.

Μόνο η Porsche, κατασκευαστής σπορ αυτοκινήτων σε μια ιδιαίτερη αγορά, ήταν επιτυχής με την αεροδυναμική. Τα κύρια σημεία της εξέλιξης της Porsche παρατάσσονται στην εικόνα 48. Τα πρώτα μοντέλα, 356 Α και Β, σχεδιάστηκαν σύμφωνα με τις γραμμές του JARAY. Τα διάσημα 911 θυμίζουν τη μορφή Lange, και το ίδιο πράγμα ισχύει για τα μοντέλα 924 έως 964, και τη μεγάλη 928. Όσον αφορά την τεχνολογική πρόοδο, για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, τα σπορ αυτοκίνητα είχαν τον ρόλο του προπομπού για τα αυτοκίνητα μεγάλου παραγωγικού όγκου, και αυτό ίσχυε και για την αεροδυναμική επίσης. Η έμφασή τους στην απόδοση και την οδική συμπεριφορά άνοιξε την πόρτα για την αεροδυναμική, η οποία ήταν αναπτυγμένη περαιτέρω με τα αγωνιστικά αυτοκίνητα.

(α)

(β)

Εικόνα 46: α) Αμάξωμα τριών όγκων, σχηματικά. β) Ford Lincoln Continental, 1949.

Εικόνα 47: Αυτοκίνητα Citroen από το 1955 έως το 1982.

Εικόνα 48: Αυτοκίνητα Porsche από το 1950 έως το 1977.2.7 Επαγγελματικά οχήματα Η ανάγκη για μεγάλα φορτηγά και λεωφορεία προέκυψε με την κατασκευή των συστημάτων μεγάλων δρόμων το 1930. Πριν από την κατασκευή των «Autobahn», «autostrada», αυτοκινητοδρόμων, και οδών ταχείας κυκλοφορίας, η μαζική μεταφορά των εμπορευμάτων και των ανθρώπων πραγματοποιούνταν πρωτίστως με τρένα. Τα πρώτα φορτηγά και τα λεωφορεία δεν ήταν τίποτα άλλο, παρά επιμηκημένα επιβατικά αυτοκίνητα. Συνεπώς, εφαρμόστηκαν οι ίδιες αρχές αεροδυναμικής σχεδίασης: αρχικά γραμμές Jaray, αργότερα η «Kamm - back». Ο R.J.F. KIESELBACH έχει τεκμηριώσει αυτήν την περίοδο με πολλές φωτογραφίες και σκίτσα σχεδίων.

Μόνο με την εισαγωγή του «τραμ – λεωφορείου» από τον F. GAUBSCHAT το 1936, το σχήμα των λεωφορείων απομακρύνθηκε μακριά από τα αυτοκίνητα. Με τη μηχανή κάτω από το πάτωμα - ή αργότερα στο οπίσθιο τμήμα - περισσότερα καθίσματα μπορούσαν να τοποθετηθούν μέσα στο οποιοδήποτε δεδομένο γενικό μήκος. Το εμπρός μέρος του «τραμ – λεωφορείου» στρογγυλεύτηκε εξαιρετικά καλά (βλ. εικόνα 49), πολύ περισσότερο από το απαραίτητο για τη χαμηλή αντίσταση. Πιθανώς ο GAUBSCHAT δεν γνώριζε τα αποτελέσματα του F. W. PAWLOWSKI που είχε δημοσιεύσει ήδη το 1930. Όπως φαίνεται στην εικόνα 50, που είναι μια αναπαραγωγή από το αρχικό σχέδιο, οι συγκριτικά μικρές μπροστινές ακτίνες είναι επαρκείς για να αποδώσουν στην ελάχιστη αντίσταση για ένα τετραγωνισμένο όχημα. Αν και αυτό το αποτέλεσμα επιβεβαιώθηκε από τον W. E. LAY το 1933, ακόμη και με οδικές δοκιμές, και αν και αυτή η εύρεση έχει επαναληφθεί αρκετές φορές, αυτό δεν εφαρμόστηκε για πολύ, ακόμη και από τους ιδιαίτερα φημισμένους ειδικούς της μηχανικής ρευστών.

Εικόνα 49: Το «τραμ – λεωφορείο» από τον F. Gaubschat, 1936.

Εικόνα 50: Επίδραση της ακτίνας γωνίας στην αντίσταση ενός ορθογώνιου κουτιού, γνήσιο γράφημα του F. W. Pawlowski, 1930. k = CD/2

Εικόνα 51: Πίσω τμήμα λεωφορείου μετά τους Jaray και Kamm, από τον R. V. Fachsenfeld.

Το 1936 εισήχθη στην σχεδίαση των λεωφορείων η «Kamm - back», βασισμένη στα ήδη αναφερθέντα πειράματα του R. V. KOENIG - FACHSENFELD. Επειδή επέτρεπε την τοποθέτηση μιας περισσότερης σειράς καθισμάτων έναντι της σχεδίασης Jaray (βλ. εικόνα 51), έγινε πολύ αποδεκτή στην πράξη. Σήμερα, το επίπεδο πίσω μέρος είναι χαρακτηριστικό για όλα τα είδη λεωφορείων. Εντούτοις, αυτό το επίπεδο πίσω μέρος δεν είναι «Kamm - back». Η κωνικότητα στο οπίσθιο τμήμα (τύπου πρύμνης) δεν εφαρμόζεται, επειδή θα οδηγούσε στην απώλεια ενός ή δύο καθισμάτων στην τελευταία σειρά. Ένα πραγματικό ορόσημο στην αεροδυναμική των επαγγελματικών οχημάτων επιτεύχθηκε από την σχεδίαση του εμπρός τμήματος του VOLKSWAGEN VAN από τον Ε. MOLLER το 1951. Εκτός από τη δραστική μείωση της αντίστασης, υπήρξαν άλλοι δυο λόγοι για την ευρεία αναγνώριση αυτής της εργασίας: πρώτον, η μοναδική θέση στην αγορά που κατείχε αυτό το Van για πολύ καιρό παγκοσμίως, και δεύτερον, η αναφορά που έγινε σε αυτό από τον Η. SCHLICHTING στο διάσημο βιβλίο του Boundary Layer Theory (βλ. εικόνα 52).

Εικόνα 52: Ανάπτυξη μπροστινού τμήματος του VW Van, από τον E. Moeller, 1951.

Ωστόσο, ακόμη και το βαν της Volkswagen δεν έκανε χρήση της προηγούμενης εργασίας του PAWLOWSKI. Το μπροστινό τμήμα του πρώτου van ήταν πολύ πιο στρογγυλεμένο από το απαραίτητο για να διατηρήσει την ροή που προσκολλημένη και να επιτευχθεί η σχετικά χαμηλή αντίσταση. Το πρώτο ελαφρύ επαγγελματικό όχημα, που σχεδιάστηκε σύμφωνα με τις ιδέες του PAWLOWSKI ήταν το Volkswagen LT (Light Truck). Η βασική δουλειά έγινε πάνω σ’ ένα μοντέλο κλίμακας ενός τετάρτου, το 1969. Τα στοιχεία αυτού του οχήματος δεν δημοσιεύτηκαν, -μαζί με τις μετρήσεις της κανονικής κλίμακας- έως το 1976 (βλ. εικόνα 53 van Β). Περαιτέρω λεπτομέρειες ακολούθησαν το 1977. Όπως προκύπτει καθαρά το συμπέρασμα από την εικόνα 53, ένας μη – διαστατικός λόγος r / b = 0,045, αρκεί για να διατηρηθεί η ροή προσκείμενη γύρω από μια γωνία. Η «βελτιστοποίηση» του κεκλιμένου εμπρός τμήματος, κατέστη πλέον πάγια πρακτική για τα λεωφορεία, τα κουβούκλια των φορτηγών, και μερικές φορές ακόμη και για τα ρυμουλκούμενα.

Εικόνα 53: Βελτιστοποίηση λεπτομέρειας στο VW LT 1.

Ένα ακόμη βήμα για τη βελτίωση της αεροδυναμικής φορτηγών ήταν η εφεύρεση της αεροτομής στο κουβούκλιο. Οδικές δοκιμές που διενεργήθηκαν από τον A.W. SHERWOOD στο Πανεπιστήμιο του Maryland, το 1953, κατέδειξαν ότι μια μείωση της αντίστασης ήταν δυνατή, χρησιμοποιώντας μια αεροτομή (σπόιλερ) οροφής, έτσι ώστε να κατευθύνει τον αέρα από την οροφή του κουβουκλίου προς την οροφή της καρότσας, χωρίς διαχωρισμό της ροής. Λόγω της σχετικής κίνησης μεταξύ καμπίνας και ρυμουλκούμενου, η χρήση του συγκεκριμένου σπόιλερ ήταν ανέφικτη. Το 1961 η αμερικανική εταιρεία Rudkin Wiley ήταν η πρώτη που βγήκε με ένα πρακτικό «πτερύγιο» στην κορυφή της καμπίνας με την ονομασία «Airshield».

Αργότερα ο W.S. Saunders, ισχυρίστηκε ότι ήταν ο εφευρέτης μιας διάταξης που ονομαζόταν «Cabspoiler», αλλά το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του χορηγήθηκε το 1966. Στην πραγματικότητα,

παρόμοιες αεροτομές ήταν γνωστές εδώ και πολύ καιρό. Τα αποτελέσματα του Κ. FREY από το 1933 έδειξαν πώς ροή θα μπορούσε να επηρεαστεί από τα κατευθυντήρια σταθερά πτερύγια, και πτερύγια οδηγοί για ατμομηχανές, που εφευρέθηκαν από τον A. Betz ήδη από το 1922, είχαν ευρεία χρήση. Το πόσο καλά τέτοιες αεροτομές μπορούν να καθοδηγήσουν την ροή πάνω από τον ανοικτό χώρο μεταξύ καμπίνας και ρυμουλκούμενου φαίνεται στην εικόνα 54. Η ευκολία με την οποία τέτοιες αεροτομές μπορούν να εφαρμοστούν και να ταιριάξουν με ένα όχημα, έχει προωθήσει την ευρεία αξιοποίηση τους καθημερινά στα φορτηγά.

Εικόνα 54: Αεροτομή καμπίνας σε τράκτορα της ΜΑΝ.

2.8 Μοτοσικλέτες

Οι σχεδιαστές των μοτοσικλετών ανακάλυψαν τις δυνατότητες της αεροδυναμικής αρκετά αργά. Για της μηχανές επιδόσεων η πλήρης χρήση των σπόιλερ (fairings) κατέστη προφανής, αλλά το ίδιο

συνέβη και με τους περιορισμούς τους με σεβασμό όσον αφορά την οδήγηση. Επιπλέον, μοτοσικλέτες με σπόιλερ αποδείχθηκαν εξαιρετικά ευαίσθητες στους πλάγιους ανέμους. Λεπτομέρειες για την αεροδυναμική της μοτοσικλέτας εκπονήθηκαν από τους H. SCHLICHTING και Ν. SCHOLZ, στο πλαίσιο της προετοιμασίας για ένα ρεκόρ ταχύτητας. Για λογαριασμό της NSU AG, πραγματοποίησαν δοκιμές σε σήραγγα αέρα με μοντέλα κλίμακας 1:5.

Στην εικόνα 55 φαίνεται καθαρά το κέρδος στις επιδόσεις με την χρήση σπόιλερ μορφής «ψαριού». Η μεγάλη ουρά ήταν αναγκαία έτσι ώστε να μειωθεί η ευαισθησία στους πλάγιους ανέμους σε ένα επίπεδο το οποίο ο οδηγός μπορεί να διαχειριστεί. Οι μοτοσικλέτες τουρισμού ακολουθούν το παράδειγμα των μηχανών επιδόσεων πολύ αργότερα, με τη ορισμένων μόνο σπόιλερ. Με «fairing» ή όχι, αυτή είναι η φιλοσοφία της ζωής των μοτοσικλετιστών.

Εικόνα 55: «Fairing» σε αγωνιστική μοτοσικλέτα το 1950, H. Schlichting.

3.Παρόν και Μέλλον

Τεχνολογία Αιχμής

Όταν χρησιμοποιείται ο όρος «τεχνολογία αιχμής», αυτό συνήθως αναφέρεται στο σημερινό υψηλότερο επίπεδο της τεχνολογικής ανάπτυξης. Κανονικά το «πεδίο» του μέσου προϊόντος είναι πολύ πιο πίσω. Το ίδιο ισχύει και για την αεροδυναμική του οχήματος. Όπως φαίνεται από τα στατιστικά στην εικόνα 56, ο μέσος συντελεστής οπισθέλκουσας των αυτοκινήτων που πωλήθηκαν στην Ευρωπαϊκή αγορά το 1995, ήταν CD = 0.35. Ελάχιστα μόνο από τα σημερινά αυτοκίνητα έχουν καλύτερο από CD = 0.30. Τα πολλά αυτοκίνητα πάνω από αυτή τη τιμή εκφράζουν το αναπτυξιακό δυναμικό, σε σχέση με την τεχνολογική ανάπτυξη, που εξακολουθεί να υφίσταται.

Το πόσο ελκυστικό είναι για να αξιοποιηθούν αυτές οι δυνατότητες, πρέπει να εξεταστεί υπό το πρίσμα της οικονομίας καυσίμου. Η καλή οικονομία καυσίμου, και όχι ο χαμηλός συντελεστής οπισθέλκουσας από μόνος του, είναι ο στόχος της ανάπτυξης της αεροδυναμικής. Υπάρχει ένας κανόνας που συσχετίζει την μείωση της αντίστασης με την μείωση της κατανάλωσης καυσίμων:

όπου το B είναι, στους ευρωπαϊκούς όρους, η κατανάλωση καυσίμων σε L/100 χλμ πριν από τη μείωση της αντίστασης D. Το σύμβολο Δ δείχνει τη μείωση της αντίστασης D και της κατανάλωσης καυσίμων Β. Ο αναλογικός παράγων ε στη συνάρτηση (1.4), η «αποτελεσματικότητα», εξαρτάται από τον κύκλο οδήγησης για τον οποίο αξιολογείται η κατανάλωση. Για να δοθούν κάποιες εκτιμήσεις εδώ, ε = 0,3 έως 0,4 για τον (ανεπίσημο) «Ευρωπαϊκό Μικτό» κύκλο, και ε = 0,25 για τον συνδυασμένο κύκλο EPA. Η μικρότερη αποτελεσματικότητα ε μιας μείωσης αντίστασης για τον συνδυασμένο κύκλο EPA οφείλεται στο χαμηλότερο όριο ταχύτητας του τμήματος των εθνικών οδών, αυτού του κύκλου. Την 1η Ιανουαρίου του 1996, ο Ευρωπαϊκός Μικτός

κύκλος αντικαταστάθηκε από τον NEFZ (Neuer Europaischer Fahrzylclus, νέος ευρωπαϊκός οδηγικός κύκλος) που, όσον αφορά τη μέση ταχύτητά του, είναι παρόμοιος με τον συνδυασμένο κύκλο EPA.

Εικόνα 56: Ιστόγραμμα CD – αυτοκινήτων που πωλήθηκαν στην Ευρώπη το 1995.

Προσφέρονται δύο διαφορετικές διαδρομές για τη μείωση της αεροδυναμικής αντίστασης: μειώνοντας την μετωπική επιφάνεια Α, και βελτιώνοντας τη μορφή της, η αεροδυναμική ποιότητα της οποίας χαρακτηρίζεται από το συντελεστή οπισθέλκουσάς CD. Η πρώτη δεν είναι πλέον επιλογή. Μέσα σε κάθε μεμονωμένη κατηγορία αυτοκινήτων η μετωπική επιφάνεια έχει περιοριστεί ήδη στο χαμηλότερο όριό της. Αυτό καταδεικνύεται στην εικόνα 57 (a) για τις χαρακτηριστικές κατηγορίες αυτοκινήτων στην Ευρώπη.

Μέσα στα στενά όρια, όλοι οι κατασκευαστές έχουν φθάσει σχεδόν στους ίδιους αριθμούς, και ο τύπος Α = 0,81•(b•h), που παράγεται εμπειρικά από τους H. FLEGL και U. BEZ, δίνει μια πολύ καλή εκτίμηση. Η εικόνα 57 (b) δείχνει πόσο καλά το μέτρο της μετωπικής επιφάνειας Α, δίνει το φερόμενο βάρος του αυτοκινήτου. Υπάρχουν

ενδείξεις που αυτός ο συσχετισμός θα διατηρηθεί και στο μέλλον. Παρά τις όλες προσπάθειες να μειωθεί το βάρος των αυτοκινήτων, το βάρος των ευρωπαϊκών αυτοκινήτων έχει αυξηθεί. Υπάρχουν τουλάχιστον δύο λόγοι για αυτήν την ανεπιθύμητη τάση: άνεση και ασφάλεια. Από την άλλη πλευρά, η μετωπική επιφάνεια θα αυξηθεί. Πάλι, υπάρχουν δύο λόγοι: οι άνθρωποι γίνονται ψηλότεροι, και μαζί με την τάση για κοντύτερα αυτοκίνητα πρέπει να κάθονται κατακόρυφα.

Το «εναπομένων» μέτρο για την μείωση της αντίστασης ενός οχήματος είναι μέσω της μορφής του. Πώς, κατά τη διάρκεια των ετών, έχει γίνει χρήση των καλύτερα διαμορφωμένων επιβατικών αυτοκινήτων θα παρουσιαστεί στα παρακάτω γραφήματα. Η σχετική ευρωπαϊκή ιστορία συντάσσεται στην εικόνα 58, το εύρος ζώνης των στοιχείων για οποιοδήποτε δεδομένο έτος έχει ληφθεί από ιστογράμματα όπως αυτό στην εικόνα 56. Η ανάπτυξη από το πλαίσιο τύπου κάρου στο πλαίσιο τριών όγκων συνοδεύθηκε με μια μείωση αντίστασης από το CD ≈ 0.8 στο CD ≈ 0.45. Αυτός ο αριθμός παρέμεινε σχεδόν αμετάβλητος κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '60. Η επόμενη κάθοδος στη χαμηλότερη αντίσταση άρχισε στην αρχή της δεκαετίας του 1970. Η πρώτη κρίση πετρελαίου κατά τη διάρκεια του χειμώνα του 1973-74 κατέστησε την αυτοκινητοβιομηχανία έτοιμη να δεχτεί τα επιχειρήματα της αεροδυναμικής, και έτσι μια τάση προς τη χαμηλότερη αντίσταση έγινε μάλλον έντονη.

Προς το παρόν μια μειωμένη τάση φαίνεται να εξαφανίζεται πάλι. Τα αυτοκίνητα με συντελεστή οπισθέλκουσας χαμηλότερο από CD = 0,30 είναι ακόμα πολύ σπάνια. Αυτός ο «κορεσμός» είναι μακριά από το να έχει τη βάση του στους μηχανικούς ρευστών. Συντελεστές οπισθέλκουσας τόσο χαμηλοί όπως αυτόν του ημιπλαισίου του KLEMPERER, CD = 0.15, έχουν επιτευχθεί με διάφορα ερευνητικά οχήματα, και το CD = 0.25 έχει πραγματοποιηθεί με πρωτότυπα πολύ κοντά στα μαζικά παραγόμενα αυτοκίνητα.

Εικόνα 57: Μετωπική επιφάνεια Α των Ευρωπαικών κλάσεων αυτοκινήτων και ο συσχετισμός της με την μάζα m.

Ο λόγος πίσω από αυτήν την στασιμότητα φαίνεται να είναι (τουλάχιστον στο ευρωπαϊκό περιβάλλον) η μεγάλη δυσκολία για την περαιτέρω μείωσης της μάζας των συμβατικών αυτοκινήτων. Η χαμηλότερη αεροδυναμική αντίσταση θα επέτρεπε τη χρήση λιγότερο ισχυρών κινητήρων, διατηρώντας τη μέγιστη ταχύτητα (που είναι ακόμα ένα σημαντικό στοιχείο πωλήσεων στην Ευρώπη!) στα παραμένοντα επίπεδά της. Οι μικρότερες μηχανές, κατά μέσο όρο, θα λειτουργούσαν με μεγαλύτερη αποδοτικότητα με κατά συνέπεια καλύτερη κατανάλωση καυσίμων.

Μόνο και τα δύο μέτρα συνολικά, τη χαμηλότερη αντίσταση και τη μικρότερη δύναμη των κινητήρων, θα οδηγούσαν σε μια αξιοπρόσεκτη βελτίωση στην οικονομία καυσίμων. Εντούτοις, εάν η μάζα ενός αυτοκινήτου δεν μειωθεί επαρκώς, οι μικρότεροι

κινητήρες θα οδηγούσαν σε μια απώλεια απόδοσης, και αυτό δεν θα γίνει αποδεκτό από το κοινό.

Εικόνα 58: Ιστορία του συντελεστή οπισθέλκουσας CD των Ευρωπαϊκών επιβατικών αυτοκινήτων, σε σύγκριση με τις ρυθμίσεις χαμηλής αντίστασης, και ένα όχημα ερευνών, το Ford Probe V.

Στις ΗΠΑ, η διαμόρφωση των αυτοκινήτων για χαμηλή αντίσταση ήταν τόσο επιτυχής όσο και στην Ευρώπη. Το σχέδιο 1.59 παρουσιάζει την ιστορία αεροδυναμικής αντίστασης των Chrysler. Η Ford σχεδίασε τον ισορροπημένο (για τις πωλήσεις) μέσο συντελεστή οπισθέλκουσας, όπως φαίνεται στο σχέδιο 1.60. Τέλος, η General Motors παρείχε τα στοιχεία δύο συγκεκριμένων προτύπων (βλ. το σχέδιο 1.61). Κατά μέσο όρο, η μείωση της αντίστασης είναι παραπλήσια και για τις τρεις εταιρίες και συγκρίνεται πολύ καλά με την τάση που επικρατεί στην Ευρώπη.

Εικόνα 59: Ιστορία της αντίστασης από την γραμμή της Chrysler.

Εικόνα.60: Ιστορία της αντίστασης από την γραμμή παραγωγής της Ford, ΗΠΑ, βασισμένη στις πωλήσεις.

Εικόνα 1.61: Ιστορία της αντίστασης από δύο μεγάλα σεντάν της GM, a) Cadillac, b) Buick.3.2 Βελτιστοποίηση λεπτομέρειας Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1960, ο αρχικός στόχος της αεροδυναμικής οχημάτων, η αντίσταση, παρέμεινε σχεδόν αμετάβλητος. Αυτή η μακράς διαρκείας στασιμότητα υπερνικήθηκε μόνο από μια απλή στρατηγική που καλείται «βελτιστοποίηση λεπτομέρειας». Αυτή η περίοδος ορίζεται ως η τρίτη φάση στην αεροδυναμική οχημάτων στην εικόνα 10. Μια αξιολόγηση της βιβλιογραφίας που εξετάζει τις παραμέτρους παραλλαγής των γενικών μορφών – η εργασία του PAWLOWSKI (βλ. εικόνα 50) έχει αναφερθεί ήδη - καθώς επίσης και τα στοιχεία από την ανάπτυξη των πραγματικών αυτοκινήτων, οδήγησαν στη διαπίστωση ότι πολύ συχνά μόνο οι δευτερεύουσες τοπικές τροποποιήσεις απαιτούνται για να επιτύχουν μια συγκριτικά μεγάλη μείωση της αντίστασης. Η στρατηγική που διαμορφώνεται γύρω από αυτήν την αντίληψη έχει περιγραφεί από τους W. - H. HUCHO, L. J. JANSSEN και H. -J. EMMELMANN. Εδώ θα περιγραφεί εν συντομία η βασική ιδέα.

Το στιλιστικό ύφος ενός αυτοκινήτου πρέπει να γίνει δεκτό ως δοθέν από τον σχεδιαστή αεροδυναμικής. Όλες οι τροποποιήσεις στη μορφή πρέπει να είναι τόσο δυσδιάκριτες που να μην αλλάζουν το βασικό σχέδιο. Λεπτομέρειες όπως η κλίση των ακρών και των κολώνων, το κύρτωμα των επιφανειών, οι εκλεπτύνσεις, το μέγεθος και η τοποθέτηση των spoiler, ποικίλουν σε μικρές αυξήσεις, αρχικά μία κάθε φορά, αλλά, όταν χρειάζεται, ταυτόχρονα έτσι ώστε να αξιολογηθούν οι αλληλεπιδράσεις. Τα αποτελέσματα ήταν εκπληκτικά, όπως φαίνεται στην εικόνα 62. Ο σχεδιαστής παρέδωσε το πρότυπό του, VOLKSWAGEN Scirocco Ι, με έναν συντελεστή οπισθέλκουσας CD = 0,50. Χωρίς να αλλαχτεί το "σκληρό" ύφος που ευνοήθηκε εκείνη την περίοδο, η αντίσταση μειώθηκε στο CD = 0,41 από τη βελτιστοποίηση των λεπτομερειών. Αυτός ο αριθμός ήταν τόσο καλός όσο αυτός που επιτεύχθηκε με ένα αυτοκίνητο σχεδιασμένο για να φαίνεται αεροδυναμικό, το Opel GT (που είχε το προσωνύμιο «Mini Corvette» στις ΗΠΑ).

Εικόνα 62: Σύγκριση του αεροδυναμικά σχεδιασμένου Opel GT MY 1969 (CD = 0.41, A = 1.51 m2), με το VW Scirocco I MY 1974 (CD = 0.41, A = 1.73 m2), σχεδιασμένο με βελτιστοποίηση λεπτομέρειας.

Πολύ σύντομα η στρατηγική της βελτιστοποίησης λεπτομέρειας έφθασε στα όριά της. Συντελεστές οπισθέλκουσας χαμηλότεροι από το 0,40 μπορούσαν μετά βίας να επιτευχθούν. Οι περισσότεροι από τους σχεδιαστές εφάρμοσαν τη γνώση που αποκτήθηκε με τα προηγούμενα πρότυπα, προβλέποντας περισσότερο τις απαιτήσεις της αεροδυναμικής. Συνεπώς τα περιθώρια ελιγμών για τους σχεδιαστές αεροδυναμικής στένεψαν. Εντούτοις, η βαθμιαία διαδικασία είχε ανοίξει την ορθολογική συζήτηση μεταξύ του

προσωπικού των σχεδιαστών και των σηράγγων αέρα, και είχε προετοιμάσει το έδαφος για το επόμενο, ακόμη περισσότερο εκτεταμένο βήμα.

3.3 Βελτιστοποίηση Μορφής

Η πρώτη πετρελαϊκή κρίση κατά τη διάρκεια του χειμώνα του 1973-74 έβαλε την οικονομία καυσίμων στο επίκεντρο της εξέλιξης των αυτοκινήτων. Συνεπώς, η ετοιμότητα των μηχανικών οχημάτων να εκμεταλλευτούν τη δυνατότητα της αεροδυναμικής αυξήθηκε. Οι σχεδιαστές αεροδυναμικής ήταν καλά προετοιμασμένοι γι’ αυτήν την κατάσταση. Κατά την προσέγγιση των ορίων της βελτιστοποίησης λεπτομέρειας, στη VOLKSWAGEN ένα ερευνητικό πρόγραμμα άρχισε για να επαναξιολογεί τις ιδέες των JARAY και KLEMPERER από τις αρχές του 1920. Αυτό άνοιξε την τέταρτη, ακόμα διατηρηθείσα, περίοδο της αεροδυναμικής οχημάτων (όπως φαίνεται και στην εικόνα 10). Η φιλοσοφία αυτής της στρατηγικής είναι η ακόλουθη.

Η αεροδυναμική ανάπτυξη αρχίζει με ένα «βασικό πλαίσιο», που είναι ένα πλαίσιο ενός όγκου που έχει τις κύριες διαστάσεις (μήκος, ύψος, πλάτος) του τελικού αυτοκινήτου. Στον Pininfarina και στη VOLKSWAGEN αναπτύχθηκαν στη δεκαετία του '70 βασικά πλαίσια των οποίων οι συντελεστές οπισθέλκουσας ήταν τόσο χαμηλοί όσο σχεδόν αυτός του προτύπου KLEMPERER, αλλά χωρίς το μειονέκτημα του να απέχουν τόσο μακριά από τα αυτοκίνητα κυκλοφορίας (βλ. κάτω στο σκίτσο της εικόνας 58). Σε μια σειρά πολλών μικρών βημάτων, παρόμοιων με τη βελτιστοποίηση της λεπτομέρειας, η μορφή αυτού του βασικού πλαισίου πλησίαζε όλο και πιο κοντά σε αυτή ενός πραγματικού αυτοκινήτου, με συνέπεια η «βασική μορφή» να χρησιμεύει ως η αφετηρία για το σχέδιο. Το πρώτο αυτοκίνητο που σχεδιάστηκε ανάλογα με αυτήν την προσέγγιση ήταν το Audi 100 III (βλ. εικόνα 63). Η Audi απαίτησε το «παγκόσμιο πρωτάθλημα» για το συντελεστή οπισθέλκουσας του, με CD = 0.30.

Εικόνα 63: Το πρώτο αυτοκίνητο που σχεδιάστηκε με τη βελτιστοποίηση μορφής, το Audi 100 III του 1978, CD = 0.30, A = 2.05 m2.

Αργότερα, τα βασικά πλαίσια χρησιμοποιήθηκαν άμεσα για τα αυτοκίνητα ενός όγκου. Είναι μάλλον αβέβαιο εάν αυτή η μορφή θα γίνει αποδεκτή ευρέως για τα τετράθυρα αυτοκίνητα. Εντούτοις, βρήκαν την εφαρμογή τους στα μικρά φορτηγά (Van), μια κατηγορία οχημάτων που κερδίζει αυξανόμενη αποδοχή στην αγορά (βλ. εικόνα 64).

Κατά τη διάρκεια της καθημερινής εργασίας οι δύο στρατηγικές, της βελτιστοποίησης λεπτομέρειας και της βελτιστοποίησης μορφής, δεν είναι τόσο αυστηρά χωρισμένες όπως περιγράφεται εδώ. Πραγματικά, λίγο ή πολύ συνυπάρχουν. Η ερώτηση που πρέπει να υπογραμμιστεί σχετικά με άλλες, εξαρτάται από το στόχο της ανάπτυξης, όπως υποδεικνύεται με την εικόνα 65.

Εικόνα 64: Το ενός όγκου VW Sharan MY 1995, με CD = 0.31, A = 2.68 m2.

Εικόνα 65: Εναλλακτικοί τρόποι για σχήματα χαμηλής αντίστασης.

3.4 Δαπάνες ανάπτυξης Η αεροδυναμική ανάπτυξη των μηχανοκίνητων οχημάτων είναι ακριβή. Πολύ κεφάλαιο πρέπει να επενδυθεί στις εγκαταστάσεις δοκιμών όπως οι σήραγγες αέρα και οι κλιματολογικές σήραγγες. Τα πρότυπα είναι δαπανηρά, και στην αρχή μιας συγκεκριμένης ανάπτυξης διάφορες σχεδιαστικές εναλλακτικές λύσεις πρέπει να ακολουθηθούν. Κάθε πρότυπο πρέπει να βελτιστοποιηθεί με την ίδια προσοχή επειδή δεν είναι γνωστό a priori ποιο τελικά θα επιλεχτεί. Οι ιδιαίτερες δαπάνες προκύπτουν από την ίδια την εργασία. Μια ομάδα ιδιαίτερα καταρτισμένου προσωπικού απαιτείται: σχεδιαστές αεροδυναμικής, μηχανικοί δοκιμών, χειριστές δοκιμής δυνατοτήτων, και κατασκευαστές προτύπων. Επιπλέον, η αεροδυναμική ανάπτυξη εκτελείται ως επαναληπτική διαδικασία μεταξύ του σχεδιαστικού στούντιο και της σήραγγας αέρα, και αυτό χρειάζεται χρόνο. Πόσος χρόνος απαιτείται, εξαρτάται από τον σχεδιαστικό στόχο. Ο Ρ. BUCHHEIM και άλλοι, έδωσαν κάποια διορατικότητα στις σχέσεις αυτές. Εντούτοις, εξέτασαν μόνο την καθαρή αεροδυναμική εργασία, η εργασία για τα

συστήματα ψύξης και κλιματισμού δεν συμπεριλαμβάνεται σε αυτή την εξέταση. Δεδομένου ότι οι σχεδιαστικοί στόχοι έγιναν όλο και περισσότερο φιλόδοξοι κατά τη διάρκεια των ετών, οι ώρες επί των σηράγγων αέρα που ξοδεύτηκαν για να τους συναντήσουν, ανέβηκαν σταδιακά.

Αυτά τα στοιχεία πρέπει να εξεταστούν προσεκτικά λόγω διάφορων συμφυών αντιφατικών τάσεων. Η περισσότερη εμπειρία που συγκεντρώνεται, όσο ταχύτερα πρέπει να καλυφθεί ένας δεδομένος στόχος, αυτά θα καθυστερήσουν την αύξηση των ωρών στις σήραγγες αέρα. Το αντίθετο πρέπει να αναμένεται από τις απαιτήσεις του σχεδίου και άλλων τεχνικών απαιτήσεων. Το τρέχον σχέδιο προτιμά τις στρογγυλεμένες μορφές, και αυτές είναι πολύ ευνοϊκές για την αεροδυναμική. Εντούτοις, είναι σχεδόν σίγουρο ότι αυτό θα αλλάξει. Όπως στο παρελθόν, οι «σκληρές γραμμές» ακολουθήθηκαν από πιο στρογγυλεμένες. Οι απλές σταθερές γραμμές (που θυμόμαστε από το 1970) θεωρείται ότι είναι πολύ δύσκολο να διατηρήσουν τη χαμηλή αντίσταση των σημερινών αυτοκινήτων. Πέραν αυτού, πρέπει να υπενθυμιστεί ότι η αντίσταση απέχει μακριά από το να αποτελεί τον μόνο στόχο της αεροδυναμικής οχημάτων. Ο θόρυβος του αέρα και οι σταγόνες νερού, για να αναφέρουμε μόνο δύο, θα απαιτήσουν πολύ περισσότερη προσοχή απ' ό,τι πιο πριν, και αυτό θα αυξήσει τη ζήτηση ωρών στις σήραγγες αέρα.

Ο χρόνος κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης ενός νέου αυτοκινήτου είναι ακόμα πολυτιμότερος από τα χρήματα. Επομένως μεγάλη προσπάθεια καταβάλλεται για την αντίδραση στην τάση του αυξανόμενου χρόνου ανάπτυξης. Προς το παρόν, τρεις διαδρομές ακολουθούνται:

1. Με τις περιπλοκότερες τεχνικές δοκιμής, η κατανόηση των σχετικών διαδικασιών ροής βελτιώνεται. Τα ακέραια στοιχεία όπως το σύνολο των δυνάμεων και των ροπών συμπληρώνονται από τα διαφορικά στοιχεία όπως η τοπική πίεση ή η ταχύτητα. Κατά συνέπεια η ανάλυση της αντίστασης βελτιώνεται και οι

σχεδιαστικές τροποποιήσεις μπορούν να εκτελεσθούν περισσότερο με τη λογική αφαίρεση απ' ό,τι με τις δοκιμές και τα λάθη. 2. Μέχρι τώρα, και παρά τη μεγάλη προσπάθεια, τα εξειδικευμένα συστήματα δεν έχουν αναπτυχθεί στο σημείο που να μπορούν να καθοδηγήσουν την εργασία σε μια σήραγγα αέρα. Εντούτοις, μια λιγότερο φιλόδοξη μέθοδος εκτίμησης (βλ. G. W. CARR) έχει αποδειχθεί χρήσιμη. Πρέπει να δοθεί έμφαση στο ότι οι συγκεκριμένες διαστάσεις που απαιτούνται για τη διαδικασία εκτίμησης μπορούν να προέλθουν άμεσα από το αρχείο δεδομένων του πλαισίου.

3. Η τεράστια προσπάθεια -και ακόμα- τίθεται στην εφαρμογή της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD) στην αεροδυναμική οχημάτων. Πολλές ερωτήσεις μπορούν ήδη να απαντηθούν από την CFD σήμερα. Παραδείγματος χάριν, εδώ και κάποιο καιρό η CFD ήταν σε θέση να προβλέψει τις δυνάμεις και τις ροπές στις επιφάνειες του πλαισίου, στις περιοχές όπου η ροή είναι συνημμένη. Άλλα δύο παραδείγματα όπου η CFD είναι χρήσιμη για την πραγματική εργασία σχεδιασμού, είναι τα πεδία ροής κάτω από την οροφή και μέσα στο χώρο των επιβατών, όπου τα αποτελέσματα της θερμοκρασίας πρέπει επίσης να ληφθούν υπόψη. Εντούτοις, το βασικό ζήτημα της αεροδυναμικής οχημάτων, η αντίσταση, δεν μπορεί προς το παρόν να προβλεφθεί από την CFD με την απαραίτητη αξιοπιστία για τη λήψη των αποφάσεων επί των προϊόντων. Από μια έρευνα της ανοιχτής λογοτεχνίας μέχρι το 1989, μαζί με μια παρέκταση της διαθέσιμης δύναμης των υπολογιστών, ο W. –H. HUCHO υπολόγισε ότι η CFD δεν θα ήταν σε θέση να προβλέψει την αντίσταση (κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης προϊόντων) για μια περίοδο τουλάχιστον πέντε ετών. Στο μεταξύ, αυτό το χρονικό σημείο έχει περάσει, και η CFD δεν ισχύει ακόμα για την πρόβλεψη της αντίστασης. Ενώ το μεγαλύτερο μέρος της προσπάθειας κατευθύνεται στην επίλυση των εξισώσεων «Navier.stokes», τώρα επίσης ερευνώνται τα ζωνικά πρότυπα ροής. Εάν θα είναι κατάλληλα για τα σύνθετα πεδία ροής των πραγματικών αυτοκινήτων, και όχι μόνο για τα γενικά πρότυπα, αναμένεται να φανεί.

4. Αεροδυναμική και σχεδίαση

Για πολύ καιρό οι αεροδυναμιστές και οι σχεδιαστές αλληλεπίδρασαν με μεγάλη δυσκολία. Η σχέση τους χαρακτηρίστηκε από παρανοήσεις. Οι πρώτοι σχεδιαστές αεροδυναμικής που έστρεψαν την προσοχή τους στο αυτοκίνητο είχαν τις ρίζες τους στην αεροναυπηγική. Δεν ήρθε στο μυαλό τους ότι ο ρόλος της αεροδυναμικής θα ήταν διαφορετικός -και όχι ως κυρίαρχος- στην τεχνολογία οχημάτων. Δημιούργησαν μορφές σύμφωνα με αυτά που σκέφτηκαν ότι ήταν τα αιτήματα της μηχανικής ρευστών. Όλες οι άλλες απαιτήσεις υποβαθμίστηκαν. Στο σχεδιαστή δεν άφησαν καθόλου περιθώρια για την αισθητική έκφραση. Χαρακτηριστικά αποτελέσματα αυτής της τοποθέτησης ήταν το αυτοκίνητο «σταγόνας δακρύου» του RUMPLER (εικόνα 14), το «Mistral» του MAUBOUSSIN (εικόνα 31), και το αυτοκίνητο ενός όγκου του SCHLOR (εικόνα 43). Τα αεροδυναμικά σχεδιασμένα αυτοκίνητα του JARAY ήρθαν πιο κοντά στις απαιτήσεις του σχεδιασμού αυτοκινήτων. Εντούτοις, ακόμα και τότε κατέδειξαν τις ανησυχίες του σήμερα: Τα αεροδυναμικά αυτοκίνητα JARAY που σχεδιάστηκαν για διάφορους κατασκευαστές ήταν λίγο πολύ παρόμοια.

Από την άποψη των σχεδιαστών, για πολλά έτη η αεροδυναμική δεν ήταν τίποτα περισσότερο από ένα περιθωριακό θέμα και μια δυσχέρεια επίσης. Στην καλύτερη περίπτωση, χρησιμοποίησαν τις μορφές που παρήχθησαν από την αεροδυναμική ως επιταγές της μόδας. Για αυτούς, η αεροδυναμική σχεδίαση συμβόλιζε τη δυναμική του πνεύματος των καιρών, και η λειτουργικότητα (όσον αφορά την αεροδυναμική) ήταν πέρα από την κατανόησή τους. Συνεπώς χρησιμοποίησαν (και πολύ συχνά άσχημα) την αεροδυναμική ως στιλιστική έκφραση. Η ήδη αναφερθείσα πρύμνη βάρκας, το fastback, τα μεγάλα πτερύγια ουρών του 1950, και μερικά spoilers του σήμερα είναι μάρτυρες της παρανόησης της αεροδυναμικής από τους σχεδιαστές.

Αυτή η ασυμφωνία μεταξύ της φυσικής και της τέχνης επιλύθηκε μόνο όταν άρχισαν οι κατασκευαστές αυτοκινήτων να κάνουν την δική τους αεροδυναμική. Ως μέλη της μηχανολογίας οχημάτων, οι δραστηριοποιημένοι αεροδυναμιστές μετατράπηκαν σε μηχανικούς οχημάτων. Η καθημερινή επαφή με το σχέδιο τους έδωσε μια κατανόηση αυτού του είδους τέχνης. Οι αεροδυναμιστές έμαθαν να σέβονται τη δημιουργικότητα των σχεδιαστών, και συνειδητοποίησαν πως η ελευθερία του σχεδιαστή σταματά ήδη από τις απαιτήσεις, είτε αυτές είναι τεχνικές ή νομικές. Οι σχεδιαστές, αφ' ετέρου, συνειδητοποίησαν ότι η αεροδυναμική δεν είναι μια μαύρη τέχνη, αλλά μια λογική πειθαρχία. Η στρατηγική της βελτιστοποίησης της λεπτομέρειας, η βαθμιαία διαδικασία, παρείχε μια υγιή βάση για συνεργασία. Και η ανάγκη να βελτιωθεί η οικονομία καυσίμων και η επιθυμία να κατασταθεί το κύρος ενός αυτοκινήτου ορατό από την οπτική του, κατέστησε τους σχεδιαστές ανοικτούς στην αεροδυναμική. Αυτή η ειλικρίνεια αυξήθηκε δεδομένου ότι συνειδητοποίησαν ότι αυτή η τεχνολογία είναι πολύ πιο αξιόπιστη από την τάση της μόδας. Το γράφημα των συντελεστών οπισθέλκουσας έναντι των μοντέλων ανά έτος στην εικόνα 58 επιδεικνύει πόσο γρήγορα προχώρησε η αλλαγή της τοποθέτησης τους.

Εντούτοις, η ισχυρή θέση που κατέχει τώρα η αεροδυναμική οχημάτων δεν χαιρετίζεται από τον καθένα. Δύο επιχειρήματα προβάλλονται επανειλημμένα ενάντια στην αεροδυναμική: ένα τεχνικό και ένα άλλο συναισθηματικό. Οι σχεδιαστές αεροδυναμικής καλούνται να εξετάσουν προσεκτικά και τα δύο εάν δεν θέλουν να χάσουν το κύρος που έχουν αποκτήσει τώρα.

Η ισχυρότερη επιφύλαξη για την αεροδυναμική οχημάτων είναι η ανησυχία που οι «προσταγές της σήραγγας αέρα» θα οδηγήσουν σε ομοιομορφία στην εμφάνιση των αυτοκινήτων. Τα στοιχεία για αυτήν την άποψη φαίνονται να είναι εντυπωσιακά: Στη φύση, οι οργανισμοί χαμηλής αντίστασης, διαφορετικής προέλευσης, έχουν αναπτυχθεί σχεδόν στις ίδιες μορφές: οι καρχαρίες και τα δελφίνια θεωρούνται ότι είναι χαρακτηριστικά παραδείγματα. Και πράγματι,

ένα βλέμμα στον πληθυσμό ενός έτους, αυτοκινήτων σειράς, επιβεβαιώνει ότι η δυσαρέσκεια με την ομοιομορφία του παρόντος προσδιορισμού δεν είναι αβάσιμη. Αυτή η ομοιομορφία καθιστά δύσκολη τη διάκριση των αυτοκινήτων από διαφορετικές μάρκες, και αυτό δεν είναι το αναμενόμενο από τη σχεδίαση.

Εντούτοις, ισχύει επίσης ότι: Μέσα σε οποιαδήποτε δεδομένη κατηγορία αυτοκινήτων, οι γενικές διαστάσεις και οι βασικές μορφές, δεν ήταν πάρα πολύ διαφορετικές πολύ πριν να επηρεαστούν τα αυτοκίνητα από την αεροδυναμική. Αυτή η πειθαρχία, επομένως, δεν είναι απαραιτήτως αρμόδια για την ομοιότητα των σημερινών αυτοκινήτων. Πόσο παρόμοιες ήταν ήδη οι μορφές των αυτοκινήτων στο μέσο της δεκαετίας του '70 καταδεικνύονται από την εικόνα 66, όπου συγκρίνονται τα σχέδια της μεγάλο – μεσαίας κατηγορίας. Με εξαίρεση τη μοναδική Citroen DS 19, ήταν όλα πάρα πολύ όμοια. Αλλά κανένας δεν παραπονέθηκε ή ακόμα και παρατήρησε. Ο λόγος είναι σαφής: Οι ομοιότητες στη μορφή καλύφθηκαν από τα τμήματα που καλύφθηκαν με φιλέτα χρωμίου, χάντρες, και από γρίλιες, κατά συνέπεια «χωρίζοντας» την επιφάνεια του πλαισίου ενός αυτοκινήτου. Τα περισσότερα από αυτά τα στοιχεία περιποίησης έχουν εξαφανιστεί, -για εκτός από τους αεροδυναμικούς λόγους- επιλογή για την μείωση του τονισμού των γραμμών και του διαχωρισμού των επιφανειών. Όλα αυτά αφήνονται για να είναι ομοιόμορφη η μορφή.

Εικόνα 66: Σύγκριση του διαμήκους τμήματος των μεγάλο-μεσαίων αυτοκινήτων της δεκαετίας του 1970.

Συχνά θρηνείται ότι τα αυτοκίνητα έχουν χάσει «τα πρόσωπά τους» λόγω της αεροδυναμικής. Τα μοντέρνα, συμπτυγμένα ψυγεία επιτρέπουν μικρών εισαγωγών αέρα. Επιπλέον, τώρα τοποθετούνται στο μπροστινό μέρος, το οποίο βρίσκεται γενικά κάτω από τον μπροστινό προφυλακτήρα (βλ. εικόνα 67). Έχοντας μετακινηθεί εκτός οπτικού πεδίου, οι εισαγωγές αέρα έχουν χάσει την προηγούμενη σημασία τους ως χαρακτηριστικό γνώρισμα σχεδίασης. Εντούτοις, όπως δείχνουν τα παραδείγματα στην εικόνα 68, αυτό δεν είναι απαραίτητο να συμβαίνει πάντα.

Ισχυρές καταγγελίες προέκυψαν όταν όλο και περισσότερο τα παράθυρα έγιναν επικλινή , επιτρέποντας τις ακτίνες του ήλιου να εισβάλουν στο εσωτερικό μέσω των μεγαλύτερων γυάλινων επιφανειών και να αυξάνουν την εσωτερική θερμοκρασία. Πράγματι, δεν φαίνεται λογικό να μειωθεί η αντίσταση (με την κλίση των παραθύρων) προκειμένου να εξοικονομηθούν καύσιμα, αλλά να απαιτείται ένα σύστημα κλιματισμού που καταναλώνει όλα ακριβώς τα καύσιμα που εξοικονομήθηκαν. Εντούτοις, ο κλιματισμός είναι βασικός εξοπλισμός στις ΗΠΑ, έτσι η αεροδυναμική κατηγορείται πάλι για λανθασμένο πράγμα. Ο συντελεστής οπισθέλκουσας CD = 0,30 δεν απαιτεί τα παράθυρα να είναι πολύ επίπεδα, ή πολύ μεγάλα. Εάν είναι τέτοια εντούτοις, είναι λόγω μιας μοντέρνας σχεδιαστικής απαίτησης: το «coupe look».

Εικόνα.67: Εισαγωγή αέρα ψύξης στο κάτω τμήμα του προφυλακτήρα.

Εικόνα 68: Διατήρηση της εταιρικής ταυτότητας με την αλλαγή της σχεδίασης (BMW AG). Η αεροδυναμική γίνεται μερικές φορές υπαίτια για μειονεκτήματα που δεν έχουν καμία σχέση με αυτή. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι οι υδρορροές. Οι σύγχρονες δομές των πλαισίων δεν χρειάζονται πλέον μια φλάντζα για τη συγκόλληση των δύο πλευρών της οροφής (βλ. εικόνα 69), και επομένως η υδρορροή, που διακοσμείται και στις δύο με χρώμιο, έχει καταργηθεί. Οι επιβάτες που μπαίνουν στο αυτοκίνητό τους τις βροχερές ημέρες βρέχονται από τις σταγόνες βροχής που βρίσκονται στα άκρα της οροφής. Κατηγορούν δε γι' αυτό την αεροδυναμική, μην γνωρίζοντας γιατί έχουν αφαιρεθεί: Όχι βέβαια για αεροδυναμικούς λόγους! Οι υδρορροές που είναι παράλληλες στην τοπική κατεύθυνση της ροής δεν ενοχλούν καθόλου τη ροή. Τέλος, για να αποτρέψουν τους επιβάτες από να βραχούν, έχουν επιστρέψει με ελαφρού τύπου υδρορροές (όπως φαίνεται την εικόνα 69 (β) που είναι κρυμμένες όταν κλείνουν τις πόρτες.

Η εικόνα 70 παριστάνει πώς αλλάζει η μορφή ενός πλαισίου αυτοκινήτου, υπό την επιρροή αεροδυναμικών παραγόντων. Προκειμένου να φθάσουμε το CD=0,30, που για τα σημερινά δεδομένα είναι ένας λογικός αριθμός, δεν είναι απαραίτητο να βελτιστοποίηση σε κάθε λεπτομέρεια που επηρεάζει τον συντελεστή αντίστασης. Διάφοροι συνδυασμοί λεπτομερειών θα οδηγούσαν στον ίδιο αριθμό αντίστασης. Το περιθώριο των αλλαγών κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού είναι ακόμα μεγάλο. Ακόμη και το CD = 0,25, που πρέπει να θεωρηθεί ως λογικός στόχος για το εγγύς μέλλον, ο συντελεστής οπισθέλκουσας ενός αυτοκινήτου είναι ακόμα πέντε φορές μεγαλύτερος από το CD των πολύ λεπτότερων καρχαρία και δελφινιού. Το το γεγονός ότι αυτοί οι κολυμβητές υψηλών επιδόσεων έχουν παρόμοιο σχήμα, δεν επεκτείνεται αντίστοιχα και στα τα αυτοκίνητα. Τα αυτοκίνητα χαμηλής αντίστασης δεν έχουν παρόμοιο σχήμα. Αυτό επιβεβαιώνεται από την εικόνα 71, όπου παρουσιάζονται δύο αυτοκίνητα πρωτοτύπων με την αντίσταση κοντά στο CD = 0,15, το «Probe IV» από την Ford και το «Aero 2002» από την General Motors.

Εικόνα 69: Σχεδίαση οροφής με ορατή και κρυμμένη υδρορροή.

Εικόνα 70: Τροποποιήσεις στο περίγραμμα κάτω από την επίδραση της αεροδυναμικής. Οι αλλαγές του σχήματος από το 1 στο 17 οδηγούν σε μείωση του συντελεστή οπισθέλκουσας από το CD = 0.43 σe CD = 0.30 και χαμηλότερα.

Εικόνα 71α: Πρωτότυπα χαμηλής αντίστασης από τις ΗΠΑ.

Ford Probe IV, 1983, CD = 0.15, A= 1.90 m2.

Εικόνα 71β: Πρωτότυπα χαμηλής αντίστασης από τις ΗΠΑ.GM Aero 2002, CD = 0.14, A = 1.68 m2.

Βιβλιογραφία

[1] SCHLTCHTING, H., TRUCKENBRODT, E., Aerodynamics of Airplane, McGraw-Hill Inc., New York,1979.

[2] ANDERSEN JR, J.D., Fundamentals of Aerodynamics, 2nd Edition, McGraw-Hill Inc., New York, 1991.

[3] KUCHEMANN, D., The Aerodynamic Design ofAircraft, Pergamon Press, Oxford, 1985.

[4] FLETCHER, C.A.J., Computational Techniques for Fluid Dynamics, Vols. I and II, Springer- Verlag, Berlin, 1988.

[5] GAWTHORPE, R.G., High Speed Aerodynamic Effects on Existing Railways, Proceedings of World Congress on Railway Research, Paris, 14-16 Nov. 1994, pp 787-795, published by SNCF, 1994.

[6] GAWTHORPE, R.G., “Rail Vehicle Aerodynamics—Setting the Scene,” Vehicle Aerodynamics, University of Technology, Loughborough, 18-19 July 1994.

[7] AHMED, S.R., GAWTHORPE, R.G., MACKRODT, P.-A., “Aerodynamics of Road and Rail Vehicles,” Vehicle System Dynamics, Vol. 14, 1985, pp 3 19-392.

[8] PETERS, J.-L., “Aerodynamics of Very High Speed Trains and Maglev Vehicles, State of the Art and Future Potential,” mt. Journal of Vehicle Design, SP 3, London, 1983, pp 308-34 1.

[9] MACKRODT, P.-A., STEINHEUER, J., STOFFERS, G., “Entwicklung aerodynamisch optimaler Formen für das RadlSchiene-Versuchsfahrzeug II,”AET, Vol. 35, 1980, pp 67-77.

[10] MACKRODT, P.-A., PFIZENMAIER, E., “Aerodynamik und Aeroakustik für Hochgeschwindigkeitszuge,” Physik in unserer Zeit, Vol. 18, 1987, pp 65-76.

[11] FORSCHING, H.W., Grundlagen der Aeroelastik, Springer, Berlin, 1974.

[12] HOUGHTON, E.L., CARRUTHERS, N.B., Windforces on Buildings and Structures, Edward Arnold, London, 1976.

[13] LAWSON, T.V., Wind Effects on Buildings, 2nd Vol, Applied Science Publ., London, 1980.

[14] SOCKEL, H. {ed.J, Wind-Excited Vibrations of Structures, Springer, Wien, 1994.

[15] LARSSON, L., NIELSSON, L.U., BERNDTSSON, A., HAMMAR, K., KNUTSON, K., DANIELSON, H., “A Study of Ground Simulation - Correlation between Wind-Tunnel and Water-Basin Tests of a Full- Scale Car,” SAE Paper No. 890368, Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pa., 1989.

[16] LEWIS, E.V. [ed.], Principles of Naval Architecture, Vol. 2, Resistance, Propulsion and Vibration, SNAME, Jersey City, 1988.

[17] KIESELBACH, R.J.F., Streamline Cars in Germany—Aerodynamics in the Construction of Passenger Vehicles 1900-1945 (Stromlinienautos in Deutschland—Aerodynamik im Pkw-Bau 1900 bis 1945), Kohlhammer, Stuttgart, 1982.

[18] KIESELBACH, R.J.F., Streamline Cars in Europe/USA—Aerodynamics in the Construction of Passenger Vehicles 1900-1945 (Stromlinienautos in Europa und USA —Aerodynamik im PkwBait 1900 bis 1945), Kohlhammer, Stuttgart, 1982.

[19] KIESELBACH, R.J.F., Aerodynamically Designed Commercial Vehicles 193 1-1961 Built on Chassis of Daimler-Benz, Krupp, Opel, Ford (Stroinlinienbusse in Deutschland—Aerodynamik im Nutzfahrzeugbau 1931 bis 1961), Kohihammer, Stuttgart, 1983.

[20] KOENIG-FACHSENFELD, R. v., Aerodynamik des Kraftfahrzeuges, 2 Vol., Umschau Verlag, Frankfurt, 1951.

[21] LUDVIGSEN, K.E., “The Time Tunnel—An Historical Survey of Automotive Aerodynamics,” SAE Paper No. 700035, Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pa., 1970.

[22] MCDONALD. A.T.. “A Historical Survey of Automotive Aerodynamics.” Aerodynamics of Transportation, ASME-CSME Conference, Niagara Falls, 1979, pp 6 1-69.

[23] KIESELBACH, R.J.F., “Streamlining Vehicles 1945-1965—A Historical Review,”Journ. of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 22, 1986, pp 105-113.

[24] HUCHO, W.-H., SOVRAN, G., “Aerodynamics of Road Vehicles,” Annu. Rev. Fluid Mech., Vol. 25, 1993, pp 485-537.

[25] FRANKENBERG, R.v., MATTEUCCI, M., Geschichte des Automobils. Künzelsau, Sigloch Service Ed., 1973.

[26] RIEDLER, A., Wissenschaftliche Automobilbewertung, Oldenburg, Berlin, 1911.

[27] ASTON, W.G., “Body Design and Wind Resistance,” The Autocar, August 1911, pp 3 64-366.

[28] HELLER, A., “Der neue Kraftwagen von Dr.-Ing. Rumpler,” ZVDI, Vol. 39, 1921, pp 1011-1015.

[29] EPPINGER, C., “Tropfenwagen—Anwendung der Flugzeug-Aerodynamik,” Zeitschrifl für Flugtechnik undMotorluftschzffahrt, Vol. 12, 1921, pp 287-289.

[30] RUMPLER, E., “Das Auto im Luftstrom,” Zeitschrfi für Flugtechnik und MotorluftschifTahrt, Vol. 15, 1924, pp 22-25.

[31] KLEMPERER, W., “Luftwiderstandsuntersuchungen an Automobilmodellen,” Zeitschrift für Flugtechnik und Motorluftschffahrt, Vol. 13, 1922, pp 20 1-206.

[32] WOLFF METTERNICH, M. GRAF, Edmund Rumpler—Konstrukteur und Erfinder, Neue Kunst Verlag, München, 1985.

[33] KUBISCH, U., Automobile aus Berlin—Vom Tropfenwagen zum Amphicar, Nicolaische Verlagsbuchhandlung, Berlin, 1985.

[34] JARAY, P., “Der Stromlinienwagen—Eine neue Form der Automobilkarosserie,” Der Motorwagen, Heft 17, 1922, pp 333-336.

[35] BROHL, Hp., Paul Jaray—Stromlinienpionier, published by the author, Bern, 1978.

[36] SCHMID. C., “Die Fahrwiderstãnde beim Kraftfahrzeug und die Mittel ihrer Verringerung,” ATZ, Vol. 41, 1938, pp 465-477 and pp 498-5 10.

[37] KOENIG-FACHSENFELD, R.v., “Luftwiderstandsmessungen an einem Modell des Tatra-Wagens Typ 87,” ATZ, Vol. 44, 1941, pp 286-287.

[38] MAUBOUSSIN, P., “Voitures aérodynamiques,”L’Aéronautique, Nov. 1933, pp 239-245.

1.39 LANGE, A., “Vergleichende Windkanalversuche an Fahrzeugmodellen,” Berichte Deutscher Kraftfahrzeugforschung im Auftrag des RVM, Nr. 31, 1937.

[40] LAY, W.E., “Is 50 Miles per Gallon Possible with Correct Streamlining?” SAE Journal, Vol. 32, 1933, pp 144-156 and pp 177-186.

[41] HOERNER, S., Fluid Dynamic Drag, published by the author, Midland Park, N.J., 1965.

[42] KAMM, W., “Einflufl der Reichsautobahn auf die Gestaltung von Kraftfahrzeugen,”ATZ, Vol. 37, 1934, pp 341-354.

[43] KAMM, W., “Der Weg zum wirtschaftlichen autobahn- und straBentüchtigen Fahrzeug,”Strafie, Vol. 6, 1939, pp 104-109.

100

[44] KOENIG-FACHSENFELD, R. v., RUHLE, R., ECKERT, D., ZEIJNER, A., “Windkanalmessungen an Omnibusmodellen,” ATZ, Vol. 39, 1936, pp 143-149.

[45] EVERLING, E., “Die Stromlinie sitztvorn,”Neues Kraftfahrzeug Fachblatt,Vol. 1, 1948, pp 19-22.

[46] HEALD, R.H., “Aerodynamic Characteristics of Automobile Models,” US Dept. of Commerce, Bureau of Standards, RP 591, 1933, pp 285-291.

[47] KAMM, W., “Anforderungen an Kraftwagen bei Dauerfahrten,”ZVDI, Vol. 77, 1933, pp 1129-1133.

[48] SAWATZKI, E., “Die Luftkräfte und ihre Momente am Kraftwagen,” Deutsche Kraftfahrforschung, Heft 50, VDI-Verlag, Berlin, 1941.

[49] SCHNEIDER, H.-J., 125 Jahre Opel—Autos und Technik, Verlag Schneider und Repschläger, Köln, 1987.

[50] HUBER, L., “Die Fahrtrichtungshaltung des schnellfahrenden Kraftwagens,” Deutsche Kraftfahrtforschung, Heft 44, VDI-Verlag, Berlin, 1940.

[51] FIEDLER, F., KAMM, W., “Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Personenwagens,” ZVDI, Vol. 84, 1940, pp 485-491.

[52] SCHMITT, H., “Der Leistungsbedarf zur Kuhlung des Fahrzeugmotors und seine Vermindemng,” Deutsche Kraftfahrzeugforschung, Heft 45, VDI-Verlag, Berlin, 1940.

[53] ECKERT, B., “Das Kuhlgeblase im Kraftfahrzeug und sein betriebliches Verhalten,” Deutsche Kraftfahrzeugforschung, Heft 51, VDI-Verlag, Berlin, 1940.

[54] PERSU, A., “Luftwiderstand und Schnellwagen,” Zeitschrift fur Flugtechnik und Motorluftschiffahrt, Vol. 15, 1924, pp 25-27.

[55] FISHLEIGH, W.T., “The Tear-Drop Car,” SAE Journal, 1931, pp 353-362.

[56] REID, E.G., “Farewell to the Horseless Carriage,” SAE Journal, Vol. 36, 1935, pp 180-189.

[57] SCHLOR, K., “Entwicklung und Bau einer luftwiderstandsarmen Karosserie aufeinem 1,7-Ltr- Heckmotor-Mercedes-Benz-Fahrgestell,” Deutsche Kraftfahrforschung, Zwischenbericht Nr. 48, 1938.

101

[58] HANSEN, M., SCHLOR, K., “Der AVA-Versuchswagen,” Aerodynamische Versuchsanstalt Göttingen, Bericht 43 W 26, 1943.

[59] HANSEN, M., SCHLOR, K., “Aerodynamische Modelimessungen an verschiedenen Kraftwagenformen und Verhalten des wirklichen Fahrzeugs bei Seitenwind,” Deutsche Kraftfahrtjbrschung, Zwischenbericht Nr. 63, 1938.

[60] PAWLOWSKI, F.W., “Wind Resistance of Automobiles,”. SAE Journal, Vol. 27, 1930, pp 5-14.

[61] MOLLER, E., “Luftwiderstandsmessungen am VW-Lieferwagen,”ATZ, Vol. 53, 1951, pp 153-156.

[62] SCHLICHTING, H., Boundary Layer Theory, 6th Edition, McGraw-Hill, New York, 1968.

[63] HUCHO, W.-H., JANSSEN, L.J., EMMELMANN, H.-J., “The Optimization of Body Details—A Method for Reducing the Aerodaynamic Drag of Road Vehicles,” SAE Paper No. 760185, Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pa., 1976.

[64] HUCHO, W.-H., EMMELMA1N, H.-J., “Aerodynamische Formoptimierung, em Weg zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Nutzfahrzeugen,” Fortschrittsberichte VDI-Z, Series 12, Nr. 31, 1977, pp 163-185.

[65] SHERWOOD, A.W., “Wind Tunnel Test of Trailmobile Trailers,” University of Maryland Wind Tunnel Report Nr. 35, 1953.

[66] SAUNDERS. W.S., US Patent 3,241,876, 1966, US Patent 3,309,131, 1967, US Patent 3,348,873, 1967.

[67] FREY, K., “Verminderung des Stromungswiderstandes von Körpem durch Leitflächen,” Forschung, Ing. Wesen Mdrz, 1933, pp 67-74.

[68] SCHLICHTING, H., Aerodynamische Untersuchungen an Kraftfahrzeugen, Kassel, Hochschultag, 1953.

[69] SCHOLZ, N., “Windkanaluntersuchungen am NSU-Weltrekordmotorrad,”Die Umschau, Jahrg. 51, 1951, pp 691-692.

[70] SCHOLZ, N., “Windkanaluntersuchungen an Motorradmodellen,” ZVDI, 95, 1953, p 17.

[71] FLEGL. H., BEZ, U., “Aerodynamics—Conflict or Compliance in Vehicle Layout?”Int. Journ. of Vehicle Design, SP 3, London, 1983, pp 9-43.

102

[72] HUCHO, W.-H., “The Aerodynamic Drag of Cars—Current Understanding, Unresolved Problems, and Future Prospects,” pp 7-44 in SOVRAN, G., MOREL, T., MASON, W.T., [eds.],Aerodynamic Drag Mechanisms of Bluff Bodies and Road Vehicles, Plenum Press, New York, 1978.

[73] MORELLI, A., FIORAVANTI, L., COGOTTI, A., “The Body Shape of Minimum Drag,” SAE Paper No. 760186, Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pa., 1976.

[74] BUCHHEIM, R., DEUTENBACH, R., LOCKOFF, H.-J., “Necessity and Premises for Reducing the Aerodynamic Drag of Future Passenger Cars,” SAE Paper No. 810185, Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pa., 1981.

[75] BUCHHEIM, R., ROHE, H., WtJSTENBERG, H., “Stromungsberechnung am Automobil,”ATZ, Vol. 91, 1989, pp 602-6 15.

[76] CARR, G.W., “New MIRA Drag Reduction Prediction Method for Cars,” Automotive Engineer, June/July 1987, pp 34-3 8.

[77] HUCHO, W.-H., “Numerischer Windkanal—Stromlinienautos aus dem Supercomputer?” c ‘t 1989, Heft 10, pp 44-62.

[78] HUCHO, W.-H., “Will Aerodynamic Design Make All Cars Look Alike?” mt. Journ. of Vehicle Design, Vol. 5, 1984, pp 364-373.

[79] EMMENTHAL, K.-D., private communication, 1977.

103

Top Related