«Лошадиные силы, выброшенные на ветер»: как советские конструкторы улучшали аэродинамику отечественных машин, и в чем они превзошли западных коллег

«В условиях Советского Союза, с его равнинной местностью и с развитием в самое ближайшее время сети шоссейных дорог и междугородного пассажирского автосообщения, вопрос об обтекаемости автомобиля становится вопросом довольно крупной экономии», — так в 1934 году резюмировал свои исследования по аэродинамике и экономичности машин Алексей Осипович Никитин, адъюнкт кафедры бронеавтомобилей Военной академии механизации и моторизации РККА им. Сталина. К этому времени автомобильная аэродинамика обрела не только свою теорию, но и практику. В январе корпорация Chrysler представила серийную модель, которую даже назвала Airflow — «Воздушный поток». Тем неожиданнее узнавать, что в нашей стране исследованием автомобильной аэродинамики первыми озаботились военные, а не НАТИ!

Гоночный «Русско-Балтийский» Тип С 24‑40, завоевавший 9 июня 1913 года 2‑е место в гонках на Большой приз Санкт-Петербурга. За рулем — Иван Иванович Иванов, рядом — И. Л. Степанов. У автомобиля — аэродинамический воздухозаборник радиатора

Никитин испытал пять масштабных моделей (М 1/10) в аэродинамической лаборатории им. профессора Жуковского Московского авиационного института. Скорость продувки составляла 30 м/с. Лучшая из моделей, показавшая коэффициент сопротивления 0,175 (против 0,376 у модели Ford A Tudor), была воплощена в натуральную величину на шасси «ГАЗ-А». За проделанную работу Президиум Центрального совета «Автодора» постановил премировать инженера Никитина автомобилем. Новинка широко освещалась в советской печати: в журналах «За рулем» и «Мотор», газете «Вечерняя Москва»…

Алексей Осипович Никитин (1903–1974) возле своего аэродинамического автомобиля, 1934 г.

Понятие «обтекаемый» уходит в массы. Писатели Леонид Давидович Тубельский и Петр Львович Рыжей, творившие в тандеме Братья Тур, поместили в феврале 1935 года в «Известиях» фельетон о невероятном проходимце, достойном встать в одну шеренгу с Остапом Бендером и Анатолием Чубайсом. Представившись иностранцем-изобретателем по фамилии Ловмани, этот ловкач «развел» Наркомздрав УССР на несколько сотен тысяч рублей:

«Высокий и длинный, он походил на модную обтекаемую машину. Торгсиновский галстух цвета филейной вырезки развевался, как посольский флажок на радиаторе».

В дипломной работе студента Горьковского индустриального института им. Жданова Аркадия Федоровича Николаева (июнь 1940 года) приводится тяговый баланс гоночного автомобиля с коэффициентом обтекаемости К=0,035 и площадью лобового сопротивления 1,15 м³. Ведущий испытатель ГАЗ Николаев к тому времени на автомобиле ГЛ-1 развил скорость 148 км/ч

Несмотря на разговоры об обтекаемости, доводкой серийных автомобилей в аэродинамической трубе в СССР не занимались. Поэтому, когда 30 апреля 1944 года в автомобильном отделе НАТИ создают лабораторию кузовов «для проведения экспериментальных и теоретических работ по комфортабельности кузовов, архитектуре и аэродинамике автомобиля», то ее сотрудников ждет немало сюрпризов. Например, оказалось, что контрольные ленты-флюгеры, расклеенные по всему кузову для оценки картины обтекаемости, в задней части «Москвич-400» при движении встают дыбом. То есть, в этой части кузова воздушный поток поднимался строго вверх. Впрочем, этот грех стоило все же отнести на счет германских конструкторов, создававших Opel Kadett K38.

Картина обтекания «Москвич-401» и М-20 «Победа», полученная фотофиксацией ленточек-флюгеров. Интуитивно-выбранная форма крыши «Победы» обеспечила хорошую обтекаемость, но затруднила обзорность. Иллюстрация из книги Ю. А. Долматовского «Автомобиль в движении», прочесть которую рекомендую

Опыты проводили не в аэродинамической трубе, а на дороге, пуская автомобиль на «нейтралке» с небольшого уклона или по ровной горизонтальной дороге так называемым методом выбега. Суть метода в том, что общее сопротивление движущегося по инерции автомобиля складывается из сопротивления воздуха, сопротивления трансмиссии и сопротивления качению. Зная последнее из эмпирических расчетов и введя определенную величину трансмиссионных потерь, можно подсчитать и силу воздушного сопротивления. 

Лабораторно-дорожные испытания ЗАЗ-965 «Запорожец» в НАМИ, 1960 год

В дальнейшем метод выбега доведут в НАМИ до совершенства, уже на электронной вычислительной базе. С его помощью установят, что в реальных дорожных условиях из-за отсутствия влияния пограничного слоя коэффициенты аэродинамического сопротивления на 8–15 % выше получаемых в аэродинамических трубах, где автомобиль неподвижно установлен на полу. Помимо большей точности, лабораторно-дорожные испытания были в 100 (!) раз дешевле испытаний в большой аэродинамической трубе.

ГАЗ-13 «Чайка» с дымовой установкой ГСХИ для выявления спектров внешнего обтекания. Помимо «Чайки» использовался также Oldsmobile 98, приобретенный с Американской выставки 1959 года в Москве

Первым руководителем лаборатории кузовов НАМИ был назначен Юрий Аронович Долматовский, человек чрезвычайно одаренный. Долматовский опубликует несколько книжек, где в доступной и яркой форме познакомит с основными проблемами автомобиля. «Лошадиные силы, выброшенные на ветер» — так образно обрисует он проблему аэродинамики. Действительно, из всех затрат, вовлеченных в мощностной баланс автомобиля, стремительнее других возрастают потери на преодоление сопротивления воздуха. Эти потери пропорциональны кубу скорости. То есть, на скорости 80 км/ч и выше затраты мощности составят 75 %.

Группа Михайловского оказала существенную помощь Павловскому автобусному заводу в разработке малых автобусов нового поколения. В частности, исследовалось протекание воздушных потоков через систему вентиляции. Источником дыма служил табак. На снимке — опытный ПАЗ-3202 «Турист» 1971 года

Отгороженные от внешней среды комфортом автомобиля, пассажиры редко задумываются о тех вихрях, что бушуют снаружи. Меж тем скорость ветра 25 м/с, то есть, 90 км/ч, дает сегодня повод МЧС объявлять оранжевый уровень погодной опасности, а 33 м/с (118,8 км/ч) — уже красный, поскольку такая скорость ветра уже считается ураганом. А сколько таких «ураганчиков» ежеминутно проносится по дорогам страны, обгоняя друг друга!

УАЗ-469 1972 года выпуска. Для улучшения циркуляции воздуха в подкапотном пространстве специалисты ГСПИ рекомендовали сделать воздуховоды в боковинах капота в зоне наибольшего разряжения. С 1975 года автомобиль получит характерные жабы в этом месте капота

Совершенствование обтекаемости кузова ставит целью не только снижение сопротивления движению. Решаются также вопросы вентиляции салона и охлаждения двигателя. В феврале 1960 года в НАМИ поступил один из опытных образцов ЗАЗ-965. Предстояло выработать предложения по улучшению работы автономного отопителя (который не отапливал) и надежного зимнего пуска двигателя (который упорно не запускался). Для этого потребовались в том числе и аэродинамические испытания. Когда автомобиль обклеили ленточками-флюгерами, выяснилось, что воздухозаборники моторного отсека и вентиляционные отверстия капота расположены неудачно. Так попутно выяснили и еще один недостаток «Запорожца». Проблему с охлаждением моторов ЗАЗ не мог решить многие годы, владельцы «запорожцев» справлялись с ней, каждый как мог, по наитию.

Журнал «За рулем» №7/1978 в разделе «Справочная служба» первым познакомил советских граждан с термином «спойлер». Смысл слова несколько отличался от того, что подразумевают под ним посетители кинотеатров и моллов

Огромный вклад в развитие отечественной автомобильной аэродинамики внес руководитель кафедры «Тракторы и автомобили» инженерного факультета Горьковского сельскохозяйственного института (ГСХИ), кандидат технических наук Евгений Васильевич Михайловский. Вместе с коллегами Евгением Яковлевичем Туром и Юрием Сергеевичем Виноградовым в середине 1960‑х им проведена серия исследований по оценке спектров обтекания и замеру коэффициентов аэродинамического сопротивления некоторых отечественных автомобилей. Неизвестно, сумел ли Михайловский оценить погрешности разных методов испытаний, либо просто исходил из довольно скромных возможностей, коими располагал (хотя у сельскохозяйственного ВУЗа ГСХИ была собственная небольшая аэродинамическая труба!), однако в своей работе смело комбинировал методы. Это были продувки масштабных моделей в аэродинамической трубе, испытания моделей в природной среде (когда масштабную модель устанавливали поверх автомобиля и оценивали обтекаемость модели на ходу), и лабораторно-дорожные испытания полноразмерных автомобилей при помощи дымовой установки ГСХИ. С помощью фото- и киносъемки фиксировались спектры обтекания. Выводы, полученные в результате этой обширной работы, показывали, что коэффициенты обтекаемости могут различаться друг от друга на значительную величину, до 50 %. Так, одна и та же модель ГАЗ-24 в масштабе 1:5 в аэродинамической трубе Казанского авиационного института показала коэффициент аэродинамического сопротивления по продольной оси (Cx)=0,27, а в трубе А-6 Института механики МГУ — 0,24. Разумеется, в моделях невозможно сымитировать подкапотное пространство, салон и элементы подвески, поэтому показатели обтекания несколько завышены. Принято было считать, что модель в масштабе 1:10 дает при продувке ошибку в 40 %, а модель в М 1:5…1:4 — 20 — ошибку в 25 %. А лабораторно-дорожные испытания, напротив, занижают показания Cx примерно на 5–7 %.

Макетный образец ВАЗ-2108 в большой аэродинамической трубе ЦАГИ, ноябрь 1979 год

Довольно долго аэродинамическое качество кузова оценивали просто коэффициентом К, без указания привязки к оси координат x. Хотя понятно, что автомобиль движется в трехмерном пространстве, где присутствуют также y и z. И каким бы низким не было лобовое сопротивление, изменение направления потока может сдуть автомобиль с дороги. Это происходило с чехословацкой Tatra 87, имевшей очень обтекаемую для середины 1940‑х годов форму. Парусность автомобиля, в особенности автопоезда или автобуса — головная боль не только инженеров-аэродинамиков, но и компоновщиков и шассистов.

Опытный образец автопоезда-контейнеровоза МАЗ-64221 «Люкс» + МАЗ-9398. Построен по результатам испытаний в аэродинамической трубе института механики МГУ моделей в М 1:7. Воздушное сопротивление снижено на 25 %. Всего было испытано 6 щитовых и 3 объемных обтекателей, 6 моделей устройств на переднем буфере и 3 модели боковых закрылков, 1983 г.

Но тут кому-то пришла в голову идея превратить величину лобового сопротивления в инструмент маркетинга. Чем он ниже, тем новинка круче! Неизвестно, способствовал ли тому Citroen CX, выбранный в 1975 году европейским «Автомобилем года» за свою совершенную аэродинамическую форму (это было время честного конкурса, когда еще не заносили нал в портфелях-«дипломатах».) Сломя голову фирмы бросились зализывать уже подготовленные к производству легковые автомобили. Но так ли полезно безоглядной увлечение снижением Cx? Когда создавался ВАЗ-2110, один из инженеров Porsche даже обещал поцеловать пластилиновый макет, если удастся снизить Cx до 0,30. Продувки происходили в аэродинамической трубе Mercedes-Benz в рамках контракта «АвтоВАЗ» — Porsche Engineering. Как вспоминал один из авторов облика «десятки» Владимир Ярцев, немцу пришлось целовать макет. Вот только при езде в слякотную или снежную погоду у ВАЗ-2110 моментально забрасывало грязью задние фонари, и езда становилась опасной, поскольку на трассе попутчики не видели сигналов торможения. 

Автопоезд МАЗ-6422 + МАЗ-93971 полной массой 36 т с серийным сферическим лобовым обтекателем (совместная разработка МАЗ и НАМИ). Сопротивление снижено на 12 %, что привело к 3‑процентной экономии топлива (33,5 л/100 км против 34,5) при одновременном повышении производительности автопоездов на 2 %. Интересно, что установка шин Michelin улучшила показатели еще на 10 %. 1983 г.

Кстати, по нынешним меркам коэффициент Cx у Citroen CX не такой уж и выдающийся, 0,36. Примерно, как у ВАЗ-2110. Наши специалисты неоднократно ловили западников на завышенных показателях Cx, опять же — в угоду рекламным соображениям. Так для Fiat Uno 55 (тоже «Автомобиль года», только 1984‑го) заявлялся Cx=0,355. Испытания методом выбега НАМИ показали значение 0,398. Подтасовать результат довольно просто: можно перед испытаниями снять брызговики колес, заклеить частично воздухозаборник, уменьшить дорожный просвет и так далее.

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1986 — 1990 годы и на период до 2000 года, принятыми единогласно на XXVII съезде КПСС (сколько горькой иронии вызвал тогда у наших граждан этот документ!) предусматривалось в том числе и снижение удельного расхода топлива автомобилями за счет улучшения аэродинамических показателей. Впервые вопрос обтекаемости был вознесен на такую высоту!

«На полигоне НАМИ пущена большая аэродинамическая труба». Это стало крупным событием в отечественном автомобилестроении. В числе первых в этой трубе продули… Pontiac Grand Prix, подаренный президентом Рейганом чете Горбачевых, с монограммами на картах дверей, слева — MS, справа — RM

Главным образом, это касалось грузового автотранспорта. ГАЗ-53 имел Cx=0,98, ЗиЛ-130 — 0,77, КамАЗы и МАЗы — 0,68. Обтекаемость кирпича!

За полгода до партийного съезда, 7 августа 1985 года вышло Постановление ЦК КПСС и Совета министров СССР №773, ставившее задачу повысить качество машиностроительной продукции и в 3–4 раза сократить сроки разработок новых изделий. Этим постановлением предусматривалась постройка большой аэродинамической трубы на Дмитровском автополигоне (ЦНИАП НАМИ) — первой специализированной, автомобильной!

Под девизом «Автомобиль 2000 года» в конце 1980‑х в нашей стране построено несколько интересных макетных образцов легковых автомобилей со сверхнизким сопротивлением воздуху. На снимке — «Охта-НАМИ» на выставке «Автодизайн-88» на ВДНХ в Москве

Проект выполнял ГипроНИИавиапром. Рабочая часть трубы имела поперечное сечение 27 м² (6х4,5 м) и длину 18 м, что позволяло продувать любые легковые автомобили, микроавтобусы и уменьшенные вполовину макеты грузовых автопоездов в потоке скоростью 150 км/ч. По методике ЦАГИ, на испытание одного автомобиля отводилось 410 часов. Подсчитав, сколько сможет пропустить через себя труба при 2‑сменной, 3‑сменной и даже при «скользящей неполной» 4‑й смене, в Минавтопроме схватились за голову: мало! Максимум, удастся испытать 16–17 объектов. Оставалось уповать на введение в строй малой аэродинамической трубы на заводе «Москвич», аэроклиматической камеры на ЗиЛе, трубы НТЦ «АвтоВАЗ». Но тут еще оказалось, на всех не хватает современной измерительной аппаратуры. 

Возведение этих объектов пришлось на период отсутствия финансирования. Только «АвтоВАЗу» удалось в 1996 году запустить собственную аэроклиматическую трубу в НТЦ (подрядчик — канадская DSMA International Inc, ранее строившая аналогичные комплексы для Porsche и Volvo. Первой моделью, испытанной в новом комплексе, стала ВАЗ-1119 «Калина».