Οι κατασκευαστές βελτιστοποιούν την αεροδυναμική των οχημάτων τους εδώ και δεκαετίες, με την ηλεκτροκίνηση να προσφέρει πλέον το ιδανικό πεδίο για ακόμα μεγαλύτερα άλματα στο εγγύς μέλλον.
Πριν από σαράντα χρόνια, οι οδηγοί ανακάλυψαν έναν νέο όρο: συντελεστής οπισθέλκουσας. Ή, αλλιώς, «Cd». Όταν το νέο Audi 100 κυκλοφόρησε το 1982, ο Γερμανός κατασκευαστής το παρουσίασε ως «το πιο βελτιωμένο sedan παραγωγής στον κόσμο». Η τιμή του σχετικού συντελεστή ήταν μόλις 0,30, που σίγουρα ήταν κάτι παραπάνω από εντυπωσιακή για τα πρότυπα της εποχής.
Το γεγονός ότι η αεροδυναμική των οχημάτων είχε γίνει ξαφνικά πόλος έλξης οφειλόταν εν πολλοίς στις πετρελαϊκές κρίσεις του 1973 και του 1979. Με τις τιμές των καυσίμων να έχουν αυξηθεί απότομα, έκτοτε η απόδοση των οχημάτων άρχισε να μπαίνει όλο και περισσότερο στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος.
Η αεροδυναμική αντίσταση παίζει σημαντικό ρόλο στην κατανάλωση καυσίμου, ειδικά σε υψηλότερες ταχύτητες. «Στα περίπου 80 χλμ.ώρα ή και περισσότερο, η αεροδυναμική γίνεται πιο σημαντική από την αντίσταση κύλισης των ελαστικών», εξηγεί ο Marcel Straub, Lead Engineer Aerodynamics and Thermal Management της Porsche Engineering. «Και επειδή αυξάνεται με εκθετικό βαθμό σε σχέση με την ταχύτητα, η αεροδυναμική είναι αρκετά καθοριστική για την κατανάλωση καυσίμου, ιδιαίτερα στον αυτοκινητόδρομο».
Η οπισθέλκουσα ενός οχήματος προσδιορίζεται από το γινόμενο της μετωπικής του επιφάνειας και της τιμής Cd. Το τελευταίο δείχνει πόσο απλοποιημένο είναι ένα γεωμετρικό σχήμα. Γενικά, εδώ ισχύει ένας απλός, εμπειρικός κανόνας: όσο μικρότερο, τόσο το καλύτερο. Οι σταγόνες του νερού πλησιάζουν αρκετά στο ιδανικό γιατί είναι στρογγυλές μπροστά και έχουν μακρύ κωνικό πίσω μέρος. Η τιμή Cd στις σταγόνες της βροχής είναι μόλις 0,05. Το πρόβλημα, ωστόσο, είναι ότι είναι δύσκολο να εγκατασταθούν το σύστημα μετάδοσης κίνησης και οι επιβάτες σε ένα όχημα σε σχήμα σταγόνας…
Από τη δεκαετία του 1980, έχει επικρατήσει το τυπικό σχήμα σφήνας με στρογγυλεμένο εμπρός και γωνιακό πίσω μέρος. Ο κύριος σκοπός του είναι να ελαχιστοποιήσει τους στροβίλους πίσω από το όχημα. Οι αιχμηρές ακμές επιτρέπουν στη ροή αέρα να διαχωρίζεται με τον προβλεπόμενο τρόπο και μειώνουν την αρνητική πίεση, η οποία με τη σειρά της μειώνει την οπισθέλκουσα. Έτσι, με το πέρασμα του χρόνου, ο αεροδυναμικός συντελεστής των οχημάτων συνεχώς βελτιωνόταν: Το Opel Calibra έφτασε στο 0,26 το 1990 και 10 χρόνια αργότερα, στο Audi A2, στο 0,25.
Το επόμενο άλμα στον τομέα βρίσκεται σε εξέλιξη, με σημείο αναφοράς τη μετάβαση στην ηλεκτροκίνηση. «Οι ηλεκτρικοί κινητήρες έχουν πολύ υψηλότερη απόδοση από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης, επομένως άλλοι παράγοντες κατανάλωσης ενέργειας γίνονται πολύ πιο σημαντικοί», εξηγεί ο Δρ Thomas Wiegand, Διευθυντής Αεροδυναμικής – Έρευνας & Ανάπτυξης της Porsche. «Στον κύκλο οδήγησης WLTP, η αεροδυναμική ευθύνεται για το 30% έως 40% των απωλειών στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, σε αντίθεση με λιγότερο από 10% σε ένα όχημα με κινητήρα ντίζελ ή βενζίνης. Και επειδή η μέση ταχύτητα σε ρεαλιστικούς κύκλους είναι ακόμη υψηλότερη από ό,τι στο πρότυπο WLTP, αυτό το ποσοστό είναι πιθανό να είναι ακόμη πιο υψηλό από 50% όταν τα ηλεκτρικά οχήματα οδηγούνται σε πραγματικές καταστάσεις».
Κατά συνέπεια, οι κατασκευαστές δίνουν μεγάλη έμφαση στη βελτιστοποίηση της αεροδυναμικής των ηλεκτρικών τους οχημάτων. Και σίγουρα, η νέα τεχνολογία κίνησης αποτελεί αρωγό τους: Τα οχήματα με κινητήρες εσωτερικής καύσης έχουν μια κεντρική σήραγγα στο κάτω μέρος του αμαξώματος και ένα σύστημα εξάτμισης που πρέπει να ψύχεται από τον αέρα του περιβάλλοντος. Αυτή η ακανόνιστη επιφάνεια δημιουργεί αναταράξεις και αυξάνει την αντίσταση. Στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, από την άλλη, η μπαταρία βρίσκεται μεταξύ του μπροστινού και του πίσω άξονα, με το κάτω μέρος του αμαξώματος να είναι εντελώς ομαλό, γεγονός που προάγει την καλή αεροδυναμική.
Τα ενεργά αεροδυναμικά στοιχεία
Ένα άλλο πλεονέκτημα της ηλεκτροκίνησης είναι ότι οι κινητήρες παράγουν λιγότερη θερμότητα, πράγμα που σημαίνει ότι πρέπει να διαχέεται λιγότερη ενέργεια μέσω των ψυγείων. Ως αποτέλεσμα, απαιτείται λιγότερη ή και καθόλου ροή αέρα στο χώρο του/των κινητήρα/ων, κάτι που με τη σειρά του μειώνει την αεροδυναμική αντίσταση των ηλεκτρικών οχημάτων. Σε πολλά EV, τα ενεργά στοιχεία ψύξης στις εισαγωγές διασφαλίζουν ότι μόνο ο όγκος του αέρα που πραγματικά χρειάζεται κατευθύνεται πάνω από τα ψυγεία και τους δίσκους των φρένων.
Στο όλο «πακέτο» περιλαμβάνονται συχνά πυκνά χαρακτηριστικά όπως οι αναδυόμενες αεροτομές στο πίσω μέρος και αναρτήσεις που χαμηλώνουν το αυτοκίνητο σε υψηλές ταχύτητες. Τα σύγχρονα ηλεκτρικά οχήματα χρησιμοποιούν πολλές από αυτές τις τεχνικές δυνατότητες, με αποτέλεσμα EV όπως η Porsche Taycan και η Mercedes EQS να προτάσσουν σήμερα έναν συντελεστή οπισθέλκουσας που ανέρχεται αντίστοιχα στις τιμές 0,22 και 0,20.
Τα ενεργά αεροδυναμικά στοιχεία θα μπορούσαν να διαδραματίσουν ακόμη μεγαλύτερο ρόλο στο μέλλον αλλάζοντας σημαντικά την εμφάνιση των οχημάτων κατά την οδήγηση. Η Mercedes, για παράδειγμα, παρουσίασε το πρωτότυπο Vision EQXX, το οποίο προτάσσει με τη σειρά του έναν συντελεστή οπισθέλκουσας της τάξης του 0,17. Μία από τις… ορατές αλλαγές κατά την οδήγηση του οχήματος είναι ο διαχύτης στο κάτω άκρο του πίσω μέρους, ο οποίος εκτείνεται αυτόματα προς τα πίσω κατά 20 εκατοστά σε ταχύτητες άνω των 60 χλμ./ώρα – κάτι που εξασφαλίζει στο πρωτότυπο EV των Γερμανών ελάχιστη αντίσταση.
«Με την EQXX, η εστίαση ήταν στην ενεργειακή απόδοση», δηλώνει ο Δρ. Stefan Kröber, μηχανικός αεροδυναμικής στη Mercedes και λέκτορας στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης. «Η βελτιστοποιημένη αεροδυναμική είναι ένα σημαντικό στοιχείο. Η EQXX αναμένεται να καταναλώνει λιγότερο από 10 kWh ανά 100 χλμ., ενώ την ίδια στιγμή η EQS σχεδόν 15 kWh ή περισσότερο. Το πίσω μέρος θα μπορούσε, για παράδειγμα, να γίνεται πιο γωνιώδες στις υψηλές ταχύτητες σχηματίζοντας πιο αιχμηρά διαχωριστικά άκρα. Νέα υλικά θα μπορούσαν να αποτελέσουν τη βάση για αυτό και να αλλάζουν τη γεωμετρία τους ανάλογα με τη θερμοκρασία ή την εφαρμοζόμενη τάση».
Οι μηχανικοί και οι σχεδιαστές αξιολογούν με ποιο τρόπο οι ιδέες τους επηρεάζουν την αεροδυναμική των νέων οχημάτων τόσο στην αεροδυναμική σήραγγα όσο και με τη χρήση προσομοιώσεων CFD (υπολογιστική ρευστοδυναμική). «Οι προσομοιώσεις CFD έχουν γίνει εξαιρετικά σημαντικές τα τελευταία 20 χρόνια», εξηγεί ο Wagner. «Οι άνθρωποι έχουν κατανοήσει καλύτερα τις μαθηματικές μεθόδους, έχουν αναπτύξει πιο ακριβή εργαλεία και έχουν επίσης αυξήσει την επεξεργαστική ισχύ των υπολογιστών».
Σήμερα, ωστόσο, οι προσομοιώσεις μέσω υπολογιστή εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν περιορισμούς. Για παράδειγμα, επί του παρόντος είναι δυνατός ο υπολογισμός των επιπτώσεων των περιστρεφόμενων ελαστικών μόνο σε περιορισμένο βαθμό, καθώς, για παράδειγμα, η παραμόρφωσή τους υπό το βάρος του οχήματος δεν μπορεί να προσομοιωθεί με επαρκή ακρίβεια σήμερα. Στο μέλλον, αυτό θα καταστεί δυνατό, όπως και η βελτιστοποίηση του σχήματος του οχήματος, με τη βοήθεια υπολογιστή. «Πολλές παράμετροι παίζουν ρόλο εδώ, όπως η εξέλιξη του πλευρικού προφίλ του οχήματος, η κολόνα Α, το ύψος του πίσω πόρτας και η γωνία του διαχύτη», εξηγεί ο Wagner. «Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τόσους πολλούς πιθανούς συνδυασμούς που ένας άνθρωπος δεν μπορεί πλέον να τους παρακολουθεί». Οι ευφυείς αλγόριθμοι, από την άλλη πλευρά, θα μπορούσαν να δώσουν λύσεις, και συγκεκριμένα να βρουν εκείνους τους συνδυασμούς που υπόσχονται χαμηλή τιμή Cd.
Η Porsche Engineering, για παράδειγμα, εργάζεται ήδη στο συγκεκριμένο θέμα χρησιμοποιώντας μεθόδους τεχνητής νοημοσύνης (AI). Στόχος των προγραμματιστών είναι να προβλέψουν τα αποτελέσματα των αλλαγών στο σχήμα του οχήματος – και επομένως στην αεροδυναμική – σε πραγματικό χρόνο. Ενώ σήμερα απαιτείται μια χρονοβόρα προσομοίωση CFD για κάθε παραλλαγή, στο μέλλον ένα νευρωνικό δίκτυο θα υπολογίζει την επιρροή στην τιμή του Cd πολύ πιο γρήγορα. «Αλλάζεις ένα σχήμα με το ποντίκι και βλέπεις αμέσως τι σημαίνει αυτό για την αεροδυναμική», εξηγεί ο Straub. «Έχουμε ήδη χρησιμοποιήσει αυτή τη μέθοδο που βασίζεται στην τεχνητή νοημοσύνη για το προφίλ τω πτερυγίων της Porsche GT3».
Ακόμα κι έτσι όμως, δεν μπορούμε να περιμένουμε ότι όλα τα αεροδυναμικά βελτιστοποιημένα οχήματα θα έχουν την ίδια εμφάνιση στο μέλλον. «Μια καλή τιμή Cd μπορεί να επιτευχθεί με διαφορετικούς τρόπους», λέει ο Wagner. «Εάν θέλετε να βελτιστοποιήσετε το πίσω μέρος, για παράδειγμα, μπορείτε να αλλάξετε το ύψος της πίσω πόρτας και τον διαχύτη στο κάτω μέρος του αμαξώματος. Στη συνέχεια, πρέπει να συνεργαστείτε με την ομάδα σχεδιασμού για να καταλήξετε σε μια ιδανική λύση που ταιριάζει στη μάρκα. Αυτό επιτρέπει την επίτευξη συγκρίσιμης αεροδυναμικής με διαφορετικά σχήματα.»
Όπως και να ‘χει, με τη μετάβαση στην ηλεκτροκίνηση, η αεροδυναμική των οχημάτων κάνει σήμερα ένα μεγάλο άλμα προς τα εμπρός. Στο μέλλον, ενεργά στοιχεία θα κάνουν ολοένα και πιο συχνά την εμφάνισή τους, ενώ μεγάλη πρόοδος αναμένεται σε επίπεδο προσομοιώσεων αλλά και στη βελτιστοποίηση των δοκιμών με χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
