Конкурс: Быстрее звука?

Максимальная скорость машины растет с увеличением мощности двигателя. Но что будет с ней, если мощность наращивать бесконечно? В этом суть задачи. Чтобы несколько ограничить вашу фантазию, приняли такие условия: машина полноприводная, с полной массой 1500 кг, площадью фронтальной проекции 1,9 м ² и коэффициентом аэродинамического сопротивления 0,3. Стремясь избежать ненужных споров, условились, что прочность шин, трансмиссии и т. д. для таких смелых экспериментов достаточна.

Конечно, скептики гнули свое: «Под капот легковушки тысяча лошадей не влезет». Или: «Бросьте, на таких скоростях любая машина рассыплется!» Стоило ли присылать такие ответы?! Слава богу, скептиков оказалось немного.

Да, таких мощных автомобильных двигателей нет, но фантазия на что? Ракетчики уже давно оперируют мощностями в миллионы киловатт, а в условии вовсе не сказано, что мотор от «Запорожца». Что же ограничивает скорость? Оказывается, многое. Например, одной лишь прочности шин на разрыв мало: случись в них мощные резонансные колебания, приводящие к отскоку протектора от покрытия, – ехать станет невозможно. Победитель конкурса напоминает и о другом: история рекордов скорости на суше часто пишется кровью! Так, если сумма поперечных аэродинамических сил (например, от бокового ветра) действует впереди точки нейтральной поворачиваемости автомобиля, то его может сбросить с дороги и случайный порыв. Предложения читателей использовать реактивную тягу от этой проблемы не избавляют: контакт машины с дорогой, ее устойчивость, управляемость обеспечивают колеса, которые катятся по своим законам.

Вспомним и об управлении. Положим, коэффициент сцепления шин с покрытием равен 0,9 – как в ответе победителя конкурса. Значит, боковое ускорение машины не должно превысить 0,9g = 8,83 м/с ², иначе даже на плавном, радиусом 1000 м, повороте уже при скорости 338 км/ч машину сорвет с трассы. Чтобы избавиться от этого ограничения, кузов конструируют таким, чтобы аэродинамические силы прижимали машину к дороге, а на изгибе трассы дорожное полотно наклоняют к центру поворота.

Большинство ответивших поняли, что дело, как всегда, в балансе тяговых сил и сил сопротивления. Первые ограничены весом автомобиля: если колеса шлифуют дорогу даже на высшей передаче, сцепные свойства шин падают, и дальнейший разгон проблематичен. А вторые зависят от скорости машины, то есть от мощности двигателя. Составить нехитрое уравнение может каждый. Однако встречались и чудаки, забывавшие о необходимости контакта шин с покрытием, – они вычисляли скорость, исходя только из аэродинамики! При таком подходе нетрудно разогнаться хоть до скорости звука, но, увы, на бумаге. Один энтузиаст «достиг» аж 608 м/с – и только тут понял, что «едет» не туда.

Итак, у нас авто 4х4. В создании тяговой силы участвует полный вес: F = m.g.μ;, где m = 1500 кг, g = 9,81 м/с ², а μ – коэффициент сцепления шин с покрытием. Победитель принял его равным 0,9, отсюда F = 13 243 Н. За вычетом 1% на преодоление сопротивления шин останется 13 111 Н. Большей тяги, не привлекая прижимную силу, не получить. Вот это ключевой момент.

Тяговая сила должна противостоять аэродинамическому сопротивлению Fw = 0,5.Cx.S.ρ.v2, где v – скорость в м/с; Cx = 0,3; S = 1,9 м ². Плотность воздуха ρ примем равной 1,2 кг/м ³, как у победителя. Тогда тяга Fw = 13 111 Н позволит достичь чуть больше 700 км/ч. Но это лишь при условии отсутствия прижимной или подъемной сил.

Мы высоко оценили инициативу Сергея Корженовского, несколько расширившего задачу: «На практике автомобиля с нулевой подъемной силой не существует». Последняя вычисляется с использованием коэффициента подъемной силы Сz – по аналогии с Fw. Результат показан на графике, построенном победителем: он исходил из того, что мощность двигателя – около 10 000 л.с. На вертикальной оси шкала скоростей, на горизонтальной – значения Сz: слева отрицательные (прижимная сила), справа положительные (подъемная сила). Верхняя кривая на графике показывает возможности полноприводного автомобиля, нижняя относится к машине с приводом на одну ось (нагрузка на нее – 60% полного веса авто).

Как видно из графика, этот довесок, то есть прижимная сила, вершит революцию в скоростных показателях машины. При Cy = – 0,175 и скорости 950 км/ч действует дополнительная прижимная сила, равная примерно 13 900 Н – условно сцепной вес авто стал почти вдвое больше и достиг 28 615 Н. Выходит, можно реализовать тяговую силу 25 753 Н при силе сопротивления воздуха около 23 816 Н.

Вот что значит правильная аэродинамика: чем сильнее прижимает машину к дорожному полотну поток воздуха, тем большие скорости ей доступны, и тогда лишь бы «силенок» хватило. Так, по расчетам победителя, для достижения 1000 км/ч нашему авто потребуется мотор мощностью свыше 10 000 л.с. Поршневой двигатель такой мощности раздавит машину своим весом. Неспроста рекорды скорости устанавливали на реактивной тяге.

Ну а если автомобиль приподнимает подъемная сила, предельно возможная скорость, естественно, снижается. Полноприводная машина целиком использует свой сцепной вес, а задне- или переднеприводная – лишь часть его. Отсюда их более скромные динамические показатели.

В своем письме победитель подчеркнул то, что должны понимать все рекордсмены: если по достижении определенной скорости машина, недостаточно прижатая к покрытию, начнет его шлифовать, то это угрожает потерей курсовой устойчивости. Аэродинамическое сопротивление начнет действовать несимметрично и в результате может перевернуть автомобиль, оторвать его от трассы. Авария неминуема. Вот почему так опасны попытки побить «наземный» рекорд скорости. И не стоит думать, что все наши рассуждения относятся к области чистых фантазий. За окнами зима, гололедица. Когда сцепление шин с поверхностью ничтожно, автомобиль легко теряет устойчивость и перестает слушаться руля и при существенно более скромных скоростях!

Мы поздравляем Сергея Корженовского с победой в этом туре конкурса!