آیرودینامیک فعال چگونه کار می‌کند؟ مدیریت نیروی رو به پایین و درگ توسط اسپویلرها و دیفیوزرها

خلاصه ماجرا ساده است: آیرودینامیک فعال به خودرو اجازه می‌دهد تا در حین حرکت شکل خود را تغییر دهد و مصالحه صدساله بین سرعت در خط مستقیم و چسبندگی در پیچ‌ها را حل کند. برای دهه‌ها، نصب یک بال ثابت بزرگ در عقب خودروهای اسپرت به معنای پذیرش جریمه‌ای سنگین در حداکثر سرعت و بهره‌وری سوخت بود. امروزه، اسپویلرهای کنترل‌شده با کامپیوتر، فلپ‌های پنهان و دیفیوزرهای متحرک، بهترین‌های هر دو دنیا را به رانندگان می‌دهند؛ این قطعات فقط در مواقع لزوم فعال می‌شوند و در مواقع دیگر پنهان می‌مانند.[6][8]

دستیابی به این قابلیت دوگانه نیازمند هماهنگی پیچیده‌ای از حسگرها، محرک‌ها (Actuators) و دینامیک سیالات است. هنگامی که یک خریدار احتمالی سوپراسپرت مدرن را ارزیابی می‌کند، بسته آیرودینامیکی دیگر فقط یک انتخاب زیبایی‌شناختی ثابت نیست؛ بلکه یک سیستم فعال و متحرک است که نحوه رفتار خودرو را در یک رانندگی تفریحی یکشنبه در جاده‌های کوهستانی در مقابل یک روز پرسرعت در پیست تعیین می‌کند. خودرو به طور مداوم نیازهای آیرودینامیکی خود را بر اساس ورودی‌های راننده محاسبه می‌کند.[1][8]

برای درک نحوه عملکرد این سیستم‌ها، ابتدا باید به سیال نامرئی که در آن رانندگی می‌کنیم نگاه کنیم. هوا سنگین است و در سرعت ۱۶۰ کیلومتر در ساعت (۱۰۰ مایل در ساعت)، کنار زدن آن به انرژی عظیمی نیاز دارد. مقاومتی که هوا به عقب وارد می‌کند به عنوان درگ (Drag) شناخته می‌شود و با شتاب گرفتن خودرو به صورت تصاعدی افزایش می‌یابد و مانند یک دیوار نامرئی عمل می‌کند که موتور باید دائماً برای غلبه بر آن مبارزه کند.[3]

در مقابل، نیروی رو به پایین (Downforce) ترفند آیرودینامیکی استفاده از همان هوا برای فشار دادن خودرو به سمت سطح جاده است. نیروی رو به پایین بیشتر به این معنی است که تایرها محکم‌تر به جاده فشرده می‌شوند و چسبندگی مکانیکی را افزایش می‌دهند. برای راننده‌ای که در پیست رانندگی می‌کند، این هدف نهایی است: به خودرو اجازه می‌دهد تا با سرعت بسیار بیشتری از پیچ عبور کند بدون اینکه از مسیر خارج شود.[5]

مشکل سنتی این است که تولید نیروی رو به پایین ذاتاً درگ ایجاد می‌کند. یک بال عقب ثابت که زاویه‌دار است تا هوا را بگیرد، در مسیرهای مستقیم مانند یک چتر نجات عمل می‌کند. برای مالک خودرویی که ماشین خود را به پیست می‌برد، یک تنظیمات ثابت، مصالحه‌ای دائمی را تحمیل می‌کند: خودرو را برای پیچ‌ها تنظیم کنید و در خطوط مستقیم بازنده باشید، یا برای حداکثر سرعت تنظیم کنید و برای چسبندگی در پیچ‌ها به مشکل بخورید.[1][6]

آیرودینامیک فعال این مصالحه را با جدا کردن نیروی رو به پایین از درگ درهم می‌شکند. قابل تشخیص‌ترین جزء این سیستم، بال عقب فعال است. برخلاف یک اسپویلر ثابت، بال فعال در طول رانندگی عادی هم‌سطح بدنه قرار می‌گیرد، نمای ظریف خودرو را حفظ می‌کند و بهره‌وری سوخت را برای رانندگی در بزرگراه یا رفت‌وآمد روزانه به حداکثر می‌رساند.[1][2]

هنگامی که حسگرهای خودرو ترمزگیری شدید یا پیچیدن تهاجمی را تشخیص می‌دهند، محرک‌های هیدرولیکی یا الکتریکی بال را در کسری از ثانیه – اغلب بین ۱۵۰ تا ۲۰۰ میلی‌ثانیه – فعال می‌کنند. این معرفی ناگهانی یک عنصر آیرودینامیکی با زاویه تند، تعادل آیرودینامیکی را به عقب منتقل می‌کند، خودرو را دقیقاً زمانی که راننده به آن نیاز دارد پایدار می‌کند و از دست دادن کشش تایرهای عقب جلوگیری می‌نماید.[3][7]

علاوه بر این، بسیاری از بال‌های عقب فعال دارای حالت سیستم کاهش درگ (DRS) هستند که مستقیماً از فرمول ۱ قرض گرفته شده است. هنگامی که راننده در یک مسیر مستقیم طولانی شتاب می‌گیرد، بال صاف می‌شود و زاویه حمله خود را کاهش می‌دهد. این کار تا ۲۵ درصد از درگ آیرودینامیکی خودرو را کاهش می‌دهد و به موتور اجازه می‌دهد تا خودرو را به حداکثر سرعت بسیار بالاتری برساند بدون اینکه اسب بخار را صرف نیروی رو به پایین غیرضروری کند.[2][8]

اما بال عقب تنها بخش قابل مشاهده این معادله است. برای علاقه‌مندان جدی به پیست، جادوی واقعی زیر خودرو اتفاق می‌افتد. آیرودینامیک فعال زیر بدنه، شامل اسپلیترهای جلوی قابل تنظیم و دیفیوزرهای عقب، هوای جریان یافته در زیر شاسی را مدیریت می‌کند، که اغلب برای عملکرد کلی حیاتی‌تر از هوایی است که از روی خودرو عبور می‌کند.[5]

زیر بدنه حیاتی است زیرا می‌تواند مقادیر عظیمی نیروی رو به پایین – اغلب تا ۵۰ درصد از کل نیروی خودرو – را با جریمه درگ بسیار کمتری نسبت به بال‌های نصب شده در بالا تولید کند. با شتاب دادن به هوا در زیر خودرو، یک منطقه کم‌فشار ایجاد می‌شود که عملاً خودرو را از طریق اثر ونتوری به سمت آسفالت می‌مکد.[4][5]

دیفیوزرهای فعال با استفاده از فلپ‌های موتوری، حجم و سرعت هوای خروجی از عقب خودرو را تغییر می‌دهند و این فرآیند را یک گام فراتر می‌برند. در طول رانندگی پرسرعت، این فلپ‌ها باز می‌شوند تا درگ کاهش یابد. هنگام ترمزگیری شدید، بسته می‌شوند تا مکش کم‌فشار به حداکثر برسد، تایرهای عقب را به جاده میخکوب کرده و فاصله توقف را به شدت کاهش دهند.[1][5]

آیرودینامیک جلو برای حفظ تعادل به همان اندازه حیاتی است. فلپ‌های فعال جلو که در داخل سپر یا جلوپنجره پنهان شده‌اند، می‌توانند باز و بسته شوند تا هوا را یا برای نیروی رو به پایین از روی کاپوت هدایت کنند یا برای کاهش درگ از اطراف چرخ‌ها. اگر خودرو فقط یک بال عقب فعال داشت، فعال شدن آن عقب را به پایین فشار می‌داد در حالی که جلو را بلند می‌کرد، که عدم تعادل خطرناکی به نام کم‌فرمانی در سرعت بالا ایجاد می‌کرد.[3]

برای جلوگیری از این امر، کامپیوتر مرکزی خودرو به طور مداوم زاویه فرمان، موقعیت پدال گاز، فشار ترمز و نیروهای جانبی G را نظارت می‌کند. این سیستم عناصر آیرودینامیکی جلو و عقب را به صورت هماهنگ تنظیم می‌کند و تضمین می‌کند که مرکز فشار آیرودینامیکی کاملاً با مرکز ثقل خودرو هم‌راستا باقی بماند، صرف نظر از اینکه راننده چه کاری انجام می‌دهد.[2][7]

اخیراً، مهندسان شروع به آزمایش تکنیک‌های کنترل جریان فعال کرده‌اند که اصلاً به سطوح فیزیکی متحرک متکی نیستند. سیستم‌های جت هم‌جریان هدایت‌شده با فن، از فن‌های داخلی برای دمیدن هوای پرسرعت بر روی سطوح آیرودینامیکی ثابت استفاده می‌کنند و اثربخشی آن‌ها را به طور مصنوعی افزایش می‌دهند، بدون پیچیدگی مکانیکی و وزن بال‌های هیدرولیکی سنگین.[4]

اگرچه این سیستم‌های آیرودینامیکی دمشی هنوز عمدتاً در مراحل آزمایشی و در خودروهای هایپرکار هستند، اما مرز بعدی برای خریدارانی محسوب می‌شوند که به دنبال برتری نهایی هستند. آن‌ها تنظیمات آنی را برای پروفایل آیرودینامیکی ارائه می‌دهند، بدون تأخیر ناشی از انتظار برای بالا آمدن یک بال فیزیکی، و دقیقاً زمانی که تایر به آن نیاز دارد، چسبندگی را فراهم می‌کنند.[4][7]

برای مالک، پیامدهای نگهداری این سیستم‌ها قبل از تصمیم‌گیری برای خرید قابل توجه است. آیرودینامیک فعال، موتورهای الکتریکی، پمپ‌های هیدرولیک و اتصالات پیچیده را به مناطقی از خودرو وارد می‌کند که در معرض آب و هوای شدید، زباله‌های جاده و آب پرفشار قرار دارند. اطمینان از کالیبره ماندن و عاری از انسداد بودن این سیستم‌ها، یک الزام جدید برای مالکیت سوپراسپرت‌های مدرن است.[6][8]

در نهایت، آیرودینامیک فعال خودروی عملکردی مدرن را از یک شیء ثابت به یک ماشین زنده و پویا تبدیل کرده است که با محیط خود سازگار می‌شود. این سیستم‌ها با مدیریت نیروهای نامرئی هوا، قابلیت استفاده روزمره یک گرند تورر لوکس را با توانایی پیچیدن یک خودروی مسابقه‌ای اختصاصی، تنها با فشار یک دکمه، فراهم می‌کنند.[1][3]