Aerodynamický tunel: Moře ticha

Zkrocená bouře: Audi má nový aerodynamický tunel – nejrychlejší a současně nejtišší na světě. A2 v proudu vzduchu: Jádrem zkušebního stendu je váha skrytá v podlaze s integrovaným běžícím pásem, který je široký jeden metr a rychlostí až 235 km/h běží pod autem. Touto technikou mohou být poměry na silnici simulovány přesněji než dosud – jediný rozdíl je v tom, že auto stojí a silnice jede.

Ve foyer stojí auto budoucnosti vytvořené mladými modeláři, které má demonstrovat, co by bylo možné, kdyby odborníci na aerodynamiku měli volné ruce: futuristická studie má hodnotu součinitele odporu vzduchu cW 0,18. Poctivě je nutno přiznat, že technici se důsledně vzdali všech rušivých nástaveb, jako jsou zpětná zrcátka nebo stěrače, které patří k přirozeným nepřátelům každého aerodynamika, a tím si práci poněkud ulehčili.

O několik dveří dál, v samém srdci nového aerodynamického tunelu Audi – v tzv. plenu – stojí A2 1.2 TDI (třílitrové) jako hrdý svědek toho, co důsledná aerodynamika dnes dokáže: s hodnotou cW 0,25 je držitelem světového rekordu mezi sériově vyráběnými vozy – hodnota platí pro vůz s vnějšími zrcátky a stěrači.

Nové A2 ukazuje, že aerodynamika je hlavní disciplínou vývoje automobilů. K velkým úkolům budoucnosti patří totiž další snížení spotřeby, které není myslitelné bez optimalizované aerodynamiky. Kromě snížení odporu vzduchu získal na významu další obor: aeroakustika, to znamená redukce hluku větru. Tato doplňková úloha se objevuje proto, že auta by měla být stále tišší. A čím méně hluku motoru slyšíme, tím více vnímáme vedlejší zvuky, jako je vítr, který šumí na bočním okně.

Při konstrukci aerodynamického tunelu si zasluhují zvláštní pozornost minimálně dva požadavky: za prvé by rychlost větru měla být pokud možno vysoká, protože aerodynamika hraje ústřední roli v celém spektru rychlostí a například technici z oddělení sportovních vozů rádi cestují poněkud rychleji. Za druhé by aerodynamický tunel měl být co nejtišší, aby uměle vytvářené orkány nebyly příliš hlučné a nepřekrývaly zvuky vznikající působením proudu vzduchu na auto.

Rychlý a tichý

Audi postavilo aerodynamický tunel, který je nejrychlejší a současně nejtišší na světě, a tím spojilo pod jednou střechou dvě navzájem si odporující veličiny. V zásadě je možné ukázat na každém fénu, že ventilátor je tím hlasitější, čím rychleji se otáčí. Totéž platí pro aerodynamický tunel: nejsilnějším zdrojem hluku je dmychadlo. A tak se dostáváme už dovnitř nového zkušebního tunelu Audi.

Obrovské lopatkové kolo měří pět metrů v průměru, otáčí se rychlostí maximálně 400 otáček za minutu, podává přitom výkon 2600 kW a může simulovat bouři s rychlostí větru až 300 km/h. Rychlý vzduch se při tom pohybuje v uzavřeném okruhu, před deset metrů dlouhým měřicím úsekem je sveden do průřezu jedenáct metrů čtverečních a pak je zachycován podstatně širším přestavitelným kolektorem. Při rychlosti větru 100 km/h je hlučnost jen 48 dB, což je asi o deset dB méně než v dosud známých zařízeních. A o deset dB méně znamená, že hlučnost je jen poloviční.

Zvláštností zkušebního tunelu Audi je poměrně malý průtočný průřez. Tím může být objem cirkulujícího vzduchu menší a dmychadlo tišší. Příjemným vedlejším efektem je toto: jelikož je průřez malý, mohou se technici i při velké rychlosti větru přiblížit k autu na malou vzdálenost – až na dva metry, aniž sami stojí ve větru. I přes všechnu pokročilou techniku patří lidské ucho jako dříve k nejpřesnějším přístrojům, zejména jde-li o to rušivé zvuky lokalizovat a vyhodnotit. Obrovská měřicí hala je kromě toho odhlučněna moderními materiály tlumícími zvuk; vysoké frekvence se tlumí absorpcí a hluboké frekvence pomocí rezonance.

Aeroakustika: tichý vítr

Akustickým technikům pomáhají mimořádně dobře slyšící hlavy: umělé hlavy s přesně napodobenýma ušima, které bezdrátově přenášejí hlukové pozadí z vnitřního prostoru auta do výpočtového centra. Má to tu výhodu, že zvuky způsobené větrem mohou být standardizovaným způsobem zaznamenány a vyhodnocovány.

Je-li vítr veličinou, kterou lze vyhodnotit jen obtížně, platí to tím více o hluku, který způsobuje. Protože hlučnost sama o sobě ještě málo vypovídá o kvalitě hluku, o tom, zda jsou zvuky příjemné nebo obtěžující. Vytvořit pro to odpovídající objektivní kritéria je rovněž úkolem inženýrů. „Například se ví, že vysoké frekvence ruší více než nízké, i když jsou stejně, nebo dokonce méně hlasité,“ říká dr. Ulrich Widmann, specialista na aeroakustiku v aerodynamickém tunelu Audi.

Kde vlastně vzniká hluk vyvolávaný větrem? Ke kritickým bodům patří především ty, které jsou v blízkosti ucha, tj. vedení oken, těsnění dveří, vnější zrcátka a stěrače. Optimalizovat akustiku takových dílů a minimalizovat nežádoucí zvuky, to je precizní piplavá práce v interakci mezi akustikou a funkcí.

Například stěrače: čím vyšší přítlačnou sílu vytvoříme – například pomocí aerodynamicky tvarovaných nástaveb – tím lepší je jejich funkce. Tyto tvarované díly jsou ovšem klasickými zdroji rámusu, které musí být z hlediska konstrukce a geometrie řešeny tak, aby fungovaly bez zbytečného hluku. Značně rušivým zdrojem hluku může být i anténa. Také otevřené posuvné střešní okno je choulostivým bodem akustiky vnitřního prostoru a vyžaduje zvláštní vytvarování malého dílu odklánějícího vzdušný proud.

Z toho je jasné, že vytvoření příjemné aeroakustiky je velkou skládačkou s mnohými, zčásti velmi malými díly, která vyžaduje mnoho trpělivosti, pečlivosti, know-how a zkušenosti – a ideální podmínky, tak jak je poskytuje nový zkušební tunel Audi.

Aerodynamika: vítr pod kontrolou

Pro realistickou simulaci větrných poměrů na silnici má rozhodující význam, aby vzduch pokud možno nerušeně proudil do prostoru aerodynamického tunelu. Aby se toho dosáhlo, použili technici zvláštní triky. Nejprve se proud vzduchu v předkomoře usměrní jemnou mřížkou podobnou plástvi a dalším sítem zbaví turbulencí. Těsně před vlastním zkušebním stendem je na podlaze odsávání, kterým se odbourá takzvaná podlahová hraniční vrstva – proudění zpomalené třením na podlaze, tím se zabrání chybám v simulaci.

K novinkám zkušebního kanálu patří poměrně nevzhledná komora posetá tucty reproduktorů – „protizvuková komora“. Každá trubka, kterou proudí vzduch – a aerodynamický tunel je obzvlášť velká a dlouhá trubka – vytváří rezonační kmity, které jsou u koncertní příčné flétny žádány, ale ve zkušebním tunelu působí nízkofrekvenční kmity rušivě. Audi snímá tyto kmity mikrofonem a převádí je do protizvukové komory, kde se cíleně generují protikmity, aby se nežádoucí vedlejší efekty neutralizovaly.

Srdcem zkušebního stendu je váha skrytá v podlaze s integrovaným běžícím pásem, který má šířku jednoho metru a běží pod autem rychlostí až 235 km/h. Tato technika má původ v závodním sportu a znamená velký kvalitativní skok. Poměry na silnici totiž mohou být simulovány přesněji než dosud – jediný rozdíl je v tom, že zde auto stojí a silnice jede.

Kola se otáčejí pomocí miniaturních běžících pásů, které jsou poháněny synchronně s rychlostí větru. „S touto technikou jsme docílili optimální simulace poměrů u země,“ říká Norbert Lindener, vedoucí aerodynamiky a střediska aerodynamického tunelu. „Nyní jsme se ohromně přiblížili skutečnosti.“ A existuje další možnost úspory času: „Pomocí druhé malé váhy zkušebního kanálu mohou být zkoumány i menší modely bez jakýchkoliv nákladů na přestavbu.“

Při další optimalizaci aerodynamiky bude v budoucnu hrát důležitou roli právě prostor pod autem. Dr. Stefan Dietz, aerodynamik a jeden z inženýrů, kteří se významně podíleli na dosažení rekordní hodnoty cW modelu A2, říká: „Řešení spodku vozu nabízí jeden z největších potenciálů pro další snížení odporu vzduchu.“ Pokusy s modelem A2 v měřítku 1:4 například ukázaly, že hodnota cW při zcela hladkém spodku je o 50 bodů lepší – což je právě ten rozdíl, který ze sériového auta dělá mistra světa.

Požadavky techniků – především s ohledem na chlazení různých agregátů jako brzd a převodovky – se vždy stoprocentně nekryjí s představami aerodynamiků. Proto je kromě know-how a zkušenosti zapotřebí i velká míra tvořivosti, aby se dospělo k dobrým řešením. „Pak člověk stojí pod autem,“ říká Dr. Stefan Dietz, „a ptá se: Jaký díl musím vymyslet, aby se vzduch dostal tam, kde jej chci mít?“

Při tom pomáhá i počítač. Simulace proudění vzduchu na počítači trvá podstatně déle než pokus ve zkušebním kanálu. „Pro výsledky, které získáme v aerodynamickém tunelu za několik minut, potřebuje současný počítač týden.“ Předem se ví, že proudění vzduchu je nanejvýš složitý proces, „velmi chaotický, velmi nestacionární“. Nákladné výpočty však pomáhají složité procesy lépe pochopit a dospět cíleněji a rychleji ke správným rozhodnutím. Je jasné, že programy jsou stále lepší, stále rychlejší. První speciální aeroakustické programy jsou už v pokusném stadiu.

Termodynamika: studený vítr

Nové středisko aerodynamického tunelu zahrnuje ještě druhý zkušební kanál, mnohem menší, ale také vybavený nejmodernější technikou: termovětrný kanál. Byl zřízen v prvé řadě pro simulaci chlazení motoru a má také některá speciální zařízení, určená k získání ještě lepších experimentálních výsledků s vyšší vypovídací schopností. Jednou z novinek je například skleněná podlaha zkušebního stendu. Může se zahřát na 60 stupňů a tak simulovat horký letní asfalt. Navíc technikům umožňuje volný pohled na děje proudění u spodku vozu, a tím pozorování proudů vzduchu vycházejících z motorového prostoru.

Pro termovětrný kanál je důležitá možnost vítr relativně rychle přerušit a obnovit, jak se to stává při brzdění na dálnici nebo při způsobu jízdy ve městě. Protože turbíny mají velkou setrvačnost, umístili u Audi přímo před trysku velkou ocelovou desku, která může proud vzduchu prudce přerušit.

Ostatně, kdybyste jako lyžaři chtěli zlepšit svou techniku sjezdu nebo jako vášniví cyklisté svou pozici na kole, tak vězte, že středisko aerodynamického tunelu může být pronajato i externím zájemcům. Zájemci si tedy mohou pronajmout nejmodernější, nejrychlejší a nejtišší aeroakustický kanál na světě.