Până unde se poate ajunge? Se proiectează cea mai rapidă maşină din lume

Începând cu Benz No. 3 al lui Lydston Hornsted, care a stabilit un record de 124 de mile pe oră (cca. 200 de kilometri pe oră) acum exact 100 de ani, până la deţinătorul recordului actual, Thrust SSC al lui Andy Green, care a întrecut bariera sunetului pentru a atinge 763 de mile pe oră (cca 1228 kilometri pe oră) în 1997.

Acum, cei care au construit Thrust SSC şi-au propus un scop şi mai provocator: să atingă recordul de viteză la sol de 1000 de mile pe oră (cca 1610 kilometri pe oră) cu o nouă maşină numită Bloodhound SSC. Data propusă pentru a o atinge este anul 2016 şi va fi încercată în Hakskeen Pan în Africa de Sud unde au făcut o pistă lungă de 12 mile (cca 19 kilometri) şi lată de două mile (cca 3 kilometri).

Speranţa care îi împinge să facă asta este să inspire o nouă generaţie de ingineri englezi şi oameni de ştiinţă, să promoveze ingineria britanică în lume şi să descopere tehnologii care vor influenţa proiectarea aplicaţiilor inginereşti şi vor susţine economia Marii Britanii.

Cum să rămâi pe pământ

Se împlinesc acum şapte ani de când am stat prima dată de vorbă cu Ton Ayers şi cu Richard Noble care au condus Thrust SSC. La acea întâlnire am discutat ideea şi mai ales provocările aerodinamice pe care le pune deplasarea unei maşini la 1000 de mile pe oră. Curând după acea întâlnire când a apărut pe biroul meu de la Swansea University (unde terminam pe vremea aceea doctoratul) fotografia de mai jos.

O primă reprezentare artistică a ceea ce se va numi Bloodhound LSR vehicle

O întrebare cheie care s-a pus când a început proiectarea lui Bloodhound a fost: cum să menţinem maşina pe pământ? Acest lucru e important deoarece maşinile, la astfel de viteze, riscă să decoleze ca avioanele. Ca o comparaţie trebuie spus că un avion de pasageri tipic decolează la circa 150 de mile pe oră (240 de kilometri pe oră). Desigur, acest lucru e necesar pentru avioane ca să decoleze, dar pentru o maşină care goneşte cu 1000 de mile pe oră, ar însemna un dezastru. Deşi acest lucru nu s-a întâmplat în încercările recente de a stabili recorduri, un exemplu din 1967, când Donald Campbell a încercat să doboare recordul de viteză pe apă arată ce s-ar putea întâmpla.

Progresele tehnologice şi curajul piloţilor au dus la stabilirea de noi recorduri de viteză în tot secolul trecut. Chiar dacă primul record a fost stabilit de un automobil electric, recordurile din prima jumătate a secolului au fost dominate de vehiculele puse în mişcare de motoarele cu pistoane. Aceste motoare cu ardere internă, cum mai sunt cunoscute, se găsesc în aproape toate maşinile moderne care folosesc benzina sau motorina. Folosind aceste motoare, se pot atinge viteze de până la 400 mile pe oră (cca 650 kilometri pe oră)

Pentru a progresa, constructorii de automobile aveau nevoie de puteri mai mari. Atunci s-au orientat spre motorele cu reacţie şi spre rachete pentru a propulsa aceste vehicule. Acesta era şi momentul în care, pe măsură ce creşteau vitezele, rezistenţa aerului devenea prea importantă pentru a mai putea fi ignorată. Aerodinamica maşinilor devenea critică pentru succesul încercărilor de a doborî recorurile de viteză la sol.

Mai rapid, mai puternic, cu un aspect mai elegant

Aerodinamica este studiul curgerii aerului peste corpuri şi forţele pe care le exercită ca rezultat, asupra acestor corpuri. Ecuaţiile matematice care descriu acest fenomen sunt atât de complexe încât, până la apariţia supercomputerelor, aproape toate studiile aerodinamice trebuiau făcute în tunele aerodinamice sau pe sănii propulsate de rachete.

Totuşi, acum putem realiza modele matematice remarcabil de exacte, rezolvând aceste ecuaţii cu ajutorul supercomputerelor. Cu o putere de calcul mai mare, calculatoarele pot executa teste ”virtuale” în tunelul aerodinamic. Fluxul de aer trebuie modelat până la turbulenţele haotice din acest flux la scări de timp şi spaţiu minuscule.

Dar examinând problema, ne-am dat seama că a ţine botul maşinii jos s-ar putea să nu fie adevărata problemă. De fapt, condiţia ca înălţimea botului faţă de sol să fie corectă, trebuie ca forţa de ridicare a botului să fie nulă, asigurându-ne că fluxurile pe dedesubtul şi pe deasupra botului să fie echilibrate. Problema era ca şi spatele maşinii să rămână pe pământ, având în vedere puternicele unde de şoc provocate de roţile mari din spate ieşite în afară şi de suspensii.

Comportarea aerodinamică nemaiîntâlnită a dus la un studiu de şase luni care a avut ca rezultat aşa-numita proiectare ”delta firing”, recent publicată în Journal of Automobile Engineering. Această proiectare protejează efectiv baza şi dedesubtul vehiculului de perna de aer creată de roţile din spate, când maşina depăşeşte bariera sunetului. Fără proiectarea delta firing, Bloodhound s-ar ridica de la pământ la viteze de aproximativ 0,9 Mach (90% din viteza sunetului), aşa cum a făcut vehiculul lui Campbell în 1967.

Simţul numerelor

În acele conversaţii timpurii din camera din faţă n-am anticipat că făcând conducta de admisie bifurcată (admisia dublă împărţită) în proiectul original pentru a livra un flux convenabil de aer spre compresorul motorului cu reacţie în toată gama de viteze, va fi aşa de greu. Aceasta ne-a dus în cele din urmă să ne întoarcem la o singură admisie deasupra capotei carlingii.

În acele prime zile noi nu ”simţeam” cu adevărat cât de stabilă va fi maşina, ceea ce în schimb însemna că nu ştiam cât de mare va trebui să fie aripioara verticală care ”menţine botul drept înainte”, după cum spunea Andy Green, pilotul nostru.

În primele versiuni ale proiectului aerodinamic, ne-am concentrat aproape exclusiv asupra problemei formei externe pe care ar trebui s-o aibă maşina şi să încercăm să ne închipuim dacă viteza de 1000 de mile pe oră e posibilă. Am fost mereu surprinşi de performanţele aerodinamice pe care le preziceau simulările pe calculator. Asta mă călca pe nervi. Mă întorceam mereu la întrunirile proiectanţilor, făcându-le faţă celorlalţi ingineri şi dădeam răspunsuri de genul ”Asta spun simulările. Habar nu am de ce. Mai daţi-mi timp.”

O vizualizare recentă a scurgerii curenţilor de aer sub formă de benzi şi presiunea sub formă de contururi colorate

Am făcut o "călătorie" pe cinste în proiectarea inginerească. Imaginea de mai jos arată evoluţia proiectului din 2007 până la proiectul actual (config 12). Un lucru pe care trebuie să-l observaţi din această evoluţie a proiectului este cum am ajuns direct la o formă optimă. Secţiunea formei geometrice devine din ce în ce mai mică. Cine a avut de-a face cu metoda aproximărilor succesive, lucru esenţial în proiectare, va fi obişnuit cu acest lucru. Dar mai important, în tot ce s-a întâmplat, este faptul că efectele aerodinamice ale schimbării formei au devenit din ce în ce mai previzibile.

Evoluţia proiectului formei externe a lui BLOODHOUND de la config 0 la config 12

De fapt, cu ajutorul celor mai recente şi subtile schimbări ale exteriorului, Ron şi cu mine am putut să prezicem intuitiv cu siguranţă impactul asupra performanţelor şi folosind apoi simulările pe calculator, să verificăm aceste intuiţii. Pentru un proiectant de aerodinamică, asta e cea mai bună poziţie posibilă.

Suprafeţele de curent captează fluxul de dedesubt al lui BloodHound cu frânele aerodinamice coborâte

Dar pe măsură ce se apropie testarea vehiculului în 2015, se pune întrebarea dacă această predictabilitate va continua. Ca cercetător ştiinţific care speră să înveţe cât mai mult posibil din simularea pe calculator, în aplicaţii extreme, într-un fel, sper că răspunsul la această întrebare e negativ. Ar fi mult mai interesant să apară noi întrebări care să ne pună mintea la încercare. Dar, pentru moment, trebuie să avem răbdare şi să-l construim pe Bloodhound. Trebuie stabilit un nou record de viteză.