Ветровое стекло

Ветрово́е стекло́, или Лобово́е стекло́ — прозрачный щиток, устанавливаемый в передней части кабиной транспортного средства для защиты водителя (пилота) и пассажиров от набегающего потока воздуха, насекомых и тому подобное.

Кроме того, ветровое стекло — элемент, вносящий значительный вклад в формирование аэродинамического обтекания автомобиля, летательного аппарата (ЛА) и так далее, а конструкция его проёма оказывает весомое влияние на жесткость кузова автомобиля, ЛА в целом. Ниже рассмотрено эволюция ветрового стекла на автомобиле, а конкретно на легковых автомобилях общего назначения. Следует учитывать, что на грузовиках она шла медленнее.

Первые автомобили имели открытый кузов и, как и открытые гужевые экипажи, в остеклении не нуждались. Однако рост скоростей быстро заставил конструкторов задуматься о защите водителя и пассажиров от набегающего потока воздуха. Кроме того, стали появляться закрытые кузова каретного типа, в которых ветровое стекло было необходимой деталью.

Самым первым вариантом ветрового стекла был круглый прозрачный щиток, закреплённый напротив водителя на рулевой колонке. Даваемая им защита была близка к символической, тем не менее его наличие уже позволило сделать управление автомобилем более комфортным и безопасным.

В самом начале 20 века многие модели имели ветровое стекло (а версии с закрытыми кузовами ещё и заднее и боковые), сделанное из того же материала, что и обычное оконное, но такое стекло было хрупким, а осколки такого стекла были большими, острыми и опасными, и как следствие, сразу стали делать из закалённого стекла, что существенно повысило прочность и безопасность. Однако закалённое стекло разлетается на осколки даже при не очень сильном ударе, поэтому для ветрового стекла такая технология годилась лишь с оговорками.

На открытых кузовах ветровое стекло выполняли складывающимся полностью или из двух половин, а на закрытых оно обычно было подвешено на верхних петлях и могло откидываться наружу для улучшения вентиляции салона (поэтому оси стеклоочистителей располагали сверху от стекла). Таким ветровое стекло было до середины 1930-х годов, изменения коснулись лишь формы стекла; кроме того, его стали делать только цельным, без разделения на две половины и форточек. В 1920-е годы появляются стеклоочистители с электрическим, механическим (ручным или от вала двигателя) или пневматическим (от разрежения во впускном коллекторе двигателя) приводом.

Некоторые модели открытых автомобилей (их обычно называли «dual-cowl phaeton», они имели два отдельных пассажирских отделения) имели два ветровых стекла, отдельно для переднего и заднего пассажирских отделений. Вероятно, последним автомобилем такого типа был Chrysler Imperial Parade Phaeton, произведённый в США в 1952 году для участия в различных официальных мероприятиях.

Ещё в начале XX века французский химик Эдуард Бенедиктус изобрёл стекло типа «триплекс» — из двух слоёв стекла и проложенного между ними слоя плёнки коллодия. Такое стекло при ударе не разбивалось на куски, как обычное, и не рассыпалось на мелкие осколки с тупыми гранями, как закалённое, а трескалось, оставаясь на плёнке, что ещё больше повысило пассивную безопасность (аварии в автомобилизированной Америке в конце 1910-х-начале 1920-х годов не были редкостью). Впервые триплекс в качестве ветрового стекла появилось на Ford T модели 1919 года. Это новшество распространилось по всей стране, таким образом США перешли на триплекс раньше всех. Плёнка первых трёхслойных стёкол быстро желтела.

• 
  Лобовое стекло-«щиток» на Ford T 1913 года.
• 
  Ford model 40 (1934) с приоткрытым лобовым стеклом.
• 
  «Hispano-Suiza» 1924 года с кузовом «Dual-Cowl Phæton» — два лобовых стекла в складывающихся рамках.
• 
  1924 Studebaker Light Six с приоткрытыми секциями лобового стекла.

Уже к середине 1930-х годов развитие автомобильного дизайна спровоцировало важное изменение в конструкции ветровых стёкол. В результате популяризации работ ряда исследователей, например немца Эдмунда Румплера^[англ.] и венгра Пауля Ярая^{[англ.][1]}, в области обтекания автомобиля потоком воздуха форма кузова становится более округлой, лучше отвечающей требованиям аэродинамики. В таких условиях цельное плоское ветровое стекло, установленное вертикально или почти вертикально, уже не устраивало дизайнеров.

Однако технологии массового производства гнутых стёкол в те годы ещё не существовало. Выходом стали V-образные ветровые стёкла из двух плоских половин, хорошо вписавшиеся в закруглённые обводы кузовов автомобилей второй половины 1930-х годов. Разделение стекла на две соединённые перегородкой с уплотнителем части, находящиеся под некоторым углом друг к другу, вынудило установить два стеклоочистителя, так как один не мог очищать обе половины V-образного стекла (хотя стеклоочиститель со стороны пассажира изначально был опцией).

Одним из первых примеров применения подобного решения была модель Chrysler Airflow, созданная в результате продолжения исследований в направлении, заданном более ранними работами Ярая^[2]. Любопытно, что кузов этого автомобиля современными исследователями классифицируется как «ложнообтекаемый», так как реальное уменьшение сопротивления воздуха не превышало 25 %.^[2]

V-образные стёкла стали располагать под некоторым углом к вертикали (изначально он был невелик и составлял порядка 20-35°), что позволило не только улучшить внешнее восприятие автомобиля, сделать его визуально более динамичным, — но и на практике несколько улучшить обтекаемость кузовов.

Из соображений безопасности постепенно происходит отказ от складывающихся и откидных стёкол, популярных в предшествующую эпоху — в ущерб вентиляции салона, которая теперь осуществлялась через систему появившихся в остеклении боковых дверей поворотных или раздвижных «форточек» и/или стеклоподъёмников (которые появились ещё в конце 1920-х годов). Ветровое стекло на всех типах кузовов начинают устанавливать внутри мощного проёма при помощи резинового уплотнителя. При сильном ударе головы водителя или пассажира о такое стекло оно целиком вылетало из проёма, гася энергию удара. Машины с неподвижно зафиксированным в проёме ветровым стеклом часто можно было отличить по нижнему расположению осей стеклоочистителей, — ранее их приходилось располагать сверху, чтобы они откидывались вместе со стеклом.

Эти конструктивные нововведения стали общепринятыми на протяжении второй половины 1930-х — 1940-х годов. Единственными исключениями были некоторые открытые автомобили, например, военный Willys MB (1941) имел откидное ветровое стекло в лёгкой рамке.

На эти годы приходятся первые попытки улучшить обзор водителя за счёт создания панорамного стекла, одновременно несколько улучшить обтекаемость автомобиля, а в большей степени — придать ему более обтекаемый внешний вид.

Так как технология производства гнутых стёкол такого размера по-прежнему отсутствовала, ветровое стекло собирали из нескольких плоских меньшего размера, разделённых стойками^[3] (на илл. слева).

После войны форма кузовов автомобилей стала быстро меняться, однако, стёкла по прежнему оставались V-образными. На рубеже 1940-х и 1950-х годов произошёл пересмотр пропорций кузовов легковых автомобилей, высота бортов кузова снизилась, а площадь остекления выросла, благодаря чему выросла и площадь ветрового стекла^[4] (на илл. справа).

Повышенные требования к оптическому качеству ветрового стекла долго не позволяли делать его гнутым, хотя задние стёкла делали изогнутыми и задолго до этого; например на «Победе», освоенной в производстве в 1946 году, имелось гнутое заднее стекло. В данном случае его применение оказалось не очень удачным — стекло было невелико по размеру, к тому же брак при производстве был нередким явлением^[5], а из-за несовершенной технологии производства стекло не имело необходимых оптических свойств — прямые рельсы через него выглядели сильно изогнутыми^[6]. Гнутым было и заднее стекло ЗИМа (1949)^[7], причём к этому времени удалось решить технологические проблемы, а размер стекла был значительно увеличен по сравнению с «Победой». Ветровое стекло на этих автомобилях оставалось V-образным из двух плоских половинок^[7].

Первое гнутое ветровое стекло на серийном автомобиле появилось в 1934 году на самых дорогих вариантах линейки моделей Chrysler Airflow, однако распространения не получило. На массовых моделях гнутые ветровые стёкла стали появляться лишь в начале 1950-х годов. Безусловно, они ещё лучше, чем V-образные, вписывались в плавные округлые обводы автомобилей этих лет. Между тем с практической точки зрения они имели немало недостатков — хуже очищались стеклоочистителем, были сложнее и дороже в производстве, бликовали на солнце. Кроме того, технологии изготовления гнутых стёкол типа «триплекс» некоторое время не существовало, а после её появления они стоили дорого, поэтому первоначально гнутые стёкла вынужденно делали простыми калёными, хотя технология изготовления плоских «триплексов» была хорошо освоена ещё в довоенное время. В США гнутые «триплексы» научились делать ещё в пятидесятых, но в Европе и СССР, их широкое применение начинается лишь в начале 1970-х годов (в СССР впервые стекло типа «триплекс» применялось на ГАЗ-А, поскольку машина была лицензионной версией американского Ford A).

Изначально гнутые ветровые стёкла делали из двух половин, как прежние V-образные. На автомобилях Cadillac такие ветровые стёкла появились ещё в 1948 модельном году. Несколько позднее гнутые ветровые стёкла появились на автомобилях остальных американских производителей (на «Бьюиках» — в 1949, на «Шевроле» — в 1950, на «Доджах» и «Плимутах» — в 1951, «Фордах» — в 1952, причём цельное, и т. д.). Гнутым начинают делать и заднее стекло. Начинают появляться омыватели с ручным, вакуумным или электрическим приводом, сначала — как опция.

Позднее гнутые ветровые стёкла распространяются по всему миру. Первые гнутые стёкла в СССР устанавливались на «Москвич-402» и «Волгу» ГАЗ-21 (1956 год).

Площадь ветрового стекла, как и остекления вообще, непрерывно увеличивалась в течение последующего десятилетия, как за счёт увеличения его высоты и изгиба, так и за счёт бо́льшего наклона, что позволило существенно улучшить обзорность и, соответственно, активную безопасность автомобиля. Увеличившаяся площадь остекления привела к тому, что салон автомобиля стал более заметен для внешнего наблюдателя, — это привело дизайнеров к необходимости более тщательной проработки его стилистики, приведения её в соответствие с кузовом. В частности, в 1950-х годах стали популярны салоны, по цвету отделки соответствующие кузову, либо, напротив, образующие с ним специально подобранное приятное контрастное сочетание. К этому добавились новейшие разработки в области искусственных материалов — пластических масс, кожзамов, ткани с люрексом, и так далее.

Верхом развития технологий 1950-х годов в области изготовления автомобильных стёкол были панорамные ветровые стёкла. Пионером здесь опять стал «Кадиллак» — на модели Eldorado в 1953 году появилось панорамное ветровое стекло, углы которого загибались на боковины кузова, а стойки были вертикальными. В те годы это казалось очень необычным, а технологии, позволяющие изготовлять подобные стёкла, были только что разработаны. Тем не менее, в 1954 году таким ветровым стеклом располагали уже все модели «Кадиллаков». А в 1955 к ним присоединилось большинство американских производителей. Задние стёкла также начинают делать панорамными, сначала — из трёх частей.

Пиком развития «панорам» стали 1958 и 1959 модельный годы. В этот период появились ветровые стёкла с «заваленными» назад стойками с обратным наклоном, различным образом изогнутые стойки, и т. д. «Меркьюри» предлагал автомобили с ветровым стеклом, имеющим изгиб в верхней части, заходящий на крышу и якобы позволяющий лучше видеть светофоры в городе. В эти же годы в США широкое распространение получили тонированные стёкла, ветровые стёкла с затемнённой верхней частью; появились даже так называемые атермальные стёкла, то есть не пропускающие тепло в салон автомобиля и не дающие ему нагреваться от солнечных лучей (правда, их распространённость в те годы была невелика).

Самым экстремальным вариантом остекления на серийном автомобиле в те годы стали, пожалуй, «Кадиллаки» и «Бьюики» 1959 модельного года в кузове «четырёхдверный хардтоп»: они имели не только огромное панорамное ветровое стекло с обратным наклоном стоек, но и очень широкое панорамное заднее так называемого типа «Vista», к тому же — совершенно плоскую панель крыши, опирающуюся на очень лёгкие стойки. Внешний вид был превосходным, однако, такая конструкция крыши оказалась опасной при опрокидывании автомобиля, и уже через год снята с производства.

Американские концепт-кары же тех лет имели ещё бо́льшие по площади панорамные ветровые стёкла, например, на проекте атомного автомобиля Ford Nucleon цельное панорамное стекло должно было заходить далеко на боковину. Другие концепт-кары предусматривали даже замену кабины с остеклением на полностью остеклённый фонарь авиационного типа, или даже на два раздельных фонаря (для правой и левой половин салона), но на практике до такого дело не дошло.

В Европе, однако, к новинке отнеслись более сдержанно — тем более, что технический уровень Европы отставал от североамериканского, и на многих автомобилях в те годы всё ещё устанавливались V-образные стёкла (в том числе — на отечественных «Победе» ГАЗ-М-20 и ЗИМе), а то и цельные плоские («Москвич-400», всё ещё выпускавшиеся старые модели Fiat и Renault, Lloyd 600 / Alexander, и многие другие). На более современных автомобилях — таких, как «Волга», BMW 501 или «Мерседес-Бенц» «Понтон» — устанавливались уже гнутые ветровые и задние стёкла, но о внедрении «панорам» по американскому образцу большинство производителей ещё не задумывалось (в Чехословакии в 1956 году в рамках разработки новой модели на смену переходному типу Škoda 440 был изготовлен прототип переднеприводной Škoda 976 с практически вертикальной передней стойкой; не пошел в серию из-за невозможности осуществить собственное производство ШРУС без покупки лицензии). Европейские фирмы, тесно связанные с американским автопромом — Facel-Vega, Opel и Vauxhall Motors — попытались в конце пятидесятых вывести на рынок модели с панорамным остеклением «американского типа», но на автомобиле европейского размера — куда более компактном, чем большинство американских — данное дизайнерское решение привело к резкому уменьшению размеров дверных проёмов и затруднённой посадке в салон, что вызвало вполне справедливую критику. Более практичные европейцы делали выбор в пользу удобства входа и выхода, а не яркого дизайна. В результате панорамные стёкла в Европе использовались нечасто, и как правило в наименее экстравагантном варианте — минимально заходящие на боковину и с традиционно заваленными назад стойками. Именно такими были ветровые стёкла и на отечественных «Чайке» и ЗИЛ-111. Большинство же европейских производителей автомобилей сравнительно недолгую эпоху расцвета панорамных стёкол просто «проскочило».

К концу 1950-х годов выяснилось, что вертикальная — и, тем более, имеющая обратный наклон — стойка ветрового стекла (в США такую стойку называли за характерный изгиб «собачья нога» — dog leg) мешает входу и выходу из автомобиля, ослабляет кузов и вызывает излишнюю деформацию при аварии^[4]. Само панорамное стекло тоже не лишено недостатков — сильно бликует, искажает картинку. Наконец, само развитие американского дизайна уже в самом начале 1960-х годов привело к появлению автомобилей с более квадратными, «рублеными» обводами, в экстерьер которых панорамные и даже полупанорамные стёкла вписывались плохо. В результате в США вернулись обратно к гнутому ветровому стеклу. Несколько лет просуществовали полупанорамные стёкла, имевшие небольшие загибы в нижней части и изогнутую стойку проёма, но к середине десятилетия полностью исчезли и они.

Таким образом, даже в США история панорамных стёкол фактически свелась к относительно короткому периоду — с 1953 по 1961 годы, а массовое распространение они имели вообще лишь с 1955 по 1959/1960. И только фирма «Крайслер» выпускала несколько моделей высшего класса (Imperial) с полупанорамными ветровыми стёклами до середины шестидесятых. Уже к середине 1960-х о панорамных стёклах практически забыли. Редкие устаревшие модели, разработанные ещё в 1950-е годы, снабжались ими в течение ещё некоторого времени, но основная масса автомобилей получила ветровые стёкла, изогнутые лишь настолько, чтобы вписываться в угловатый дизайн автомобилей этой эпохи.

В наше время, правда, происходит частичный возврат к идее панорамного ветрового стекла, но теперь этот термин обозначает уже не сильно изогнутое стекло, заходящее на боковину кузова, а лишь наличие сравнительно небольших дополнительных окошек в передних стойках крыши, отделённых от непосредственно ветрового стекла. Этот стиль появился на минивэнах (например Renault Espace), а в настоящее время нередко используется и на небольших легковушках со сравнительно высокими кузовами, вроде Toyota Auris. Некоторое распространение, в основном — на французских моделях, также имеют ветровые стёкла, частично заходящие на крышу автомобиля. О возврате настоящих «панорам» в обозримом будущем речи уже не идёт из-за радикального ужесточения требований к безопасности автомобилей при столкновении.

В последующие десятилетия никаких особых нововведений не происходило. Ветровые стёкла с каждым годом наклоняют назад всё сильнее, чтобы улучшить аэродинамику; соответственно, растёт их площадь и трудоёмкость изготовления.

В 1980-е — 1990-е годы в связи с появлением новых технологий конструкция ветрового стекла и его проёма меняется: исчезают резиновые уплотнители, теперь стёкла вклеиваются непосредственно в проём — это позволяет снизить аэродинамическое сопротивление и повысить жёсткость кузова, но требует повышенной точности изготовления стекла и разработки технологии нанесения на его края специального покрытия для прочного удержания в проёме клеем. Хотя впервые такая технология была использована в 1973 году на Oldsmobile Cutlass четвёртого поколения, стык при этом по моде тех лет маскировали развитыми молдингами-окантовками^[8].

Появляются новые покрытия, уменьшающие загрязнение стёкол. Некоторое распространение получает встроенный в ветровое стекло обогрев. Технология получения трёхслойных стёкол продолжает совершенствоваться, они становятся всё безопаснее. Массовое распространение получают атермальные стёкла, не пропускающие в салон тепло солнечного света. Стеклоочистители и стеклоомыватели получают автоматическое включение от датчика дождя.

Любопытная разработка — индикатор на лобовом стекле (система отображения на ветровом стекле данных о скорости движения и иной информации). Другая новинка — прибор ночного видения для езды в темноте, проецирующий картинку прямо на стекло.

В настоящее время ветровое стекло современного автомобиля — изготовленное с прецизионной точностью, технически сложное, наукоёмкое изделие, продукт занявшей десятилетия эволюции.

Как показали опыты американского исследователя В. Э. Лэя^[4] на моделях в аэродинамической трубе, геометрия и расположение ветрового стекла серьёзно влияют на аэродинамику автомобиля.

Минимальные значения коэффициента обтекаемости Сх (то есть, наименьшее аэродинамическое сопротивление) при прочих равных получаются, когда угол наклона ветрового стекла составляет 45…50 градусов к вертикали, дальнейшее увеличение наклона к серьёзному улучшению обтекаемости не ведёт. Разница между наилучшим и наихудшим (при вертикальном лобовом стекле) значениями составила 8…13 %.

Те же опыты показывают, что разница в коэффициентах обтекаемости автомобиля с плоским ветровым стеклом и со стеклом наиболее выгодной с точки зрения аэродинамики формой (полукруглого сечения, недостижимого на реальном автомобиле) при прочих равных составляет 7…12 %.

Кроме того, в литературе^[4] указано, что немалую роль в формировании аэродинамической картины кузова легкового автомобиля играет оформление переходов от ветрового стекла к крыше, боковинам кузова и капоту, которые должны быть максимально плавными. Сегодня широко используется спойлер-отсекатель в виде «вздёрнутой» задней кромки капота, отводящий поток воздуха от границы капота и ветрового стекла, благодаря чему стеклоочистители оказываются в аэродинамической «тени». Водосточные желобки недопустимо располагать в местах перехода от ветрового стекла к боковинам кузова и крыше, так как на этих переходах резко возрастает скорость потока воздуха.^[4] Отмечается важность использования современных вклееных стёкол, которые не только снижают ощутимо сопротивление воздуха, но и повышают структурную прочность кузова в целом.

В британском английском (Великобритания, Австралия, Новая Зеландия) для обозначения лобового стекла используется термин «windscreen». Кроме того, ветровое стекло-щиток старинных открытых спортивных автомобилей высотой ниже 20 см (точнее, 8 дюймов) иногда обозначается как «aeroscreen».

В американском английском используется термин «windshield», а «windscreen» обычно означает ворсистую или полиуретановую накладку на микрофон, уменьшающую фоновые шумы. В британском английском всё с точностью наоборот.

В японском английском аналогичным термином для обозначения лобового стекла является «front window».

На немецком «ветровое стекло» будет «Windschutzscheibe», а на французском — «pare-brise». В итальянском и испанском используются похожие и лингвистически родственные термины «parabrezza» и «parabrisas» соответственно.

• Система Active Air Management System (AAMS) — особая аэродинамика кузова, которая перенаправляет потоки воздуха вокруг салона и заменяет остекление кабины (технология представлена на суперкаре McLaren McLaren Elva^[англ.]) // Популярная механика, 15.01.2022