Техника Ф1 в сезоне 2014 года: Новое в аэродинамике

Крэг Скарборо
18 февраля 2014 в 11:00

Новый технический регламент Формулы 1 затронул аэродинамику лишь отчасти, но это привело к огромной разнице во внешнем виде машин и вызвало массу споров среди болельщиков и специалистов. Крэг Скарборо решил разобраться, что к чему

В заключительной части обзора самых важных изменений в техническом регламенте Формулы 1 эксперт AUTOSPORT анализирует новшества, относящиеся к аэродинамическим характеристикам машин

Раздел, касающийся аэродинамики, в сравнении с двигателями подвергся не таким серьезным изменениям, но при этом они вызвали изрядное количество споров.

На самом деле, новации в этой области свелись лишь к изменению размеров нескольких элементов: "нос" машин опустился ниже, переднее антикрыло стало уже, а количество выхлопных труб сократилось вдвое.

Однако такие, казалось бы, незначительные перемены полностью изменили схему движения воздушных потоков и заставили инженеров изрядно поломать голову, чтобы хоть как-то компенсировать потерю прижимной силы.

Кроме того, эти изменения, как вы уже успели заметить, серьезно отразились и на внешнем виде машин. Но прежде, чем перейти к детальному анализу, давайте вспомним уже освещенные темы.

технический регламент-2014: что нового?

Техника сезона-2014: аэродинамика
Техника сезона-2014: аэродинамика

АЭРОДИНАМИКА В ПЕРЕДНЕЙ ЧАСТИ МАШИНЫ

Несмотря на то, что в плане аэродинамики обводы передней части машины играют не столь важную роль, эта область шасси вызвала самые оживленные дискуссии.

Во-первых, согласно новому техническому регламенту, кончик "носа" машины отныне должен находиться не выше, чем в 18,5 см от базовой плоскости (днища машины) по сравнению с прежними 55 см.

Это требование – вкупе с уменьшением площади поперечного сечения кончика носового обтекателя – имеет целью предотвратить "полеты" машин после столкновения со впереди идущим соперником: всем памятны события 2010 года в Валенсии, когда RB6 Марка Уэббера взмыла высоко в воздух после неудачного касания с Lotus Хейкки Ковалайнена.

Обтекатели сделали ниже, чтобы не допустить "полётов" машин
Обтекатели сделали ниже, чтобы не допустить "полётов" машин

Кроме того, уменьшена и максимальная высота шасси в районе точки крепления носового обтекателя – с 62,5 см до 52,5 см.

Наконец, ширина переднего антикрыла отныне не может превышать 165 см против прежних 180 см - это сделано, чтобы уменьшить эффективность этого элемента. Размер аэродинамически нейтральной средней секции крыла остался прежним и составляет те же 50 см.

Казалось бы, все эти ограничения должны были привести к возвращению в Формулу 1 низких носовых обтекателей из начала 2000-х – однако нынешний регламент, как и всегда бывает, полон различных лазеек и оговорок.

Команды не желали опускать носовые обтекатели своих новых машин, так как это заставило бы их полностью менять переднюю подвеску - поэтому конструкторы воспользовались тем, что большая часть монокока может находиться на прежней высоте 62,5 см – а на спад идти лишь в передней части шасси.

Относительно расположения кончика носового обтекателя машин новые правила, хоть и выработанные из благих побуждений, все же допускают некоторую вольность в трактовке. Так, например, требование, чтобы площадь кончика "носа" машин составляла не более десяти процентов от площади поперечного сечения шасси в области над передней осью автомобиля, привело к тому, что команды все равно единогласно решили пропускать большую часть набегающего воздушного потока под поднятым вверх обтекателем машины.

В итоге конструкторам команд удалось соблюсти букву закона, но при этом изогнутая форма носовых обтекателей их новых творений внешне оказалась очень непривлекательной.

Выбор есть всегда, но в текущих условиях избежать неэстетичных решений в виде "пальца" в передней части машин очень сложно. Такой дизайн, укладываясь в норматив поперечного сечения, сохраняет достаточное пространство под передней частью шасси.

Зауженный наконечник почти не препятствует воздушным потокам, тогда как поднятый вверх обтекатель способствует их протеканию под днище автомобиля, тем самым увеличивая общую прижимную силу.

При этом действующий регламент допускает определенную вольность в трактовке формулировок. Так, например, одни команды решили крепить переднее антикрыло непосредственно к узкому отростку - в этом случае верхняя часть носового обтекателя служит лишь декоративной панелью для создания общей аэродинамической формы. Ярким примером такой интерпретации правил является новая разработка команды Caterham.

Другие предпочли сделать верхнюю часть обтекателя конструктивным элементом, прикрепив к ней переднее крыло с использованием увеличенных в размере пилонов. Это решение может утяжелить нос машины в целом, но у него есть и свои плюсы - в этом случае пилоны могут играть роль открылков, что стало определенной тенденцией в последние годы.

Передние крылья стали меньше в размерах – но едва ли проще © LAT
Передние крылья стали меньше в размерах – но едва ли прощеФото: LAT

Поскольку формулировки относительно того, какие именно элементы должны являться структурными составляющими машин, действительно весьма размыты, вполне вероятно, что некоторые команды по ходу сезона попробуют прощупать пределы допустимого. Например, вспомнят о "снегоочистителях" McLaren, показанных перед сезоном-2012, или попробуют увеличенные варианты "подбородков" под кончиком обтекателя прошлогодних машин [что-то похожее уже использовано в конструкции Red Bull RB10]. Все эти решения вполне могут удовлетворить нынешним требованиям регламента.

Интересно также было бы знать, сколь прочна должна быть структура внутренней части носового обтекателя и зауженной передней надставки, чтобы благополучно пройти все краш-тесты.

Чем yже будут элементы, тем – по логике – тяжелее придётся делать их командам, чтобы во время испытаний на ударостойкость не возникло проблем. Также вполне реально, что в свете новых ограничений на вес машины в 690 кг кто-то пойдёт по пути установки более легкого, но при этом менее аэродинамически эффективного переднего антикрыла.

К тому же, вполне вероятно, что команды подготовят несколько различных вариантов дизайна носовых обтекателей – в зависимости от вектора своих разработок и/или требований конкретных трасс.

Место стыковки обтекателя и шасси, называемое также линией среза A-A монокока, является еще одной областью машины, над решением которой можно пофантазировать в рамках действующего регламента.

Как мы уже сказали, в этой части высота шасси не должна превышать установленных 52,5 см, при этом команды пойдут на все, лишь бы пустить как можно большую часть встречного потока воздуха под поднятым участком шасси и направить его от переднего антикрыла под днище машины.

Выходом из этой ситуации стала ступенчатая конструкция монокока - его передний фланец находится на установленной высоте 52,5 см, дальше, как в прошлом году, следует резкий шаг вверх, а уж затем плавное снижение к кокпиту.

Получившуюся в результате ступеньку можно прикрыть сверху декоративной панелью, которые по-прежнему разрешенными в нынешнем сезоне, тогда как равновеликая ступенька снизу монокока может быть аэродинамически решена посредством формы носового обтекателя и открылков, которые команды привыкли размещать в этой области машины.

Теперь торцевые пластины могут вновь стать изогнутыми внутрь; так уже было до 2009 года © LAT
Теперь торцевые пластины могут вновь стать изогнутыми внутрь; так уже было до 2009 годаФото: LAT

В следующем году лазейка со ступенчатыми шасси будет прикрыта путем регламентирования предельного угла наклона плоскости, идущей от передней оси автомобиля к кокпиту.

Тем временем более узкое переднее антикрыло открывает перед конструкторами определенные возможности. Из-за уменьшения ширины на 7,5 см с каждой стороны торцевые пластины крыла теперь расположены ближе к внутренней поверхности колес, а не к внешней.

Таким образом, в командах вольны либо следовать прежним принципам и продолжать делать торцевые пластины изогнутыми наружу, что стало тенденцией после изменений в регламенте к сезону-2009, или же вернуться к варианту с изгибом внутрь, направляющим воздушный поток между колес машины, как это было до 2009 года.

У обоих вариантов есть свои сильные и слабые стороны. Дело в том, что значительное снижение прижимной силы в задней части автомобиля, ставшее следствием новых требований к выхлопу и запрета несущей балки антикрыла, больше не требует сильного прижима спереди для поддержания баланса машины.

Таким образом, более узкое переднее антикрыло и изогнутые внутрь торцевые пластины имеют определенный смысл, так как позволят удержать набегающий воздушный поток под шасси.

Однако переднее антикрыло лишь отчасти имеет целью создание прижимной силы. Форма торцевых пластин и многочисленных открылков рассчитана таким образом, чтобы максимально "распрямить" завихрения воздуха, создаваемые передними колесами автомобиля.

Если правильно направить воздушные потоки, можно значительно уменьшить лобовое сопротивление колес и избавить диффузор и заднюю часть машины в целом от ненужных турбулентностей.

В итоге практически все команды пришли к варианту с сохранением торцевых пластин переднего антикрыла, изогнутых наружу. Они направляют воздушный поток в обход передних колес, а не между ними, чтобы максимально избежать создаваемых их вращением аэродинамических завихрений.

БОКОВЫЕ ПОНТОНЫ

В средней части шасси аэродинамика кузова во многом продиктована габаритами двигателя – кроме того, в правилах отныне прописаны обязательные требования по защите от бокового удара.

Прежде всего, турбокомпрессору необходим воздух. В правилах оговорено, что поступать он может через обращенные вперёд впускные отверстия воздуховодов, числом не более двух, расположенные на высоте не ниже 20 см от днища.

Трубки-"шноркели" эпохи 1980-х годов, проложенные внутри воздухозаборников, не отвечают современному регламенту и не подходят единственной центрально размещённой турбине. Идея переноса отверстия воздуховодов подальше от защитной дуги над кокпитом может дать определённое аэродинамическое преимущество, но, похоже, большинство команд пока не станут этого делать, отложив часть экстремальных идей на следующий сезон.

Требования к защите от бокового удара были стандартизированы, что определило форму понтонов © LAT
Требования к защите от бокового удара были стандартизированы, что определило форму понтоновФото: LAT

Форма самих боковых понтонов продиктована новой структурой боковой защиты, отсутствием выхлопа с эффектом Коанда и повышенными требованиями к системе охлаждения двигателя.

Несомненно, воздухозаборники станут больше. Наличие в передней их части широких защитных ребер жесткости не позволило командам использовать такие решения, как прошлогодние узкие понтоны Sauber. Кроме того в воздухозаборниках находится огромный интеркулер, охлаждающий воздух, который поступает под давлением от турбины, прежде, чем попасть в двигатель, а также два больших по сравнению с прошлогодней концепцией радиатора для обоих типов ERS.

К счастью, сам двигатель внутреннего сгорания теперь выделяет меньше тепла, что позволяет командам использовать один из понтонов исключительно для размещения интеркулера турбины, а второй - для масляных и водяных радиаторов силовой установки. Хотя пространства для систем охлаждения и стало больше, эти системы, вероятно, будут простираться вдоль кузова вплоть до самого двигателя.

Как только воздух использован для охлаждения, он должен быть тотчас высвобожден в задней части машины. Его обычному маршруту через центральное отверстие мешает расположение турбонагнетателя, поэтому команды вынуждены были продумать отверстия вокруг коробки передач хотя бы на первые этапы сезона, которые будут проходить в жарком климате.

Узость "бутылочного горлышка" перед задними колёсами помогает воздушным потокам попадать к диффузору, однако два последних года здесь доминировали приливы, необходимые для реализации эффекта Коанда. Теперь же, когда выхлоп двигателя питает турбину, такая конструкция теряет свой смысл.

Кроме того, согласно правилам на машине должно быть лишь одна центральная выхлопная труба, срез которой расположен за осью задних колёс – таким образом, отработанные газы больше не получится так эффективно обратить в прижимную силу.

После того, как "выдувные" диффузоры в 2010-м году вновь появились в Формуле 1 благодаря команде Red Bull Racing, среднее время прохождения круга улучшилось на целую секунду. Сильнее всего новый запрет ударит именно по отделам аэродинамики.

Новое расположение выхлопной трубы - она установлена высоко и смотрит назад - практически не даёт возможностей "выдуть" отработанные газы в диффузор. Возможно, лишь экстремальная конструкция задней структуры безопасности позволит направить выхлоп на крайнюю кромку диффузора, однако эффект от этого будет очень незначительный.

Скорее всего, команды постараются направлять газы на крылышко, называемое "сиденьем для обезьянки", чтобы получить хоть какой-нибудь эффект от их энергии, которая и без того сократилась из-за новых правил.

Отыграть аэродинамические потери, которые принесёт запрет "выдувного" диффузора, благодаря одним лишь потокам воздуха точно не удастся, хотя небольшие бортики или генераторы вихрей, расположенные в районе задних колёс, могут дать определённый эффект.

Приподнятые секции в задней части (идея Ньюи 2009 года) добавят эффективности © LAT
Приподнятые секции в задней части (идея Ньюи 2009 года) добавят эффективностиФото: LAT

В 2009-м году Эдриан Ньюи использовал элементы в форме совка по обе стороны диффузора для создания "воздушного барьера", не пропускающего потоки под днище. Эта идея может вернуться в Формулу 1, но любые попытки изолировать края диффузора будут иметь ограниченный эффект.

Так как команды больше не смогут "запечатывать" выхлопом края диффузора, препятствуя затеканию воздуха в разреженную область, отныне мы не увидим высокий дорожный просвет в задней части машины.

Клиренс новых машин будет гораздо меньше тех 10 с лишним сантиметров, что стали нормой в 2013-м году.

Если команды не смогут задействовать диффузор прежними методами, им придётся искать иные пути, как эффективно использовать его.

Для одного из методов можно всё же попробовать применить идею выхлопа Коанда. Разнообразные открылки и дефлекторы, размещённые на передней части понтонов, создадут завихрения воздуха, направляя поток в нижнюю часть понтонов. Впервые этот подход придумали инженеры Lotus ещё до того, как внедрили концепцию Коанда. Специалисты выяснили, что вихрь, образованный в передней части понтонов, может быть направлен на заднюю кромку диффузора, что способствует формированию над ним области повышенного давления, обеспечивающего рост прижимной силы.

Чтобы реализовать этот принцип, инженеры снабдят понтоны разнообразными аэродинамическими элементами, а верхняя часть воздухозаборника будет немного скошена, чтобы воздух беспрепятственно попадал к диффузору.

Однако здесь может возникнуть та же проблема, что и с ранними скошенными понтонами Коанда, когда потоки, огибающие воздухозаборники, вступали в конфликт с завихрениями, образуемыми аэродинамическими элементами.

В 2012-м проблему помогло устранить решение Red Bull Racing: воздушный поток, огибая понтоны, попадает в туннель, проходя под завихрёнными потоками.

Таким образом, команды могут продолжить использование тоннелей у понтонов и применять концепцию "направленных вихрей": пусть даже выхлопные газы отныне не будут вносить свой вклад, но при должной проработке получить эффект от завихрений всё же удастся.

ЗАДНЕЕ АНТИКРЫЛО

Как и в случае с подавляющим большинством элементов машины, заднее антикрыло также претерпело небольшие, но далеко идущие перемены.

Изменения заднего крыла значительно снизят прижимную силу
Изменения заднего крыла значительно снизят прижимную силу

В 2014-м году конструкция заднего крыла лишилась нижней плоскости, обычно называемой несущей балкой. Хотя этот элемент имел относительно небольшой размер, он выполнял важную роль в обеспечении дополнительной прижимной силы, перенаправляя воздух с диффузора на верхний аэродинамический элемент.

Таким образом, команды столкнутся не только с потерей прижима, но и с невозможностью столь прецизионно направлять потоки в задней части автомобиля.

Восполнить отсутствие несущей балки вряд ли удастся. Пространства перед задним антикрылом едва хватает для установки элементов кузова, а задние поперечные рычаги подвески имеют аэродинамически-нейтральный профиль.

Одним из вероятных решений может стать небольшое крылышко, смонтированное перед задним антикрылом в области, которая уже прописана в правилах – подобные варианты использовались прежде. Эта идея может дать эффект, но совсем небольшой.

Другим выходом является помещение элементов задней подвески в специальный аэродинамически профилированный кожух, находящийся в небольшом пространстве, которое не затрагивают ограничения, касающиеся заднего крыла и боковых понтонов.

Так как кожух в отличие от подвески, находится в статичном положении, он может считаться частью кузова, направляя потоки воздуха вверх, подменяя в этой роли несущую балку. Впрочем, любое из приведённых решений может оказаться довольно спорным.

Среди других изменений в задней части машины – верхняя плоскость крыла теперь располагается более полого, её вертикальный размер сократился примерно на 5 см. Зазор между ней и рабочим элементом системы DRS, когда тот полностью открыт, увеличен с 5 до 6,5 см – а значит, теперь подвижную плоскость можно сделать больше. Это позволит обеспечить дополнительную прижимную силу при прежней эффективности DRS.

Более широкие "сиденья для обезьянки" должны стать в этом году одним из трендов © LAT
Более широкие "сиденья для обезьянки" должны стать в этом году одним из трендовФото: LAT

Чуть ниже расположено крылышко, именуемое "сиденьем для обезьянки", ширина которого согласно новым правилам увеличена с 15 до 20 см, чтобы позволить выхлопным газам проходить под ним. Данная конструкция служит той же цели, что и несущая балка, так что после запрета последней "сиденье" должно получить широкое распространение среди команд.

Наконец, командам пришлось изменить подход к креплению заднего крыла: отныне для этого используют вертикальные пилоны: или классическую схему с двумя, или даже с одним, смонтированным в середине.

Однако в любом случае конструкция на длинных вертикальных стойках без несущей балки будет не столь прочной, из-за чего крыло потеряет часть своей эффективности. Именно поэтому от использования таких пилонов отказались несколько лет назад.

Вполне возможно усилить диффузор и прикрепить торцевые пластины непосредственно к нему, но данная концепция приведёт к утяжелению конструкции. Как и в случае с дизайном носового обтекателя, команды могут выбрать свой вариант, основываясь на том, сколь велик у их машины резерв веса относительно минимальной величины [690 кг], прописанной в правилах.

2014: Новое в аэродинамике
2014: Новое в аэродинамике

  • Поделиться:
Комментарии для сайта Cackle