«Грязный» воздух: убийца прижимной силы (часть 1)

 

Во время прошедшего уик-энда в Австралии многие пилоты жаловались на перегрев двигателя, что, впрочем, и неудивительно - в условиях плотного преследования соперника в воздухозаборники попадает на порядок меньше воздуха для охлаждения силовой установки, нежели при движении в свободном пространстве, и это совсем не новость.

Данная проблема причинила немалое беспокойство мотористам уже в прошлом году, после того как Ф1 перешла на новый регламент. Вследствие этого вновь возросла роль аэродинамики, что привело ко многим последствиям, в том числе и увеличению зоны турбуленции позади идущей машины, что конечно же явно не обрадовало пилотов.

Однако в этом году аэродинамического прижима стало еще больше, соответственно, зона турбуленции так же увеличилась, и вот это уже всерьез озаботило как инженеров, так и пилотов.

Помимо того, что это самым серьезным образом усложняет преследование соперника вплотную, и кардинальным образом влияет на наличие борьбы во всех эшелонах пелетона, потоки «грязного» воздуха вмешиваются в охлаждение позади идущего болида: страдает охлаждение тормозов, резины и самое главное - силовой установки. В итоге получается, что, несмотря на прибавку в скорости за счет разреженного воздуха, преследующая машина теряет не только большую часть прижимной силы, но и львиную долю охлаждения тормозов, шин и силовой установки. И вот уже пошли шепотки, что и Ферстаппен не так хорош, и Хэмилтон обгонять разучился.… Все это следствия непонимания сложностей, с которыми сталкиваются пилоты на трассе в таких условиях, непонимание самой механики происходящего в зонах возмущенного движением машин воздуха. И вот этот пробел мы сегодня постараемся восполнить.

 

В этом году FIA вновь «завернула гайки» и еще больше снизила количество допустимых замен элементов силовой установки. Напомним, что теперь пилотам допускается использовать без штрафов по 3 «горячих» блока на сезон – двс (ICE), турбокомпрессор (TC), тепловой мотор-генератор (MGU-H), и всего по 2 "холодных" - кинетический мотор-генератор (MGU-K), блок управляющей электроники (CE) и аккумулятор системы рекуперации (ES). С учетом этих ограничений, работа силовой установки в условиях перегрева стала еще более нежелательной. Все это вынуждает пилотов бережнее обращаться со своими моторами и, к сожалению, это самым прямым образом влияет на борьбу в условиях долгого преследования – пилоты вынуждены поднимать ногу с педали «газа» и отпускать соперника с тем, чтобы дать своему мотору, тормозам и резине вдохнуть свежего воздуха и вернуться в оптимальный тепловой режим. Оставим сейчас потребности самих моторов и обратим свой взгляд на настоящую проблему нынешней Формулы 1, а именно – гипертрофированную роль аэродинамики, которая и является истинной причиной того, что моторы начинают задыхаться.

 

Часто болельщики упрощенно смотрят на картину борьбы в течение гонок. Есть вот эти более быстрые машины, а есть вот эти, более медленные. Быстрые обгоняют медленные, что тут думать. Есть еще зона турбуленции, слипстрим и зона DRS, но на этом все. Однако, в действительности, картина намного более сложная. Мы сейчас не будем лезть в дебри формул расчета аэродинамики, и вспоминать добрым словом принцип Бернулли и потолок Куэтта. Нет, мы ограничимся упрощенным, но не менее наглядным видением поведения машин в условиях плотного преследования. Их, так называемой, «аэродинамической борьбой». И первое, что хочется сказать - поведение одних и тех же машин, при одних и тех же погодных условиях может быть кардинально разным. Точно так же и зона турбуленции позади ведущей машины отнюдь не одинаковая для машин каждой из десяти команд – более того, в некоторых случаях она разная даже для двух машин в одной команде.

 

Распределение прижимной силы (Обратите внимание на разную интенсивность прижимной силы в перечисленных местах машины (по цветовой гамме):
Заднее антикрыло 17%
переднее антикрыло 23%
днище/диффузор 60%

Самое главное, что здесь стоит понять: на величину проблем в турбуленции для задней машины влияет аэродинамическая эффективность передней. Иначе говоря, чем большие возмущения воздушного потока создает лидер, тем сложнее преследователю держаться в его «кильватере». Например, известно, что McLaren MCL33 обладает высоким уровнем прижимной силы (что правда негативно влияет на их максимальную скорость, но сейчас не об этом). Таким образом, преследующему его в Австралии Ферстаппену было действительно непросто держаться вплотную позади, даже несмотря на то, что RB14 была намного быстрее. Иначе говоря, возникла комичная ситуация, когда пилоту более быстрой машины проще обогнать, чем удержаться позади. Да, Максу обогнать так и не удалось, но причиной тому стала не машина, турбуленция или сам пилот – просто Австралия есть Австралия, и здесь всегда возникали проблемы с обгонами. Нет, здесь гораздо важнее тот факт, что даже несмотря на преимущество в скорости, Макс не мог «висеть на хвосте» у маэстро Фернандо – силовая установка доходила до критического перегрева, после чего пилоту ничего не оставалось, как поднимать ногу с педали акселератора и возвращаться в более спокойное русло воздушной реки позади машины цвета папайи.

 

 

Изменения в воздушном потоке преследователь начинает ощущать задолго до заветной зоны DRS – на нынешних машинах эта граница составляет в районе 3 секунд от впереди идущей машины, или свыше 100 метров дистанции. При этом, по мере приближения к машине лидера, преследователь быстро начинает терять прижимную силу, и в тот момент, когда он наконец повисает на хвосте, ее остается всего 25% от исходной.

 

Более того, зона турбуленции обладает так же и обратной связью с лидирующей машиной - в тот момент, когда преследующая машина приближается на определенное расстояние, которое целиком и полностью зависит от уровня аэродинамики обоих машин, прижимная сила лидера так же начинает падать. Гонщики это называют - лидер «тащит» за собой машину. Правда потери здесь не столь велики, как у преследователя, и составляют, как правило, не более 2-3% от общего количества прижимной силы.

 

 

Что же касается преследователя, то его потери просто катастрофичны. Сами понимаете, если в условиях пустой трасы болид с максимальной аэродинамической нагрузкой способен генерировать около 3х тонн на максимальной скорости, то попадая в слипстрим, от этой внушительной цифры остается всего лишь жалких 750кг. Более того, даже эти самые 750 кг работают из рук вон плохо, поскольку полная дестабилизация баланса проявляется настолько сильно, что о каком-либо нормальном пилотаже остается лишь мечтать, и любое малейшее дополнительное воздействие приводит к потере контроля над машиной.

 

 

Более того, различные версии передних и задних антикрыльев, наличие или отсутствие тех или иных закрылков, изменение формы каскадов и диффузоров, торцевых пластин, элеронов и проч., не говоря уж об такой важной части, как днище, точно так же меняют пути прохождения воздушных потоков. А вследствие этого меняется не только поведение непосредственно самой машины, но и зона  «грязного» воздуха. То есть именно все эти многочисленные аэродинамические элементы машины и формируют ту самую зону жесточайшей турбуленции, значение которой многими серьезно недооценивается. 

А главным элементом, с которого все начинается, и который задает тон формированию воздушных потоков, является переднее антикрыло, работу которого мы сейчас и рассмотрим.

 

Переднее антикрыло

Аэродинамический авангард болида - переднее антикрыло. Это тот самый регулировщик, который управляет воздушными потоками, и от эффективности работы которого зависит эффективность работы машины в целом. Именно поэтому в командах уделяется столько внимания этому элементу, и поэтому появление новой, более эффективной версии как инженеры, так и гонщики, ждут с большим энтузиазмом. Давайте подробнее рассмотрим переднее антикрыло и на его примере не только узнаем, какую роль играют его те или иные элементы, но и сравним, как меняется воздушный поток при изменении конфигурации крыла. 

Итак, сначала рассмотрим само крыло.

Переднее антикрыло Mercedes W09

Переднее антикрыло состоит из трех зон: 

Центральная нейтральная секция Y250 (белые стрелки) - аэродинамической нагрузки не несет и выполняет роль несущей конструкции, а так же служит своеобразным «окном» для потоков воздуха в сторону боковых воздухозаборников, то есть для забора воздуха в систему охлаждения силовой установки. Размер этой зоны ограничен регламентом.

Рабочая область (выделена зеленым) - основная поверхность антикрыла, которая и создает прижимную силу. Состоит из трех фиксированных горизонтальных пластин и двух верхних регулируемых - с помощью этих двух элеронов (выделены штриховкой) инженеры могут либо повышать уровень прижимной силы, создаваемой антикрылом, либо уменьшать его.

Черные зоны по краям крыла - зоны каскадов. Каскады формируют воздушный поток, отводя его от колес, сопротивление которых в разы выше сопротивления непосредственно самих каскадов. На формирование прижимной силы они влияют незначительно. Обычно они сонаправлены c R-каскадами (синие стрелки) на внешнюю сторону передних колес. 

Зелеными стрелками отмечены каскадные направляющие, которые ускоряют поток воздуха на закрылках каскадов.

Красным выделена торцевые пластины, которые к концу немного изогнуты наружу, помогая формировать поток, созданный каскадами и огибающий передние колеса с внешней стороны. Такая мера стала вынужденной после сокращения ширины крыла на 150 мм в 2014 году. На этих пластинах с внешней стороны расположены направляющие торцевых пластин (выделено малиновым), которые ускоряют или акцентируют потоки нужным образом.

 

 

Также на передних антикрылях размещают термические камеры (оранжевые стрелки), направленные в сторону передних колес, которые позволяют отслеживать температуру передних шин, а также динамику их прогрева.

Красной стрелкой показано входное место туннелей диффузоров переднего антикрыла, которые расширяются к задней части, попутно следуя изгибу каскадов. Действуют они по тому же принципу, что и диффузор днища - из-за изгиба на выходе этих туннелей создается разрежение, что создает дополнительную прижимную силу. Кроме того, потоки воздуха из диффузоров помогают формировать воздушные потоки в обход передних колес.

Желтой стрелкой показан туннель стабилизации внешнего потока, направляемого в сторону от передних колес.

Работая в тандеме, диффузоры и внешние туннели снижают негативные явления при повороте болида и несколько увеличивают скоростной диапазон эффективности переднего антикрыла.

Кроме того, в задней части крыла внизу находятся параллельные направлению движения так называемые гребни (вертикальные карбоновые полоски - выделено желтым цветом на рис. справа). Они стабилизируют воздушный поток в нижней части антикрыла, и как и диффузоры, расширяют скоростной диапазон его эффективной работы, снижая негативные эффекты при изменении ветра, а так же при поворотах болида. 

 

 

Поскольку в последнее время инженеры все меньше пользуются данными из аэродинамической трубы, заменяя их работой со средствами вычислительной гидродинамики (CFD), то вот как выглядит работа переднего антикрыла с этого ракурса:

 

Работа переднего крыла McLaren MP4-29

 

Возвращаясь к изначальной теме - как же все-таки переднее антикрыло влияет на формирование воздушных потоков, которые в кильватере движущейся машины создают столь бурные вихревые искажения?

Давайте посмотрим, как меняют воздушный поток каскады и диффузор. Обратите внимание, насколько более плотным, узконаправленным и мощным делают поток эти элементы.

 

(увеличить - клик по фото)

 

Именно потому эти элементы столь важны - именно они и формируют основные потоки воздуха, которые затем используются всем остальным аэродинамическим оперением машины. Поэтому поломка или вовсе потеря переднего антикрыла столь катастрофична - машина не только теряет прижимную силу спереди, но и работа остальных элементов, включая даже заднее антикрыло, так же сильно теряет в эффективности. А помня о том, что переднее антикрыло формирует меньше четверти всей прижимной силы болида, становится ясно, что основной задачей крыла является именно формирование набегающего потока воздуха в четко структкрированые воздушные потоки нужной интенсивности, размера и направленности. Даже небольшие изменения в области переднего антикрыла могут серьезно повлиять на поведение не только передней части машины, но и задней, поскольку воздушные потоки, направленные в сторону задней части формируются в том числе и передним антикрылом.

 

 

Во второй части мы рассмотрим работу заднего антикрыла и диффузора, после чего вернемся к теме «грязного» воздуха, и связанным с этим сегодняшним проблемам при плотном преследовании соперника, в том числе в зоне слипстрима.