CFD от F1: В следующем году обгонять станет все-таки проще

В первых 12 гонках сезона Формулы-1 2018 года в среднем происходило 32 обгона за гонку. Гран-при Австралии оказался худшим в этом плане всего с 5ю изменениями позиций, а Гран-при Франции с 57 обгонами стал лучшим результатом в первой половине сезона. По иронии судьбы, именно на Поль Рикаре пилоты заранее предупреждали о скучной гонке паровозиком, потому что прямые там слишком короткие, а шиканы между ними слишком быстрые. Но потом, в воскресенье, на прямых появился сильный встречный ветер, и обгоны стали следовать один за другим.

Это показывает, как эксперты могут ошибаться. И насколько сложным является сам изучаемый вопрос. Если бы вы могли производить дополнительную аэродинамическую нагрузку за счет встречного ветра повсюду, то километра прямой было бы достаточно в сочетании с использованием DRS для успешных обгонов. Но понятное дело, что встречный ветер запрограммировать невозможно, а на многих гоночных трассах в календаре прямые слишком короткие, и дельта кругов слишком мала из-за стабильного износа шин.

Не желая полагаться на случайные параметры, небольшая группа инженеров во главе с Пэтом Симондсом уже работает над машиной будущего под управлением руководства F1. И в 2021 году Формула-1  должна получить совсем другое лицо...

Часть этой работы уже можно будет увидеть уже в следующем году с введением новых правил для антикрыльев и тормозных систем. В сущности, эти изменения будут своеобразной проверкой на эффективность рабочей группы Симондса. Что бы ни вышло в 2019, оно все равно пойдет на пользу разработке регламента для 2021 года. Если вы ошибётесь сейчас, то у вас будет возможность кое что исправить в дальнейшем. Если вы окажетесь на правильном пути, то сможете укрепить положительные эффекты изменений.

Тем не менее, Пэт Симондс убежден, что общее направление правильное: «На этот раз мы приложили гораздо больше научных усилий в проекте, чем в 2009 году, когда Пэдди Лоу, Рори Бирн и я уже разработали правила, которые позволили бы решить проблему обгонов. На этот раз мы провели собственные симуляции, и восемь команд дали нам большую поддержку.»

Проблема с вихрем Y250

Первоначально Симондс и пять его коллег работали над машиной 2021 года. «Мы действительно начали с белого листа бумаги. И мы хотели взять время, необходимое, чтобы позволить нам не оказаться в ситуации, как в 2009 году, мы всегда были открыты для того, чтобы попробовать испытать на практике некоторые частичные результаты до нужного срока. Когда Жан Тодт спросил нас, можем ли мы подготовить для боевых испытаний часть наших разработок в 2019 году, мы объединились с Николасом Томбазисом из FIA».

Цель в работе изначально заключалась в том, чтобы улучшить ситуацию с прижимной силой для преследующего автомобиля. Как и в 2009 году. Но почему тогда все пошло не так? «Потому тогда что у нас не было технических возможностей для проверки наших идей в боевых условиях. Сегодня у нас они есть.

Когда мы проектировали переднее крыло со стандартизованной средней частью, мы не могли себе представить, что этот вихрь Y250 будет создаваться при переходах на нелимитированную часть антикрыла. И это побудило бы инженеров команд использовать этот конкретный вихрь для своих целей».

Сегодня все стало прозрачнее. И это также легко визуализируются в моделировании CFD. Для этой цели в цифровой аэродинамической трубе просчитывается поведение двух болидов с интервалом 5, 10, 15 и 20 метров, непосредственно позади друг друга и с постепенным увеличением дистанции друг от друга. Программное обеспечение рассчитывает, какой поток производит ведущее транспортное средство, и как реагирует следующая машина в зависимости от изменения расстояния и ее положения к ведущей в поперечной направлению движения оси.

Руководство F1 и издание Auto Motor und Sport показало некоторые из этих компьютерных графиков CFD, которые показывают, что происходит вокруг автомобиля и позади него. Качество потока разделено на высокоэнергетический и низкоэнергетический воздух. Он отмечен в цифровом представлении цветами. Синий и зеленый - это воздух с низкой энергией, белый для воздуха с большим количеством энергии. Красный  и желтый находятся между ними.

Моделирование иллюстрирует в горизонтальном и вертикальном поперечном сечении, что текущие машины непосредственно за задним крылом генерируют большую и широкую зону воздуха с небольшой энергией. Это плохо для пилота, который управляет преследующей машиной - он теряет слишком много пунктов прижимной силы. Фактически, э та вредная зона турбуленции начинается за передними колесами ведущей машины. Поскольку никто не хочет иметь влияние турбуленции на остальной части болида, этот самый "плохой" воздух нужно как-то вывести из зоны влияния на машину, то есть отвести его в сторону.

Отвод турбулентного воздуха начинается с переднего крыла и продолжается через вентиляцию тормозов, прохождение воздуха через канал в ступице передней оси и направляющие пластины. Цель состоит в том, чтобы позволить как можно большему количеству вредного воздушного потока дрейфовать наружу. Там он уже не навредит вашей машине. Но навредит машине преследующей вас. Моделирование CFD впервые показало, что же происходит в районе 20 метров позади автомобиля.

Вот эффекты изменений: в нынешней модели (выше) инженеры вытесняют воздух наружу. «Грязный воздух» возвращается назад за машиной, что нарушает аэродинамику преследователя. С крыльями 2019 года вредные вихри остаются ближе к машине и поэтому встречаются позади машины значительно раньше.

Два больших вихря воздуха позади лидирующей машины снова сближаются, причем, как раз точно на той высоте, на которой переднее крыло преследующей машины нуждается в чистом воздухе. Конечная цель заключается в том, чтобы эти вихри либо вообще не возникали, либо чтобы проходили внутри колес с тем, чтобы затем отклонялись вверх диффузором и задним крылом и, следовательно, не могли потревожить следующий автомобиль.

Если провести вертикальный срез воздушного вихря непосредственно сразу за машиной, мы получите это изображение CFD. На верхней картинке хорошо видно, что турбулентность снаружи выходит далеко за край машины. В 2019 году «Грязный воздух» должен, как уже упоминалось, находиться ближе к шасси.

Тот же самый вертикальный срез, но на несколько метров дальше позади передней машины. Площадь центрального сильного вихря значительно уже.

Если увеличить дистанцию еще больше, то становится еще яснее. Именно там, где расположены крылья преследующей машины - в нижней внешней области - на нынешних машинах все еще заметны вихри (фиолетовые). В варианте 2019 года здесь почти нет никаких возмущений воздушного потока.

Последний вертикальный срез: тенденция прослеживается и здесь: "грязного" воздуха становится все меньше и меньше. Но в 2018 году лидирующие машины даже на такой дистанции по-прежнему "коптят".

Графики для автомобиля 2019 года ясно показывают, что площадь низкоэнергетического воздуха за автомобилем становится все меньше и меньше. Вертикальные поперечные изображения визуализируют, что вихри растворяются быстрее, нежели с нынешними машинами.

А вот как это выглядит, когда «грязный воздух» попадает на машину, идущую позади. В верхней части колес и над шасси вы можете увидеть негативное влияние турбулентности лидера. Аэродинамика преследующей машины не может работать так же эффективно, как при нормальном воздушном потоке.

Тем не менее, Симондс все еще видит проблемы: «В другом месте могут появиться новые вихри, которые мы могли не предусмотреть. Например, в командах могут преднамеренно создавать вихри, чтобы направлять поток туда, куда нужно им, вне зависимости от того, как он повлияет на позади идущую машину. Здесь у нас шесть человек, а у команд 1000 инженеров. Это неравный бой...»

Тем не менее, Пэт с оптимизмом смотрит в будущее, ожидая, что сможет найти ответ почти на все, что придумают его бывшие коллеги. В конце концов, в 2019 году у него будет шанс посмотреть, как отреагируют команды на нововведения, чтобы иметь шанс вмешаться и откорректировать правила, прежде чем они станут постоянными в 2021 году.

Экстренные меры 2019 года - это переднее крыло, которое увеличится в ширине со 180 до 200 сантиметров и станет более глубоким. При этом, останется всего пять элементов без каскадов с ограниченным количеством вертикальных выпрямителей потока и торцевых пластин, развернутых максимум на 15 градусов наружу. 

Кроме того, вентиляция тормозов станет без разнообразных ребер, крылышек и закрылков, а также будет запрещена "продувная" ось в передней ступице.

Заднее антикрыло также получит новые размеры. Десять дюймов шире, на два дюйма выше и будет несколько смещено в тыл. Оно должно направить оставшуюся часть турбулентного воздуха вверх.

Технический босс Формулы 1 Росс Браун верит в новую концепцию: «В наших анализах мы не только заметили, что следующий автомобиль движется в гораздо более спокойном воздухе. У пилота передней машины так же станет меньше проблем.

Так чего еще надо для счастья?»