Передние и задние антикрылья.

С годами сильно увеличились скоростные характеристики болидов F1, увеличилась их способность быстрого прохождения поворотов, и весьма очевидно, что это заслуга так называемых антикрыльев. В начале 60-х годов Формула-1 еще не использовала этих приспособлений, однако уже в 1968 году команды F1 начали экспериментировать с "неуклюжими" и "необработанными" аэродинамическими конструкциями, чтобы получить эффект "прилипания" шасси к трассе. Первые виды таких конструкций были очень простыми и ненадежными, поэтому достаточно часто ломались в процессе гонки.

На Рис. 2.2, показаны два вида заднего антикрыла, старого поколения (слева 1968 год) и нынешних технологий (справа 2000 год).

Рис. 2.2 Конструкция заднего антикрыла старого и нового поколения.

 

Принцип осуществления функций антикрыльев в F1 легко сопоставим с технологиями в самолетостроении. Но в то время как крылья самолетов способствуют взлету и планированию по воздуху, в F1 антикрылья выполняют прямо противоположную функцию - создание прижимной силы.

 Передние и задние антикрылья - это часть спроектированного на компьютерах и тщательно отлаженного в аэродинамической трубе аэродинамического пакета. Они используются для создания прижимной силы при прохождении через них воздуха. Чем быстрее едет болид, тем большую прижимную силу создают антикрылья, чем больше прижимная сила - тем лучше сцепление с дорогой.

Переднее антикрыло (см. Рис. 2.3) – первая часть болида, которая встречает воздушный поток. Дальше воздух распределяется по всей плоскости болида.

 

Рис. 2.3 Переднее антикрыло.

 

Передние антикрылья на болиде обеспечивают около 25% всей прижимной силы, но эта цифра может быть снижена до 10% в то время, когда болид находится за другим болидом. Появляется эффект "засасывания" сзади идущей машины в переднюю, известный как слипстрим (см. разд. 2.5). И когда болиды оказываются на повороте, сзади идущий не может повернуть из-за потери прижимной силы, таким образом, пилоту приходится сбрасывать скорость, что бы безопасно пройти поворот.

Рис. 2.4 Элементы переднего антикрыла.

Переднее антикрыло (см. Рис. 2.4), ширина которого соответствует ширине самого болида, прикрепляется к носовому обтекателю (4) при помощи пилонов. На этой аэродинамической поверхности (1) крепятся две "створки" (или элероны) (2), каждая из которых является регулируемой частью антикрыла. Как правило, эти закрылки делаются из цельного куска карбона. На окончаниях антикрыла (слева и справа) крепятся специальные боковые пластины (или боковины) (3), для обеспечения прохождения потока воздуха сверху и снизу относительно поверхности антикрыла, не огибая его. И эти пластины (3) сыграли огромную роль в аэродинамике F1.

Конструкция элерона такова, что он является ассимитричным самому себе относительно центральной разделяющий вообразимой линии (если смотреть на болид спереди): чем ближе к носовому обтекателю элерон, тем меньше его "высота" (т.е. ближе к носу элерон сужается) см. Рис 2.5.

Рис. 2.5 Конструкция элерона.

 

Такая особенность элерона позволяет проникать в радиатор большему количеству воздуха, а также пропускать воздушный поток по "днищу" болида, который затем попадает в диффузор, обеспечивая прижимную силу. В случае если элероны не имеют такого сужения, охлаждение радиатором значительно уменьшается и температура мотора сильно возрастает. Также важно, что чем ниже будет расположено переднее антикрыло, тем лучше это влияет на проникновение воздушного потока в радиатор и диффузор, однако, всем известно, что имеется критическое положение, при котором антикрыло уже начнет задевать трассу.

Правилами FIA (Federation Internationale de l’Automobile - Международная федерация автоспорта - является единственной международной организацией, уполномоченной принимать правила проведения автомобильных соревнований) установлено, что минимальное расстояние между трассой и передним антикрылом должно быть 40мм.

В 1998 году появились нововведения в области аэродинамики F1, что принесло множество дополнительных проблем командам. Из-за того, что колеса стали располагаться ближе к монококу, при виде спереди, переднее антикрыло визуально "ложилось внахлест" колес. Это приводило к турбулентности в зоне передних колес, резко понижая общую положительную характеристику аэродинамики болида. Для решения этой новой проблемы (а именно, появления нежелательного сопротивления (drag)) команды переделали боковые крылья на антикрыле путем образования новых ребер (боковин), таким образом они направили поток воздуха непосредственно на монокок, огибая колесо (см. Рис. 2.6 Pic 1). Позже, в следующем сезоне, многие команды воплотили новую идею, поместив дополнительные ребра на внешнюю сторону боковых крыльев, в данном случае воздух огибал колеса по внешней стороне (см. Рис. 2.6 Pic 2).

Рис. 2.6 Конструкция боковин.

Чтобы понять, что имеется ввиду, на Рис. 1.7 показаны боковые крылья (боковины) разных команд, как раз отвечающих за решение этой проблемы. Как видно, решение является неоднозначным, и крылья различных команд имеют достаточно заметные аэродинамические отличия.

Рис. 2.7 Боковые крылья (боковины) разных команд.

Заднее антикрыло (см. Рис. 2.8) состоит из нескольких элементов. Угол наклона этих элементов создает прижимную силу различной величины.

 

Рис. 2.8 Элементы заднего антикрыла.

Прямой поток воздуха попадает в заднее антикрыло, состоящее из множества закрылок, вызывая определенные реакции со стороны антикрыла. Это упрощенное объяснение, т.к. на самом деле, к тому моменту, когда поток воздуха достигает заднее антикрыло, он вовсе не прямой, потому что сам болид создает некоторый эффект турбулентности потока воздуха.

Примерно треть всей прижимной силы обеспечивает заднее антикрыло болида, которое постоянно видоизменяется в F1 от трассы к трассе. Это приспособление может создавать более 1000 Ньютонов прижимной силы и весит около 7 кг.

Заднее антикрыло сделано из двух наборов определенных аэродинамических поверхностей, соединенных между собой и держащихся на торцевидных пластинах (3) заднего антикрыла . Верхний набор таких пластин (закрылок) (1) обеспечивает наибольшую прижимную силу и является как правило наиболее видоизменяющимся от трассы к трассе. В большинстве случаев этот верхний набор состоит из 3-х элементов. Нижний же набор (2) обычно состоит из двух элементов.

Ввиду того, что заднее антикрыло вызывает наибольшее сопротивление в болиде, команды видоизменяют строения антикрыльев для каждой трассы. Рассмотрим разные конфигурации задних антикрыльев на двух примерах.

Монца в Италии. Скоростная трасса с длинными прямыми участками и несколькими поворотами. Здесь, на протяжении 70% всей длины трассы, пилоты едут "вдавив педаль газа в пол". Чем больше угол наклона пластин заднего антикрыла, создающих прижимную силу, тем соответственно больше сила сопротивления, мешающая скоростному движению болида. В Монце очень важна скорость, поэтому команды делают очень маленький угол наклона на заднем антикрыле, чтобы преодолеть проблему силы сопротивления.

В Монако, где трасса в основном, насыщена поворотами, важным становится уже не скорость, а прижимная сила. На Рис. 1.9 представлены два этих антикрыла:

Рис. 2.9 Строения задних антикрыльев для разных трасс.

Диффузор.

Конструкция днища или диффузор (см. Рис. 2.10) отвечает за то, как воздух, находящийся под болидом его покидает. Обычно конструкторы усложняют форму большим количеством сложных углов, потому что чем быстрее воздух уходит, тем большую прижимную силу имеет болид и тем большей скоростью он обладает.

По тому же принципу, как образуется прижимная сила (закон Бернулли), зона низкого давления, прямо под антикрылом, помогает диффузору засасывать воздух, который так же в свою очередь обеспечивает прижимную силу.

Рис. 2.10 Диффузор.

 

На самом деле принцип действия диффузора прямопротивоположен принципу действия антикрыла: вместо того, чтобы отталкивать воздух, диффузор засасывает его. Эффект этот получается из-за аэродинамической формы. Диффузор находится в самой нижней, "хвостовой" части болида, прямо под задним антикрылом, и объем диффузора увеличивается по мере приближения его к "концу" болида (см. верхний Рис. 2.10). Воздух, попадающий в диффузор из-под дна болида разрежается, за счет попадания его в увеличенный объем диффузора, отсюда и эффект засасывания. Диффузор состоит из большого количества всеразличных "тонельчиков" и "разделителей", которые аккуратно и очень точно контролируют потоки воздуха для лучшего засасывания. Так как диффузор находится в зоне выхлопных газов и заднего рычага подвески, то это накладывает жесткие требования на его конструкцию, в противном случае (при некорректном создании и регулировках диффузора) при изменении скорости выхлопные газы будут влиять на аэродинамический баланс болида.

Появление диффузоров обусловлено запретом FIA поднимать "хвостовую" часть болида. В этом случае невозможно обеспечить нужный аэродинамический эффект без диффузоров.

 

Боковые дефлекторы.

Боковые дефлекторы разделяют и направляют воздух от передних колес на две части – одна направляется на охлаждение двигателя в воздухозаборники, вторая направляется наружу.

Это приспособление было впервые применено в 1993 году. Без них набегающий поток воздуха будет идти прямо, и, соответственно, давить на заднюю стенку воздухозаборника, создавая лобовое сопротивление. Дефлектор же (если рассмотреть для примера левый относительно гонщика воздухозаборник) закручивает поток против часовой стрелки (глядя спереди), причем, когда поток входит внутрь водухозаборника, то он уже направлен внутрь болида, т.е. на охлаждаемую поверхность.

Таким образом, с помощью боковых дефлекторов достигается две цели: снижение лобового сопротивления и более эффективное охлаждение. Устанавливаются они, как правило, между передними колесами и боковыми понтами болида (см. Рис. 2.11).

 

Рис. 2.11 Боковые дефлекторы.

 

Боковые дефлекторы выглядят несколько лишними, но на самом деле являются важной частью аэродинамического пакета. Они расположены в тех местах, где турбулентность воздушного потока максимальна и может снизить аэродинамическую эффективность болида. Стабилизаторы рассчитаны так, чтобы направлять воздушный поток под болид для создания там разрежения и тем самым - увеличения прижимной силы (см. Рис. 2.12). 

Рис. 2.12 Воздушные потоки набоковых дефлекторах.

 

В сравнении с предыдущим поколением боковых панелей, новый дизайн является гораздо более сложным и тонким. На Рис. 2.11 изображена конструкция, которая использовалась McLaren в 1993 году. В то время боковые панели представляли собой тонкие ровные поверхности в форме прямоугольника, но сейчас, после эволюции, они представляют собой гораздо более сложные разновидности. Теперь они приобрели некоторый объем и особые очертания, чтобы направлять воздушный поток в различных направлениях.

Именно все эти, перечисленные выше, элементы конструкции играют важную роль в организации аэродинамического пакета болида.

Воздухозаборник.

Воздух, необходимый для работы двигателя, забирается из отверстия прямо над шлемом пилота. На размер этого отверстия ограничений нет, но при чрезмерно большом отверстии сильно возрастает тормозящий эффект.

 

Рис. 2.13 Воздухозаборник

Слипстрим.

«Рубенс Баррикелло на стартовой прямой догоняет Дэвида Култхарда и перед первым поворотом обходит его классическим слипстримом!»

Нечто подобное можно услышать в репортажах о Формуле-1. Что такое слипстрим? Как этот прием помогает гонщику обогнать своего соперника?

Английское выражение slip stream в дословном переводе означает «разреженный поток». А в русском языке есть несколько аналогов термина «слипстрим» — «спутный след», «воздушный мешок», «аэродинамическая тень»... Несмотря на кажущуюся разницу, обозначают они одно и то же — разрежение воздуха, которое образуется позади движущегося автомобиля (см. Рис. 2.14, зона разрежения, которая и образует слипстрим, показана синими цветом позади автомобиля, чем «теплее» цвет, тем выше давление в этой зоне).

 

Рис. 2.14 Характер течения воздушных потоков и распределение давлений

для седана ВАЗ-2110 на скорости 144 км/ч.

 

Этот эффект гонщики научились использовать себе во благо. Ведь если пристроиться вплотную за автомобилем соперника, то твоя машина окажется в зоне пониженного давления. А это сулит снижение силы лобового сопротивления. «Зависнув» у соперника на хвосте, гонщик при равной или даже немного меньшей мощности мотора получает преимущество — он может разогнаться в зоне пониженного давления, выскочить из «тени» и за счет большей скорости обойти соперника в конце длинной прямой!

Здесь вся проблема в том, что окружающий машину воздух не обладает достаточной энергией, чтобы самому устраниться, и поэтому он устремляется вслед за болидом. Любые выступающие элементы внешней обшивки корпуса болида влияют на характер потока воздуха, его обтекающего, а, следовательно, и на характер потока воздуха, следующего за машиной (кильватер). В конструкции болида F1 все аэродинамические элементы расположены в непосредственной близости друг от друга, поэтому они активно взаимодействуют между собой. Все, включая заднее антикрыло, колеса и даже диффузор под днищем машины определяет характер и свойства обтекающего потока воздуха. Этот поток, путешествуя по поверхности машины, постепенно теряет энергию, и значения его скорости и давления уже не могут вернуться к первоначальным.

Таким образом, получается, что двигаясь в воздушной среде болид Формулы 1, как, впрочем, и любая другая машина на его месте, будет генерировать разряженную среду позади себя (в кильватере).

Например, заднее антикрыло болида Формулы 1 образует довольно стабильную пару сильных завихрений на довольно большом расстоянии позади себя. В дождь или просто при большой влажности воздуха можно наблюдать эти завихрения потока воздуха в виде белых вихрей на концах заднего антикрыла. Еще в начале 1990-х это зрелище было обычным явлением в гонках Гран При.

При обтекании болида Формулы 1 эти вихри обуславливают движение потока воздуха вверх и назад - непосредственно за машиной, и вниз и вперед - по ее бокам. Вдобавок к этому, поток воздуха под машиной тоже вносит свой весомый вклад в общую картину обтекания болида.

Технический Регламент Формулы 1 гласит, что основная часть днища машины должна быть плоской, но диффузоры все-таки можно использовать. Воздух, вылетающий из канала диффузора, немедленно направляется вверх, благодаря влиянию заднего антикрыла и восходящему потоку воздуха непосредственно позади машины.

Совокупность всех этих явлений как раз и приводит к тому, что позади болида образуется зона разряжения. Поскольку эта область разряжения двигается вместе с машиной, то она создает некоторую силу сопротивления, и, кроме того, представляет определенные проблемы для машин, следующих сзади в непосредственной близости от нее.

Остановимся более подробно на том влиянии, которое зона разряжения оказывает на позади идущую машину. Если два болида движутся по прямой, то второй, находясь в непосредственной близости от первого, попадает в эту область разряжения и как бы "подтягивается к первому, словно на канате". Здесь все дело в том, что эта турбулентность позади первого болида автоматически уменьшает силу сопротивления, действующую на второй болид.

Пилоты говорят, что это притяжение (как раз его они и называют слипстримом) ощущается даже на расстоянии в пять-шесть корпусов от впереди идущей машины - чем ближе, тем сильнее, разумеется. Есть мнение, что у болидов старых времен слипстрим был гораздо более эффективным, что можно легко объяснить значительно большей прижимной силой, действовавшей на болид старой модели. Именно из-за снижения эффективности слипстрима появились проблемы с обгонами, ставшие столь актуальными в современной Формуле 1.

При движении по прямой, чем более сильный слипстрим, тем легче и быстрее можно приблизиться к впереди идущей машине и попытаться обогнать ее. Если слипстрим недостаточно эффективен, может возникнуть хронический и острый недостаток в ситуациях, благоприятных для обгона.

При движении в поворотах, напротив, эффект турбулентной зоны разряжения позади впереди идущего болида оказывает резко отрицательное влияние на болид, следующий в непосредственной близости позади первого. Пилоты часто жалуются на эффект недостаточной управляемости и недостаточного сцепления с трассой, который ощущается на расстояниях в четыре корпуса и меньше. Здесь все дело в прижимной силе.

У движущегося сзади болида она меньше, поскольку воздух, действующий на антикрылья и, собственно, создающий эту прижимную силу, обладает меньшей энергией, так как он только что "поработал на первую машину". Этот воздух отрывается от поверхности антикрыла раньше, чем положено, вследствие чего прижимная сила оказывается меньше. Получается, что сзади идущая машина не может совершать те же маневры и проходить повороты с той же скоростью, что и впереди идущая. Таким образом, она будет откатываться назад и никогда не попадет в ситуацию, благоприятную для обгона! (Едва ли кому-то это может понравиться!)

Вообще говоря, команды очень хотели бы понять, как ведут себя их машины, попадая в такую зону разряжения. Существует даже несколько методов исследований в этой области, симулирующие физический процесс. Среди них полномасштабные эксперименты с физическими моделями в полную величину, эксперименты в аэродинамической трубе, а также эксперименты, симулирующие саму зону разряжения с использованием стабилизаторов и металлических блоков (чтобы симулировать процессы, происходящие в кильватере болида). Но, справедливости ради надо признать, что, поскольку график у команд Формулы 1 весьма напряженный, они, как правило, пренебрегают этими исследованиями и просто списывают проблемы обгонов на очевидные недостатки Регламента.