Передние крылья стали проще в 2019 году, а прижимной силы больше. В чем феномен?

Когда обсуждались правила 2019 года, много говорилось о «вымывании» воздушного потока из переднего крыла. Это было характерно для болидов «Формулы-1» с момента изменения правил в 2009 году, когда передние крылья были сделаны в соответствии с шириной болида (1.8 м). Концепция стала более утонченной в последующие годы, став особенно важной с 2014 года, когда ширина переднего крыла был уменьшена на 150 мм (с 1,8 м до 1,65 м). «Вымывание» воздуха от переднего крыла играет жизненно важную роль в предотвращении всасывания под днище болида, где находится область низкого давления, неустойчивого и хаотичного воздушного потока, идущего от передних колес, что снижает прижимную силу болида. Наличие «грязного воздуха» от впереди идущего болида приводит к тому, что преследующий болид теряет до 75% прижимной силы болида. Любое малейшее воздействие может привести к потере контроля над болидом. Ниже два ролика помогут вам понять эти процессы. 

«ФИА» попытались уменьшить количество «грязного воздуха», генерируемого болидами, изменив регламент на сезон 2019 года.

Следующее исследование, посвященное аэродинамике болидов 2019 года, покажет, насколько драматичной может быть потеря закрылков, каскадов и винглетов при очистке воздушного потока. Тестирование производилось с использование модели болида «Формулы-1» с открытым кодом. Его результатом стало падение прижимной силы примерно на 25%. Переднее крыло модели было приведено в соответствие регламенту 2019 года – это очень упрощенная интерпретация правил нового сезона. Самое большое внимание привлекли переднее крылья таких команд, как «Альфа Ромео», «Феррари», «Торо Россо» и, в меньшей степени, «Макларен». Конструкции немного отличаются по своему исполнению, но концептуально схожи, они характеризуются высоким уровнем наклона и изгибом вблизи центральной линии болида. У «Альфа Ромео» самая агрессивная конструкция, в то время как у «Феррари», пожалуй, самый изысканный дизайн – схожее крыло «Торо Россо» использовала в Австралии.

Чтобы начать этот второй этап анализа, были созданы новые параметрические модели для передних и задних крыльев, что позволяет лучше контролировать различные отверстия, угол наклона и тд. Новая модель переднего крыла все еще довольно проста в исполнении и, таким образом, несколько больше похожа на «Торо Россо» (из предсезонных тестов), чем на «Альфа Ромео» или «Феррари». Не так и много свободы действий, когда дело касается конструкции торцевых пластин, но новое крыло имеет пару вырезов в задней части торцевых пластин, которые, как и заднее крыло, пытаются уменьшить в верхней части торцевой пластины вихревою силу. Особенностью нашей первой попытки создания модели болида 2019 года (в дальнейшем именуемого 2019-01) был высокий уровень сопротивления и прижимной силы от заднего крыла, таким образом, угол наклона заднего крыла в 2019-02 (вторая модель) был смещен на концах, чтобы попытаться сдвинуть аэробаланс вперед, а также уменьшить вихревую силу торцевых пластин - уменьшить прижимную силу заднего крыла на 5,7%, но также уменьшить сопротивление на 17% по сравнению с 2019-01 (хотя все еще на 31 % и 23% выше прижимная сила и сопротивление соответственно, чем у заднего крыла 2018 года).

Еще один слух перед сезоном 2019 года заключался в том, что новые правила передних крыльев будут означать, что крылья будут производить меньшую прижимную силу, чем в 2018 году, но 2019-01 произвел на 39% больше прижимной силы, чем болид 2018 года. Снижение нагрузки на торцевые пластины в 2019-02 году снизило прижимную силу переднего крыла на 20% по сравнению с 2019-01, но это все же на 10% больше прижимной силы, чем у болида 2018 года. Опять же, отказ от ответственности заключается в том, что общая прижимная сила для всех этих крыльев ниже, чем у фактического участника «Формулы-1», поэтому эффект внутри команд не обязательно одинаков, но для этого болида в этом случае переднее крыло продолжает создавать больше прижимной силы, чем крыло спецификации 2018 года.

Сдвиг аэродинамической нагрузки к центру переднего крыла существенно меняет форму воздушного потока, идущего от переднего крыла. Принимая во внимание, что крылья 2018 и 2019-01 производят след прямоугольной формы, 2019-02 производит высокую степень «вымывания». Поток также более тонкий и с более высоким давлением, чем 2018, 2019-01, что указывает на то, что крыло может быть «обработано» сложнее (то есть изгиб может быть увеличен в некоторых местах, хотя, очевидно, не рядом с торцевыми пластинами, так как это нанесло бы ущерб цели крыла). Это также проявляется в лобовом сопротивлении, которое на 18% и 8% ниже, чем в моделях 2019-01 и 2018 соответственно. Переднее крылья были перепрофилированы в соответствии с изменившимся воздушным потоком, который стал дальше расположен от земли и имеет слегка эллиптическую форму. Поток работает с поворотными лопастями под носом болида, чтобы вытягивать воздух с более высоким общим давлением из шасси вниз в критические области в передней части днища и боковых понтонов.

Как уже упоминалось, целью промывки воздуха из переднего крыла было предотвращение проникновения потока воздуха под днище. Модель 2019-01 работала плохо, потому что поток был больше и проходил прямо под днище. Модель 2019-02 работает значительно лучше в этом отношении. Но возникают проблемы ближе к середине болида, так увеличенная промывка воздуха передним крылом приводит к тому, что этот поток сталкивается с рычагами подвески, вызывая более толстый воздушный поток, а местами вообще его разделяя. В первой модели эта проблема проявилась меньше. Это, в свою очередь, делает область между монококом и колесом намного более запутанной, уменьшая общее давление в этой области, где требуется высокое общее давление, следовательно, передняя часть днища работает даже хуже, чем в 2019-01. Рычаги передней подвески на этой модели установлены ниже на шасси, чем на большинстве современных болидов «Формулы-1», поэтому изменение этой области может дать существенные преимущества для эффективности днища. Боковые дефлекторы значительно менее развиты, чем у современных болидов, что является следующей частью моделирования.

Даже с этой первой попыткой переднее крыло 2019 года сильно влияет на воздушных поток. Модель 2019-01 значительно уменьшила толщину следа в сравнении с 2018, делая область затронутого потока более узкой, чем ширина болида в переднее части. Модель же 2018 года генерировала поток в двое больший, чем ширина болида в носовой части. Модель 2019-02 увеличила более чем в два раза ширину зоны низкого общего давления по сравнению с 2019-01. При этом поток все еще сохраняет форму капли, как модель 2018. Хотя эффект будет не таким сильным, как в случае с 2018 годом, это будет иметь эффект для болида, следующего за ним.

Это исследование показывает, как изменение философии переднего крыла может иметь серьезные последствия для направления потока вокруг передней части болида, что может отрицательно или положительно повлиять на остальную часть болида. Хотя модель 2019-01 не соответствует дизайнам «Мерседес» / «Ред Булл», все же модель 2019-02, похожая на «Феррари»/ «Альфа Ромео», является более предпочтительной. Дизайн боковых дефлекторов и днища будет зависеть от потока, идущего от переднего крыла, поэтому путь развития каждой команды должен продолжаться с выбранной ими концепции вплоть до Абу-Даби – «Мерседес» выиграл 10 титулов за 5 лет, победы в Австралии и Бахрейне лишь подтверждают, что они на правильном пути. Хотя кто может сказать, чем закончится гонка вооружений, и чья концепция в итоге победит.

Надеемся, что этот случай также показал, насколько хитрым является дизайн болида «Формулы-1», поскольку кажущийся положительный эффект от изменения формы воздушного потока может привести к проблемам в взаимодействии переднего крыла и подвески, что может привести к уменьшению прижимной силы.