Убьёт ли новый регламент доминирование «плоскодонки» Mercedes?
Технический эксперт Ф1 Гэри Андерсон рассказал о том, как новый регламент на днище может похоронить надежды Mercedes на восьмой титул подряд...
В последние годы в Формуле 1 наметилось серьезное противостояние двух совершенно разных конструкторских идей в отношении днища шасси. В Mercedes остаются верны своей концепции плоского днища – практически параллельного дорожному полотну, тогда как в Red Bull продолжают развивать концепцию клиновидного шасси с повышенным рейком, когда в передней части машины дорожный просвет заметно меньше, чем в задней.
Аргументов в пользу одной и другой концепции выше крыши, но команда Mercedes за последние годы на практике доказала правильность своего выбора, взяв все титулы, которые только разыгрывались.
Однако на предсезонных тестах, прошедших совсем недавно в Бахрейне, «Серебряные стрелы» внесли тревогу в стан своих поклонников и породили разговоры о том, что изменения технического регламента в отношении днища, направленные на уменьшение прижимной силы в задней части шасси, больше всего ударили именно по командам, придерживающимся концепции «плоского» днища.
Давайте подробно поговорим о различиях в подходах на примере самых ярких их представителей – команд Red Bull Racing и Mercedes.
Затененными областями на виде сбоку показана разница между шасси с высоким рейком (Red Bull) и низким (Mercedes).
Если говорить только об аэродинамической составляющей, то клиновидное шасси должно в общем случае генерировать больше прижимной силы. Но есть и другие факторы.
Приобретенное вследствие рейка повышение центра тяжести помогает вкручивать машину в повороты на входе, но в целом принято удерживать центр тяжести максимально низко.
Чем выше центр тяжести, тем больше шасси будет склонно к опрокидыванию в задней части, и чтобы компенсировать этот эффект, необходимо будет максимально повышать центр крена.
На фотографиях с заднего плана отчетливо видны углы, под которыми установлены верхние рычаги задней подвески на машинах Red Bull и Mercedes. Это делается для достижения компромисса и гарантии того, что преимущества шасси перевесят его недостатки.
Чтобы придерживаться концепции шасси с повышенным рейком, необходимо уделить повышенное внимание тому, чтобы все аэродинамические конструкции служили единой цели, а именно «запечатыванию» днища машины, и делали это достаточно эффективно.
На заре 80-х конструкторы имели право разрабатывать дизайн своих шасси таким образом, чтобы воздух «запечатывался» в районе днища за счет специальных аэродинамических плоскостей, но вскоре эти «юбки» попали под запрет, и теперь инженеры пытаются воссоздать их эффект при помощи особым образом направленных воздушных потоков.
Суть в том, чтобы в область пониженного давления под днищем не затягивалось слишком много воздуха – поэтому конструкторы пытаются как-то оградить ее. Именно это мы имеем в виду, когда говорим о «запечатывании» днища.
Сложность состоит в том, что эти невидимые воздушные «юбки» должны сохранять свою эффективность в условиях трубулентности потока и бокового ветра. Если этого нет, генерируемая прижимная сила может оказаться очень нестабильной. И стабильности в этом плане гораздо труднее добиться именно с клиновидным шасси.
Можно выразить разницу в подходах команд в числовом измерении примерно следующим образом: если у Mercedes дорожный просвет в статике составляет порядка 25 мм на центральной линии в районе передней оси и 75 мм на задней, то у Red Bull цифра в задней части шасси увеличена примерно до 125 мм или больше.
Сегодняшние машины Ф1 склонны к недостаточной поворачиваемости в медленных и среднескоростных поворотах. Философия повышенной клиновидности шасси подразумевает, что в таких виражах переднее антикрыло машины оказывается ближе к дорожному полотну. Это заставляет всю машину работать как единый огромный диффузор, когда воздушный поток расширяется после сужения при прохождении передней части шасси.
При тех цифрах, которые мы предположили, коэффициент расширения днища на машине Mercedes должен составлять 3:1 в сравнении 5:1 у Red Bull. С аналогичными решениями в отношении «запечатывания» днища воздушный поток под плоским днищем с большим коэффициентом должен с большей скоростью проходить от передней части днища к задней, чтобы заполнить этот объем.
С такой разницей в дорожном просвете в задней части шасси (затененная область на картинке) и одинаковой шириной диффузора для всех машин можно говорить примерно о 25-процентном увеличении области диффузора.
Вместе с ускорением воздушного потока в стремлении заполнить эту область будет увеличен и эффект всасывания, опускающий машину к дорожному полотну.
На виде сзади легко заметить, насколько больше область всасывания диффузора на машине Red Bull по сравнению с Mercedes.
На обеих машинах боковины диффузора работают совместно с зоной пониженного давления за задними колесами. При должном взаимодействии они образуют очень объемную зону низкого давления за машиной.
Но поддерживать зону пониженного давления и эффективно управлять ей не так просто в связи с возникновением шинных струй. Показанные на фотографиях выше зеленым цветом, они оказывают огромное влияние на стабильность работы диффузора в целом.
Шинные струи возникают вследствие движения воздушных масс, исходящих от вращающихся задних колес. Поток обтекает пятно контакта шины с дорогой с двух сторон и стремится вернуться в зону пониженного давления непосредственно за пятном.
Эффективное использование этих потоков совместно с боковинами диффузора и является залогом успеха производительности всей конструкции в целом.
Если шинные струи не контролировать, их просто засосет под днище, что приведет к снижению эффективности работы диффузора и потере прижимной силы.
На рисунке я отобразил шинные струи симметрично с внутренней и внешней стороны колеса, но обычно они смещаются в ту сторону, где меньше давление. В задней части шасси шинные струи имеют тенденцию засасываться внутрь, и в командах обычно используют специальные ребра на днище перед задними шинами и направляющие на внутренних поверхностях тормозных воздуховодов, чтобы снизить эффект негативного воздействия шинных струй на работу нижней плоскости диффузора.
Ребра на днище обычно помогают создать полезные завихрения, позволяющие перенаправлять шинные струи и удерживать их как можно ближе к боковинам шин. Направляющие на внутренних поверхностях тормозных воздуховодов также отправляют завихрения по направлению вверх, что в свою очередь способствует «запечатыванию» этой области диффузора.
В передней части шасси шинные струи распределяются более равномерно между внутренней и внешней плоскостями шины, а при отдалении от колеса проникают под переднюю кромку днища. Именно поэтому так важно отделить заднюю область шины от передней кромки бокового понтона.
Когда разрешено было устанавливать отводящие воздух торцевые пластины переднего антикрыла и направляющие на крыле (до сезона-2019), потоки старались по максимуму обвести вокруг передних колес и соединить их с шинными струями.
Сейчас, когда крыло упростили, в Ferrari пошли по пути критического снижения углов рабочих плоскостей в их внешней части, тогда как в Mercedes оставили конструкцию с большими углами.
За последние пару лет эти две команды в принципе придерживались своих концепций, но постепенно их подходы сближаются – процентов на 50. Это все еще разные философии, но уже не такие разные, как прежде.
Передняя часть шасси Формулы 1 характеризуется по крайней мере в три раза большей вертикальной жесткостью в сравнении с задней. Это сделано для того, чтобы оказывать сопротивление тормозной силе, примерно равной 5G. Для сравнения, сила ускорения составляет порядка 1G.
В командах очень по-разному подходят к конструкции и геометрии третьей пружины, которая вступает в игру на прямых, не давая шасси чрезмерно «прилипнуть» к дорожному полотну, и всегда есть разница в вертикальной жесткости шасси спереди и сзади при прохождении поворотов.
С одинаковыми характеристиками распределения аэродинамической нагрузки в Red Bull могут позволить себе уменьшить вертикальную жесткость шасси в задней части. Это может положительно сказаться на стабильности разгона на выходе из медленных поворотов и позволить снизить температуру шин. Кроме того, в таких условиях можно увеличить недостаточную поворачиваемость шасси в медленных поворотах, но низкое переднее антикрыло не позволит это сделать. В команде могут поиграться с этими зависимостями, чтобы добиться от своего пакета максимума.
Но легкой жизни у Red Bull не будет, поскольку при большей подвижности шасси неминуемо придется более точно настраивать конфигурацию днища и аэро-карту переднего крыла. Не важно, какой философии придерживается команда, управление перемещением центра давления на разных скоростях лежит в основе эффективности любого шасси.
Перед новым сезоном были изменены правила в отношении геометрии днища, ребер диффузора и направляющих в нижней части конструкции тормозных воздуховодов. Изначально мне казалось, что машины с низким рейком потеряют меньше прижимной силы от этих нововведений, но предсезонные тесты показали, что, возможно, мои предположения были неверны.
Посмотрим, что будет в первой гонке сезона, но пока со своими задачами лучше справляются команды, придерживающиеся философии клиновидного шасси.
Если бы мне нужно было объяснить, почему так происходит, я бы сказал, что с 25-процентным увеличением области диффузора на машинах с выраженным рейком не так важно, откуда поступает воздушный поток, поскольку он будет ускоряться быстрее, чем на «плоскодонных» шасси, просто чтобы заполнить весь предоставленный объем, характеризующийся низким давлением.
Все команды страдают от того, что больше воздуха стало проникать под днище. Но чем лучше справляется со своей работой диффузор, тем легче преодолеть этот негативный момент.
Конечно, никто не ожидает, что на первую гонку в Бахрейне Mercedes или Aston Martin вдруг привезут шасси с высоким рейком, как у Red Bull, поскольку недостаточно просто взять и поднять заднюю часть машины – сразу возникнут проблемы с чувствительностью переднего антикрыла. Но я уверен, что в этих командах инженеры проведут немало часов при работе со средствами вычислительной гидродинамики, чтобы минимизировать негативные последствия нового регламента.
Ждать осталось совсем недолго. Будем надеяться на плотную борьбу за лидерство между двумя-тремя командами. Мне совершенно не важно, что это будут за команды, главное, чтобы после квалификации нельзя было с большой долей уверенности предсказать победителя гонки...
Перевел и адаптировал материал: Александр Гинько
Источник: https://the-race.com/formula-1/gary-anderson-have-new-f1-rules-hurt-low-rake-mercedes/
