Формула 1

Сто тысяч кругов в «грязном воздухе»

Научное доказательство того, как злобные инженеры и конструкторы испохабили благую идею светлоликих технических специалистов ФИА о том, что «граунд-эффект» разом увеличит число обгонов на порядок. Но трезвый и рациональный расчет в очередной раз победил Зрелищность, о чем мы сейчас и расскажем в двух частях – с обязательной «душнотой» для тех, кого учитель физики в свое время хвалил не за примерное поведение, а за решение задачек.

Оговоримся для начала. Мы давно пишем не «граунд-эффект», а эффект анти-экрана - по аналогии с другими авиационными терминами, как антикрыло, потому что уже есть русское слово экранирование или экран применительно к воздушным судам, использующим этот эффект (экранопланам). А для гоночной машины нужен анти-эффект, анти-экран.

Одной из главных причин аэродинамической революции Формулы-1 2022 года была вовсе не красота машин и даже не возвращение эффекта анти-экрана. ФИА хотела решить старую проблему: гоночная машина великолепно работает одна и заметно хуже - непосредственно за другой машиной.

Причина достаточно проста. Передний автомобиль не оставляет воздух таким, каким его получил. Он отбирает из потока энергию, создаёт вихри от колёс, антикрыльев и кузова и оставляет позади сложный аэродинамический след (про топологию спутного следа так хотелось поговорить в связи с обновлениями «Феррари» 499П, да все времени не хватает). Следующая машина попадает уже не в тот равномерный поток, на который рассчитывали её аэродинамики.

Особенно неприятно это было для машин предыдущего поколения. Огромное переднее антикрыло первым встречало «испорченный» поток, а дальше ошибка распространялась по автомобилю: менялась работа днища, падала нагрузка на заднюю ось, смещался аэродинамический баланс. Чем ближе гонщик подъезжал к сопернику, тем хуже его собственная машина проходила повороты.

Получался знаменитый парадокс Формулы-1: чтобы обогнать, сначала надо приблизиться; чем сильнее приближаешься, тем труднее ехать достаточно быстро, чтобы обогнать.

Регламент 2022 года должен был разорвать эту порочную аэродинамическую циркуляцию. Значительную часть прижимной силы перенесли под машину: длинные профилированные каналы Вентури под днищем должны были меньше зависеть от воздуха, испорченного впереди идущим автомобилем. Одновременно ограничили многочисленные устройства, создававшие сложные вихревые структуры вокруг машины, изменили антикрылья и попытались направлять аэродинамический след вверх - подальше от следующего автомобиля.

По расчётам всё выглядело убедительно. Изначально. Но мы-то находимся в будущем относительно тех наивных времен, и теперь у нас есть достаточный массив данных, чтобы проверить результат на практике.

Бхавая Джоши (Bhavay Joshi) проанализировал 100 486 гоночных кругов «Формулы-1» за 2021–2025 годы. Из данных попытались убрать влияние количества топлива и деградации различных составов шин, а затем посмотреть, как меняется время круга по мере приближения к впереди идущей машине. Получился результат, который ФИА в рекламный буклет вряд ли вставила бы.

Для машин 2021 года модель дала примерно 0,019 секунды потери времени на круг на каждую секунду сокращения интервала до соперника. Для машин 2022–2025 годов - примерно 0,018 секунды. Разница настолько мала, что статистически значимого улучшения автор обнаружить не смог.

И здесь очень хочется написать: «четыре года эффекта анти-экрана прошли зря». Но это было бы неправильно.

Исследование не измеряет непосредственно потерю прижимной силы. Оно измеряет конечный результат - время круга. Между аэродинамикой и секундомером находятся шины, настройки машины, действия гонщика, особенности трассы, тактика и ещё порядочное количество переменных.

Вполне возможно, что машина 2022 года действительно теряла за соперником меньше аэродинамической нагрузки, чем машина 2021-го, но одновременно выросли другие ограничения. Например, гонщик мог быстрее перегревать шины, оставаясь непосредственно за соперником.

Однако есть и обратная сторона этой оговорки.

Целью нового регламента было всё-таки не улучшить красивую картинку ВГД (Вычислительной гидродинамики, CFD – computational fluid dynamics). Требовалось сделать так, чтобы одна гоночная машина могла в реальной гонке ехать ближе к другой. И вот убедительного следа такого улучшения в ста тысячах реальных гоночных кругов пока найти не получилось.

Сейчас «Формула-1» перешла к следующему поколению машин, а облегчение преследования снова остаётся одной из задач аэродинамического регламента. То есть эксперимент продолжается.

ДУШНОТА

Воздух за машиной не просто «турбулентный»

Выражение «грязный воздух» удобно, но физически довольно неряшливо. За машиной одновременно происходят несколько разных вещей, и их полезно разделить.

Начнём с самого неприятного: полного давления.

Набегающий поток обладает статическим и динамическим давлением. В простейшем несжимаемом случае их сумму можно записать как

p₀ = p + ½ρV².

Идеальный поток можно ускорять и тормозить, превращая статическое давление в динамическое и обратно, не теряя полного давления. Но настоящая гоночная машина не идеальна. В пограничных слоях, отрывных областях и вихрях энергия организованного движения рассеивается в тепло. Поэтому непосредственно за автомобилем остаётся область с дефицитом полного давления.

Следующая машина получает поток, из которого предыдущая уже успела взять свою аэродинамическую дань. Почему это важно? Аэродинамические силы приблизительно масштабируются с динамическим давлением:

F = ½ρV²SC.

Если эффективная скорость набегающего потока уменьшается, падает и доступная аэродинамическая нагрузка. Причём зависимость квадратичная. Если локальная скорость уменьшилась, например, на 10%, динамическое давление станет не 90%, а примерно 81% исходного.

Но на настоящей машине этим дело не заканчивается.

Проблема №2: поток приходит не оттуда

Передняя машина оставляет после себя настоящий бедлам из вихрей. Особенно существенны структуры, создаваемые колёсами, кромками днища и антикрыльев. Поэтому воздух, попадающий на следующую машину, имеет не только другую скорость, но и другое направление.

Аэродинамический профиль чрезвычайно чувствителен к углу атаки. Если локальный поток приходит сверху, снизу или сбоку под другим углом, эффективный угол атаки элемента меняется. Для переднего антикрыла это особенно неприятно. Оно не просто само производит прижимную силу - оно подготавливает поток для всего автомобиля.

Ошибка в самом начале машины путешествует дальше по кузову.

Проблема №3: турбулентность

Есть ещё пульсации скорости.

В спокойном набегающем потоке можно условно написать:

V = const.

В следе соперника правильнее представить скорость как

V(t) = V̄ + v′(t),

где V̄ - средняя скорость, а v′ - её пульсации.

Получается, что аэродинамические поверхности следующей машины постоянно видят немного разный поток. Меняются локальные углы атаки и давления, перемещаются точки отрыва.

Особенно опасны элементы, работающие близко к пределу устойчивости потока. В чистом воздухе такая поверхность может великолепно давать нагрузку. В турбулентном следе её характеристики начинают гулять, что иногда может закончиться срывом потока и резкой потерей нагрузки.

Поэтому максимальная прижимная сила и способность сохранять её за другой машиной - вообще не одно и то же качество аэродинамики.

Почему эффект анти-экрана должен был помочь

У пред-предыдущего поколения огромная часть управления потоком происходила снаружи автомобиля. Переднее антикрыло, огромные поворотные лопатки (барджборды) и многочисленные вихревые генераторы создавали сложнейшую систему структур, управлявших воздухом вдоль кузова и днища. Стоило испортить входные условия - начинала разваливаться вся логическая цепочка такой сложной конструкции.

На машинах 2022 года гораздо большую работу поручили нижней поверхности автомобиля. Поток ускоряется в профилированных каналах под днищем, давление падает, и разность давлений сверху и снизу прижимает машину к трассе. В грубом приближении это должно быть устойчивее к следу соперника.

Но здесь появляется ещё одна неприятность.

Днище тоже получает тот же воздух

Здесь оговоримся, что это справедливо именно для машин с каналами Вентури, которые нужно «кормить» потоком – для того и нужны были те непонятные на первый взгляд «воронки с зубами» на входе под днище, прямо перед боковыми понтонами. Если не будет достаточного объема воздуха, который можно прокачать через канал, то и никакого эффекта от него не будет.

А есть так называемый эффект коробки, который пытались развивать параллельно экспериментам с каналами Вентури в 70х. Суть его проста. Нужно начисто перегородить путь набегающему потоку под днище и установить продольный угол наклона кузова так, чтобы образовывался клин низкого давления в этой аэродинамической тени под машиной. То есть, не прокачивать воздух, а наоборот, всячески преграждать путь. Такая система требует совершенно иного подхода к организации не только «поддонной» аэродинамики (например, диффузор там вообще ни к чему), но и тому, как огородить днище от попадания туда воздуха. Последний вопрос оказался нерешенным, да и толковой аэродинамической эффективности не удалось достичь. Но вопрос до сих пор остается интересным. Что если?...

Но вернемся к нашим экранам.

Эффект анти-экрана не создаёт прижимную силу из ничего. Под днище всё равно должен попасть воздух с определёнными полным давлением, скоростью и направлением. Если входящий поток уже неоднороден, меняется массовый расход через каналы днища и распределение давления внутри них. Кроме того, след передней машины нестационарен.

А значит, даже спрятанный под автомобилем аэродинамический профиль не становится невосприимчивым к машине впереди. Он лишь может быть менее чувствительным.

Даже если инженеры ФИА действительно уменьшили аэродинамическую чувствительность автомобиля к следу, между этим достижением и временем круга возникла длинная цепочка: спутный след - аэродинамическая нагрузка - баланс машины - скольжение шин - температура - деградация - действия гонщика - время круга.

Исследование, о котором мы ведем речь, видит только последний элемент этой цепочки. Поэтому из него нельзя сделать вывод: «регламент 2022 года не уменьшил потерю прижимной силы».

Зато можно сделать другой, гораздо более неприятный вывод: если он её уменьшил, выигрыш оказался недостаточно большим, чтобы отчётливо проявиться в конечном результате на протяжении четырёх сезонов.

А счастье, казалось, так возможно. Но тут пришел инженер…

• Вперёд >