Аэродинамика болидов Формулы-1

Технологии используемые в Формуле-1 тайна за семью печатями: узнать какие-либо подробности об современных болидах практически невозможно. Тем не менее иногда получается увидеть кое-что интересное. Так, благодаря аварии Мика Шумахера, мы воочию увидели днище болида HAAS. В условиях текущего регламента днище считается главной областью с точки зрения аэродинамики, ведь оно обеспечивает половину прижимной силы, генерируемой болидом.

Что такое граунд-эффект?

Это аэродинамический эффект, создающий прижимную силу, в области между днищем машины и дорожным полотном. На самом деле этот эффект наблюдается у всех без исключения тел, быстро двигающихся близко к поверхности земли. Причем это может быть как подъемная, так и прижимная сила.




– Мауро Форгьери, бывший шеф дизайнер команды Ferrari.

Но все-таки применительно к Формуле-1 граунд-эффектом принято называть только лишь прижимную силу, возникающую под днищем болида. Для техники этого года, доля граунд-эффекта в прижимной силе достигает 60%. Ещё по 15% дают антикрылья (в сумме 30%), а оставшиеся 10% приходятся на внешние кузовные панели.

Как работает граунд-эффект? Приведу пример из жизни. Представьте себе узкий проход (лучше арку) между двумя домами. В ветреную погоду скорость ветра между ними будет гораздо больше, чем на открытом пространстве. Почему? Так работает закон Бернулли: с уменьшением сечения потока газа, происходит увеличение скорости (и падение статического давления, в нашем примере на стены дома). То есть для создания прижимной силы нужно ускорить поток воздуха под днищем, что бы под ним возникла область пониженного давления, то есть — прижимная сила!

Экскурс в историю: история возникновения граунд-эффекта в Формуле-1

Первые опыты в этом направлении проводил главный конструктор команды Brabham, южноафриканец Гордон Марри. Еще в 1974 году Гордон установил под сплиттер Brabham BT44 поперечную юбку, и обнаружил что сразу после неё возникает область пониженного давления, то есть прижимная сила.



В команде Lotus нашли другой способ. Питер Райт использовал профиль днища в виде перевёрнутого авиационного крыла, а что бы избежать попадания воздуха извне, вдоль бортов установил специальные экраны, получившие меткое название «мини-юбки». Ставка на аэродинамические инновации сработала, и в Чемпионате мира Формулы-1 1978 года болиды Lotus с граунд-эффектом, под управлением Марио Андретти и Ронни Петерсона не знали себе равных.




– Питер Райт, Lotus.

Но, наверное, самый экстремальным подход к освоению «эффекта земли» продемонстрировал Тони Саутгейт. Для Arrows A2 антикрылья не были предусмотрены в принципе! Бескрылый болид выглядел настолько непривычным, что гонщики боялись на нём выступать. Что бы успокоить пилотов, Саутгейту даже пришлось переделать аэродинамику, добавив заднее антикрыло. 



В таком виде, то есть тоннели Вентури плюс «мини-юбки», граунд-эффект получил широкую и скандальную известность. Ведь него, как и у любой медали, была обратная сторона. Во первых, разгерметизация днища в повороте приводила к мгновенной потере прижимной силы и к вылету с трассы. А во вторых, в условиях работы со столь большой нагрузкой, конструкторы вынуждены были делать подвеску колёс жёсткой и короткоходной. По сути, болиды Формулы-1 конца семидесятых представляли собой этакий карт, оснащенный мощным двигателем. И это доставляло сильный дискомфорт пилотам.



Благодаря введению ограничений, Автомобильная Федерация добилась того, что гонки стали гораздо безопасней, а болиды предсказуемей в управлении. В 1981 году «мини-юбки» были запрещены, а в 1983 году в Формуле-1 предписали использовать только плоское днище, что ставило на граунд-эффекте крест. По этим правилам Формула-1 и жила до прошлого года.

Но в 2022 году граунд-эффект вернулся. И, как выяснилось не в том виде, в каком он существовавал прежде.

Принципиальная схема похожа, ведь в обоих случаях используют длинные туннели Вентури под днищем. Но так как «мини-юбки» всё ещё запрещены регламентом, то конструкторам команд пришлось придумывать способ увеличить эффективность другими способами.



Теперь для увеличения прижимной силы используются «генераторы вихрей», установленные на входе под боковые понтоны. Эти «Vortex generators» служат для того, что бы сделать поток воздуха под днищем болида максимально возмущенным, а значит ещё сильнее снизить давление — читайте: увеличить прижимную силу.

Ничего подобного в Формуле-1 раньше не применялось. Впрочем, идея не новая, «vortex генераторы» используются на гоночной технике уже лет двадцать. Например, аналогичный профиль днища применяли в серии «Индикар» ещё на рубеже 80-х, и 90-х. Так же аналогичные устройства использовались на «спортпрототипах» с середины 90-х годов.



Неприятной неожиданностью от возвращения граунд-эффекта стал давно забытый эффект «козления» или «дельфинирования» (porpoising), который возникает когда под действием разрежения машину настолько сильно присасывает к дорожному полотну, что поток воздуха под ним прерывается. В этот момент прижимная сила резко падает, и болид «подпрыгивает» вверх. После этого поток воздуха восстанавливается, а вместе с ним и прижимная сила — болид вновь «падает» на дорогу. И так повторяется до тех пор, пока пилот не сбросит скорость.



И хотя для болельщиков способы получения прижимной силы не имеют значения, возвращение давно забытого «эффекта земли» привело к обострению борьбы в пелетоне. Что положительно сказывается на интересе зрителей к Чемпионату Мира. Шарль Леклер и Макс Ферстаппен уже подарили зрителям давно забытый вкус борьбы за победу, с многочисленными обгонами.