Аэродинамика болида Формулы-1

Уже на протяжении чуть более 30 лет аэродинамика Формулы-1 постоянно претерпевает изменения, это одна из самых важных характеристик болида Формулы-1. Аэродинамика современного болида Формулы-1 является одним из ключевых факторов успеха. Команды тратят десятки миллионов долларов на исследования в этой области. Специалисты в области аэродинамики преследуют две основных цели: 

1) создать прижимную силу для лучшей управляемости и более скоростного прохождения поворотов. 

2) минимизировать аэродинамическое сопротивление, вызываемое турбулентностью и снижающее скорость болида. 

Еще в 1968 году команды Формулы-1 начали эксперементировать с аэродинамическими конструкциями, чтобы получить эффект "прилипания" шасси к трассе. Первые три вида таких конструкций были очень простыми и ненадежными, поэтому достаточно часто ломались в процессе гонки.

Принцип работы антикрыльев в Формуле-1 легко сопоставим с технологиями в самолетостроении. Но в то время как крылья самолетов способствуют взлету и планированию по воздуху, в Формуле-1 антикрылья выполняют прямопротивоположную функцию - возникновение прижимной силы.

Рассмотрим аэродинамическую конструкцию антикрыла болида Формулы-1. Антикрыло рассекает воздух и образует две мнимые части воздушного пространства, точнее, два различних воздушных потока. Один из потоков перемещается по поверхности под крылом, другой - над. Из-за конструкции антикрыла частицы нижнего воздушного потока движутся "поотдаль" от крыла, и прямо противоположная ситуация с верхним потоком. В результате над крылом оказывается большее давление, чем под крылом, что и способствует появлению прижимной силы.

Переднее антикрыло.
Передние антикрылья на болиде обеспечивают около 25% всей прижимной силы, но эта цифра снижается в то время, когда болид находится за другим. Появляется эффект "засасывания" сзади идущей машины в переднюю, известный как слипстрим. Из-за уменьшения прижимной силы позади идущий болид может развить гораздо более высокую скорость на прямой, но при этом пилоту приходится раньше нажимать на педаль тормоза и аккуратнее проходить повороты.

Переднее антикрыло, прикрепляется к носовому обтекателю (4) при помощи пилонов. На этой аэродинамической поверхности (1) как правило 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.

Конструкция элерона такова, что он является ассимитричным самому себе относительно центральной разделяющий вообразимой линии, если смотреть на болид спереди. 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. Правилами FIA установленно минимальное расстояние между трассой и передним антикрылом.



Заднее антикрыло.
Примерно треть всей прижимной силы обеспечивает заднее антикрыло болида, которое постоянно видоизменяется в F1 от трассы к трассе. Это приспособление может создавать более 1000Н (Ньютонов) прижимной силы и весит около 7 кг. 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 возуха достигает заднее антикрыло, он вовсе не прямой, потому что сам болид создает некоторый эффект турбулентности потока воздуха).
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. По тому же принципу, как образуется прижимная сила, зона низкого давления, прямо под антикрылом, помогает диффузору засасывать воздух, который так же в свою очередь обеспечивает прижимную силу.
Ввиду того, что заднее антикрыло вызывает наибольшее сопротивление в болиде, команды видоизменяют строения антикрыльев для каждой трассы. 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.

Диффузор.

Следующая аэродинамическая деталь (из основных), которую можно обнаружить на болиде, - это диффузор. Диффузор может давать до 50% процентов от общей прижимной силы, что делает его одним из самых важных элементов в проектировании болида. Принцип действия диффузора заключается в том, что он, в отличие от антикрыльев, засасывает воздух. Эффект этот получается из-за аэродинамической формы. Диффузор находится в самой нижней, "хвостовой" части формулы, прямо под задним антикрылом, и объем диффузора увеличивается по мере приближения его к "концу" болида. Быстрый поток воздуха, попадающий в диффузор из-под дна болида разрежается, за счет попадания его в увеличенный объем диффузора, отсюда и эффект засасывания (всем хорошо известен закон, что газ стремится выравнить давление в системе). 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.

Аэродинамика болида Формулы-1 (Видео).