Aerodynamika w samochodach wyścigowych cz. II

W 1976 roku zespół Lotusa wciąż używał modelu 72. Pokonanie tej konstrukcji nie było już żadnym wyzwaniem dla potęg jak Ferrari, McLaren, czy Brabham. Colin Chapman zaczął więc prace nad nowym modelem, którego główną bronią znów miała być aerodynamika.

Inspirację dla nowego rozwiązania Chapman znalazł w lotnictwie. Bombowiec de Havilland Mosquito, który przyciągnął uwagę konstruktora, sam w sobie był dość nietypową konstrukcją. Konstrukcja, używana podczas II wojny światowej, budowana była technikami jeszcze z pierwszego globalnego konfliktu. Niemal w stu procentach drewniany samolot świetnie sprawdzał się na polu bitwy, a w dodatku jego produkcja oszczędzała kluczowe w czasie wojny zasoby jak stal. Jakby tego było mało technologia jego produkcji była tak standardowa dla wyrobów drewnianych, że budować go mogły nie tylko wyspecjalizowane przedsiębiorstwa lotnicze, ale nawet firmy meblarskie, czy produkujące pianina. Jednak Colina Chapmana najbardziej interesowała konstrukcja skrzydła bombowca. Otóż chłodnice silników były zamontowane wewnątrz głównego płata. Minimalizowało to opór aerodynamiczny. Ważniejsze jednak było w jaki sposób powietrze opływało te chłodnice. Powietrze wpadało w otwory na przedzie skrzydła, opływało elementy, a następnie kanałem wewnątrz skrzydła, z ruchomą klapą przymykającą, było wyrzucane pod nie. Gorące powietrze wyrzucone tuż pod płat pozwalało wytworzyć większe ciśnienie pod nim, a więc zwiększało sprawność samego skrzydła. Chapman studiując to rozwiązanie i prawo Bernoulliego stwierdził, że może to rozwiązanie odwrócić i wykorzystać cały bolid jako płat, który byłby zasysany do asfaltu. Colin przedstawił opracowanie swoich pomysłów głównemu inżynierowi Lotusa i polecił rozpoczęcie prac nad projektem.

Bombowiec De Havilland Mosquito

Projekt nie trafił na ludzi zielonych w tej dziedzinie. W skład zespołu inżynierów, którzy się nim zajmowali, wchodzili m.in Peter Wright oraz Ralph Bellamy. Obaj Panowie już wcześniej interesowali się możliwością zastosowania odwróconego profilu lotniczego w samochodach wyścigowych. Zespół eksperymentował w tunelu aerodynamicznym z ruchomym podłożem. Wright zauważył, że jeden z modeli wraz ze wzrostem prędkości coraz bardziej zbliża się do podłoża. Model ten miał po bokach dodatkowe elementy – „kurtyny” separujące przepływ pod bolidem od dopływu dodatkowego powietrza. Wyniki były fenomenalne, więc szybko rozpoczęto prace nad samochodem wykorzystującym tzw. efekt przyziemienia.

Lotus 78 był wynikiem przebłysku geniuszu Chapmana i jego zespołu, a zarazem prawdziwą rewolucją dla całej F1. Jego niemożliwa wręcz przyczepność nie dawała rywalom spokoju, a co gorsza kompletnie nie mogli oni dojść, co jest jej przyczyną. Nadwozie, ukształtowane by maksymalizować działanie efektu przyziemienia, było rozciągnięte między osiami pojazdu i dodatkowo odgrodzone kurtynami sięgającymi do samej ziemi. Nie było możliwości by choćby zerknąć co się pod nim znajduje. Bolid był takim sukcesem, że szybko zastąpiono go jeszcze bardziej radykalnym modelem 79.

Lotus 78

Konkurencja jednak nie ustawała w próbach i w końcu po sezonie ’78, zakończonym zwycięstwem Lotusa w klasyfikacji konstruktorów oraz kierowców w duecie z Andrettim, do głosu znów dochodziły doświadczone zespoły Ferrari, czy Williams. W 1981 mistrzostwo świata w klasyfikacji kierowców zdobył nawet Nelson Piquet w Brabhamie. Tym samym dał pierwszy tytuł temu zespołowi pod rządami Berniego Ecclestone’a. Udało się to z modelem BT49C, ale trzy lata wcześniej Brabham pokazał inny bardzo ciekawy bolid, zaprojektowany przez Gordona Murray’a. Podwozie BT46B nazywane „Fancar”, czyli w wolnym tłumaczeniu samochód-wiatrak, poszukiwało nowych sposobów na wzmocnienie efektu przyziemienia. Koncept był w sumie bardzo prosty i oczywisty. Na tyle samochodu umieszczono duży wiatrak, który wyciągał powietrze spod bolidu i dosłownie przysysał go do nawierzchni. Wentylator był połączony z jednostką napędową przez system sprzęgieł, przez co wraz ze wzrostem obrotów (a co za tym idzie i prędkości) samochód bardziej przysysał się do toru. Bolid wygrał jeden wyścig zanim rywale go oprotestowali i zmusili do wycofania za stosowanie „ruchomych elementów aerodynamicznych”.

Wydawać by się mogło, że to Formuła 1 przejęła pałeczkę w rozwoju całej dziedziny, że gdyby nie ona, to aerodynamika pojazdów wyścigowych byłaby na dużo niższym poziomie. Nic bardziej mylnego! Znów wszystko przez Panów z firmy… Chaparral! Już na początku lat ’70 przedsiębiorstwo testowało efekt przyziemienia w ich bolidzie Formuły 5000. W tym samym czasie powstał także model 2J, z drugim silnikiem napędzającym umieszczone z tyłu wentylatory, które wysysały powietrze spod podłogi samochodu. Dodajmy, że podłogi odgrodzonej z boku kurtynami… Oczywistym jest więc, że rozwiązania amerykańskiej firmy nie tylko inspirowały konstruktorów F1, ale były przez nich wprost kopiowane. Dlatego jeszcze raz zachęcam do zapoznania się z historią firmy Chaparral opisaną na „4 kółkach” by zrozumieć jak wiele sport motorowy i motoryzacja w ogóle zawdzięczają tej jednej, małej firmie.

Arrows A2 korzystający z efektu przyziemienia

Wbrew powszechnemu mniemaniu samochody wykorzystujące tak mocno efekt przyziemienia wcale nie były łatwe w prowadzeniu. Generowane siły aerodynamiczne były tak ogromne, że konstrukcje po prostu ich nie wytrzymywały. Ponadto ze względu na kompletną zależność od chwilowego opływu powietrza, były też bardzo kapryśne w prowadzeniu, nieraz wręcz niemożliwe do ustawienia. Efekt przyziemienia dawał najlepsze efekty kiedy pojazd znajdował się jak najbliżej podłoża. Wtedy jednak siły działające na podwozie jeszcze się zwiększały, co powodowało dalsze ugięcie zawieszenia i zbliżenie do asfaltu, a nawet jego dotknięcie. W chwili gdy płyta podłogowa dotykała toru przepływ powietrza pod samochodem był na moment blokowany, a wtedy cała magia i przyczepność efektu przyziemienia wyparowywała w ułamku sekundy. Nie jest to coś przyjemnego, ani bezpiecznego, kiedy pędzi się z ogromną prędkością w szybkim zakręcie, których wtedy na torach nie brakowało. Doszło nawet do tego, że testowano samochody W OGÓLE bez zawieszenia, ale na szczęście tylko na testach się skończyło. Jednak nieprzewidywalność tych pojazdów i tragiczne wypadki jakie spowodowały zmusiły FIA do zdecydowanej interwencji. Od sezonu 1983 zakazano stosowania efektu przyziemienia i wszystkich elementów nadwozia z nim związanych, narzucając m.in. płaską podłogę w bolidach.

Tak naprawdę przez kolejne lata organizacje zarządzające sportem skupiły się głównie na regulaminach i ograniczeniach mających podnieść bezpieczeństwo. Lekcje wyniesione z ery efektu przyziemienia nie zostały jednak zapomniane, a zespoły szukały nowych sposobów na efektywne wykorzystanie aerodynamiki. Główną zapamiętaną nauką było, że możliwie mały prześwit pod podłogą powoduje wytworzenie niższego ciśnienia pod bolidem, a zatem i lepsze przyssanie go do podłoża. Tylko jak maksymalnie obniżyć samochód, bez negatywnych tego efektów, jak dotykanie podłogą do asfaltu? W 1992 roku zespół Williams znalazł odpowiedź. Po wielu latach rozwijania systemu w modelu FW14B wprowadzono system aktywnego zawieszenia. Wcześniej w latach osiemdziesiątych nad podobnym rozwiązaniem pracował Lotus, ale projekt został porzucony. Williamsowi udało się to dzięki rozwojowi komputeryzacji. Wcześniej po prostu nie było możliwe umieszczenie w bolidzie tak zaawansowanych komputerów, zdolnych do dostatecznej ilości obliczeń. Dlaczego? Otóż do ów systemu wgrywało się cały kompletny tor. Dzięki zaprogramowaniu trasy po jakiej porusza się bolid system potrafił utrzymać stały, minimalny prześwit w praktycznie każdych warunkach, niezależnie od sił działających w danym momencie na pojazd, czy nierówności nawierzchni. Dodać do tego należy świetną aerodynamikę przygotowaną przez Adriana Newey’a. Skutek? Riccardo Patrese, który niezbyt dobrze czuł się z tym wynalazkiem i nie potrafił dogrzać bolidu, był o dwie sekundy na okrążeniu szybszy od reszty stawki, a dobrze dogadujący się z nowym bolidem Mansell kolejne dwie szybszy od Patrese! Reszta zespołów rozkładała ręce z bezsilności, bowiem podrobienie tego rozwiązania nie tylko wymagało gigantycznych funduszy, ale i lat badań oraz testów. Mimo to rok później wszyscy mieli już podobne rozwiązania, ale poza pojedynczymi próbami Senny, nikt nawet nie mógł się zbliżyć do „Team Willy” i jego kolejnego bolidu FW15C. Nie dziwne więc, że po dwóch sezonach totalnej dominacji, aktywne zawieszenia zostały w F1 zakazane. Niemniej Williams FW14B uważany jest po dziś dzień za jeden z najbardziej zaawansowanych technicznie samochodów w całej historii F1.

Po tragicznym weekendzie podczas GP San Marino w 1994 roku, organizacje zarządzające F1 jeszcze bardziej skupiły się na blokowaniu rozwoju w różnych dziwnych kierunkach i generalnej poprawie bezpieczeństwa sportu. Inżynierowie skupili się więc na projektach dotyczących wszelkich miejsc nieujętych regulaminami, nawet jeśli zupełnie nie miały one sensu, jak choćby poziome skrzydła tuż przed oczami kierowcy. Szczyt obudowania bolidów dodatkowymi elementami aero nastąpił w sezonie 2008.

Bolid zespołu Arrows podczas testów dodatkowego skrzydła w 2001 roku

Kiedy w sezonie 2009 przepisy Formuły 1 przeszły prawdziwą rewolucję konstruktorzy zaczęli szukać nowych możliwości do zyskania przewagi nad konkurencją. Ograniczona nowymi regulaminami siła docisku spadła o niemal 50% w stosunku do minionego sezonu. Znalezienie sposobu na jej odzyskanie stało się priorytetem. Nadwozie bolidów zostało opisane i obwarowane przepisami bardzo dokładnie, ale poza płaską podłogą, jej tylna część poświęcona na dyfuzor pozwalała na nieco kombinowania. Znów wróciliśmy więc do zabaw z podłogą, bo to dyfuzory właśnie skoncentrowały sporą część uwagi inżynierów. Luki w przepisach twórczo wykorzystały zespoły Brawn GP, Williamsa i Toyoty, które skonstruowały podwójne, a nawet potrójne dyfuzory. Konstruktorzy wprowadzili dodatkowe powierzchnie i kanały ponad samym dyfuzorem, które zasilane powietrzem znad podłogi zwiększały skuteczność całej sekcji. Było to możliwe, gdyż ten obszar nie był opisany regulacjami dotyczącymi dyfuzora, a i same elementy nim de facto nie były. Znów – rozwiązania zakazano, doprecyzowując przepisy.

Tym razem najbardziej wykazał się zespół inżynierów Red Bulla pod kierownictwem dobrze znanego Adriana Newey’a. Nowe przepisy zabraniały umiejscowienia wydechu w dyfuzorze. Zespół Newey’a wymyślił więc, że umieści wydech bolidu na górnej części dyfuzora, a potem przez otwory skieruje gazy wylotowe silnika znów pod podłogę. Miało to dwie zalety. Pierwsza to odgrodzenie i odsunięcie od przepływu w dyfuzorze turbulencji wywołanych przez tylne koła. Druga to dodanie energii do przepływu powietrza za dyfuzorem, co również pozwala na zwiększenie jego efektywności. Problem znów pojawiał się kiedy kierowca pracował pedałem gazu. Ilość gazów wylotowych silnika była przecież wprost zależna od otwarcia przepustnicy, zależna była więc także skuteczność dyfuzora, czyli sama siła docisku bolidu. Siła docisku malała w momencie kiedy kierowca najbardziej jej potrzebował, czyli w momencie gdy puszczał gaz na wejściu w zakręt. Zespół Red Bulla szybko poradził sobie także z tym problemem stosując specjalne mapowanie silnika, otwierające minimalnie przepustnice nawet kiedy kierowca puszczał gaz.

RB8 z wydechem korzystającym z efektu Coandy

Kiedy w 2012 próbowano zakazać tzw. dmuchanych dyfuzorów przesuwając wydech ponad podłogę bolidu, zespół Newey’a znów znalazł rozwiązanie pozwalające obejść przepisy. Mimo odsunięcia wydechu ponad dyfuzor udało się przez otwory w podłodze znów wprowadzić do niego gazy wylotowe silnika. Jak? Wszystko z wykorzystaniem efektu Conady. Każdy z was może u siebie w domu przeprowadzić proste doświadczenie zbliżające do rozwiązań stosowanych w F1. Wystarczy odkręcić wodę w kranie, a potem zbliżyć do strumienia palec. W pewnej chwili zauważycie, że strumień wody się odchyla, jakby przyklejając się na małym odcinku do palca. Kiedy zrobicie to samo zbliżając do strumienia łyżkę jej wypukłą częścią strumień uda się odchylić jeszcze bardziej. To dokładnie efekt Coandy, czyli zjawisko „przyklejania się” strumienia płynu (płyny to ciecze i gazy) do odpowiednio ukształtowanych powierzchni. Dokładnie ten efekt wykorzystał Newey, formując powierzchnie za rurą wydechową w ten sposób, by strumień gazów wylotowych się do nich przykleił i został skierowany w okolice dyfuzora. Reszta zespołów próbowała podrobić rozwiązanie, ale okazało się to niezwykle trudne. Rozwiązanie finalnie ukrócono dopiero w 2014 roku, przy wprowadzeniu nowej formuły silnikowej, pozycjonującej wydech pod tylnym skrzydłem.

Wielu osobom wydaje się, że od tamtego czasu kluczową rolę w F1 przejęły jednostki napędowe, a aerodynamika traci na znaczeniu. Trudno się nie zgodzić, że to po części prawda, szczególnie przy tak gigantycznej przewadze silnikowej Mercedesa. Jednak choć skupiamy się na napędzie, to  już dawno minęły czasy słów Enzo Ferrari: Aerodynamika jest dla ludzi, którzy nie potrafią budować silników. Topowe zespoły dalej nad nią niezwykle intensywnie pracują. Choćby wspomniany Mercedes, który bodajże wraz z Force India znalazł sposób na obejście przepisów i skonstruowanie tzw. „kanału S” na nosie, pobierającego powietrze zaraz przy przednim skrzydle, a nie, jak przepisy teoretycznie pozwalają, maksymalnie 150 mm przed przednią osią. Kanał ten pobiera powietrze spod nosa, zwiększając jego skuteczność i wyrzuca przed kierowcą, poprawiając opływ dookoła sekcji, gdzie siedzi człowiek. Ponadto mówi się też, a raczej snuje domysły, o dodatkowym kanale w Mercedesie, który pobiera powietrze znad głowy kierowcy, gdzie znajdują się uchwyty do chłodzenia jednostki (zwróćcie uwagę na ile części podzielony jest ten wlot) i wraz z prędkością przekierowuje część powietrza by dodatkowo wygasić tylne skrzydło. Wszystko pasywnie, bez udziału mechanizmów czy kierowcy, tylko korzystając ze zjawisk fizycznych. W sezonie 2018 z kolei Renault nieco zaskoczyło resztę stawki ustawiając wydech pod kątem najmocniej jak tylko pozwalają przepisy, próbując dmuchać pod tylne skrzydło rozgrzanymi gazami by zwiększyć jego efektywność. Poza tym znaczna część zabawy z aerodynamiką ma teraz miejsce wewnątrz bolidów, by odpowiednio rozprowadzić dostateczne ilości powietrza, pozwalające schłodzić nowe, niezwykle skomplikowane i ciasno upakowane jednostki napędowe.

Także nie ma co się przejmować. Aerodynamika dalej gra pierwsze skrzypce, nawet przy nowych silnikach, które bez niej nie mogły by tak efektywnie pracować. Nie zanosi się, by coś ją zrzuciło z tego piedestału.