Na tym świecie pewne są 3 rzeczy: śmierć, podatki i nieskończona kreatywność zespołów w F1. Wyścig zbrojeń toczy się o setne sekundy, a wygra ten, który sztukę kompromisu między wydajnością poszczególnych elementów opanował do perfekcji. The name of the game to znaleźć takie rozwiązanie lub interpretację, która pozwoli zminimalizować negatywne efekty.
Na początku sezonu 2023 sporą uwagę przykuł nietypowy kanał, który Ferrari umieściło w bocznej sekcji monokoku. By zrozumieć, czemu może służyć, należy jednak spojrzeć w przeszłość i przyjrzeć się temu, co do niedawna znajdowało się w okolicy przedniego skrzydła.
To oczywiście niezwykle ważna część. Nie tylko produkuje docisk, ale też kształtuje przepływ powietrza dookoła bolidu. Źle zaprojektowana lotka czy niepowodzenie w korelacji z tunelem aerodynamicznym mogą nie tylko nie pomóc, ale wręcz zaszkodzić osiągom, a skrzydło dające przewagę nad konkurencją potrafi odblokować całą gamę możliwości w innych obszarach bolidu.
Wadą przednich skrzydeł może być jednak fakt, że są one... cóż, przednie i umieszczone blisko nawierzchni. Nieodłącznym efektem generowania docisku jest wyrzucanie powietrza w górę (tzw. upwash), które następnie uderza w spód nosa. Skutkować może to albo obszarem o podniesionym ciśnieniu pod nosem (co nieco niweluje wartości generowanego docisku), albo separacją przepływu z tylnej krawędzi skrzydła (jeżeli jest ono podwieszone pod nosem, na co szczególnie cierpiały bolidy z lat 00.). W części przypadków mamy do czynienia z oboma z tych czynników jednocześnie.
Mówiąc prościej - mniej docisku i więcej oporu, co niekoniecznie jest najbardziej optymalną kombinacją. Rozwiązanie jest zatem oczywiste i proste - należy sprawić, żeby powietrze przeniknęło przez nos. I tyle, pora na CSa… W CSa ewidentnie chciało pograć Ferrari w 2008 roku, gdyż w Maranello padł dokładnie taki pomysł.
Ferrari F2008 z sezonu... szok i niedowierzanie, 2008
Podczas GP Hiszpanii w konstrukcji z galopującym koniem pojawiła się pewna nowinka techniczna. W nosie bolidu można było zauważyć otwory położone na linii przedniego zawieszenia. Przy ponownym rzucie oka ukazywał się również wlot do kanału, umieszczony tuż za krawędzią spływu przedniego skrzydła. Kanał łapał powietrze wyrzucane przez nos w górę i transportował je nad nos bolidu. Co więc było tak niezwykłego w tym rozwiązaniu?
W sumie to... nic. Aerodynamicznie nie jest to inżynieria rakietowa, pomimo prawdopodobnie sporych zysków. Głównym wyzwaniem było spełnienie zapisów regulaminu dotyczących struktury zderzeniowej oraz upakowanie zawieszenia dookoła przeprowadzonego kanału. Nie wiem, jak Wy, ale ja nie chciałbym być osobą odpowiedzialną za przekazanie działowi chassis, że najnowszym pomysłem jest wydrążenie dziury w samym środku struktury zderzeniowej.
Z kolejnym sezonem przyszła rewolucja w przepisach technicznych. Odrzucono pewne interpretacje reguł, przez co idea Ferrari stała się niemożliwa do zrealizowania. Raz zastosowany pomysł trwale jednak zostaje w pamięci zespołów, więc na plony nie trzeba było długo czekać.
S-auber duct
Pod koniec lat 00. i początku lat 10. w Formule 1 zapanowała moda na wykorzystywanie pasywnych tuneli łączących ze sobą dwa obszary, a jej owocami były choćby podwójny DRS czy F-duct. Chcąc zabronić wykorzystywania kanałów w nosie do celów innych niż chłodzenie, FIA wprowadziła zapis o zakazie otworów w poszyciu. Dozwolone było jedynie umieszczenie otworu w obszarze 150 mm przed linią przedniej osi, ale dla kreatywnych zespołów było to wystarczające zaproszenie.
Sięgając pamięcią do roku 2012, w F1 królowały tzw. schodki czy progi. Już sama geneza tychże elementów jest ciekawa - Charlie Whiting wraz z FIA chcieli obniżenia nosów do maksymalnej wysokości 550 mm, o 75 mm mniej niż poprzednio. Spotkało się to ze stanowczym sprzeciwem zespołów. Argumentami wyścigowej strony padoku było mocowanie zawieszenia oraz utrata osiągów związana z obniżeniem nosa. FIA niechętnie zgodziła się na kompromis, w którym tylko część zderzeniowa musiała być obniżona. Efekt? Cóż, widzieliśmy wszyscy.
I choć utrzymanie wysokiego monokoku niosło za sobą pewne zyski, to tak gwałtowny skok w wysokości części rodził inne problemy. Nagła zmiana geometrii znacznie zwiększała szansę na separację warstwy granicznej, nie tylko zaburzając przepływ, ale także generując dodatkowy opór oraz lokalną siłę nośną.
Jednym ze sposobów na utrzymanie przyczepionej warstwy granicznej jest jej energetyzowanie. W praktyce polega to na wpuszczeniu w nią nieco dodatkowego powietrza (co jest też głównym powodem tego, iż skrzydła mają przerwy między elementami). Tylko skąd je wziąć?
Sauber C31 z sezonu 2012
Do problemu kreatywnie podszedł Sauber, który wykorzystał zapis o możliwości umieszczenia otworu pod nosem. Kanał zaczynał się na wysokości przednich ramion wahaczy, ukształtowany był w charakterystyczne „S”, a wylot miał tuż za progiem nosa i transportował nieco powietrza spod bolidu, do obszaru za schodkiem w nosie. Pomagało to przyczepić warstwę graniczną i zniwelować negatywne efekty aerodynamiczne. I choć sama geometria kanału ze względu na ograniczoną regulacjami przestrzeń pozostawiała dużo do życzenia, to zespół i tak zdecydował się poświęcić zasoby na rozwój tego obszaru.
Drugą, mniej oczywistą zaletą jest redukcja grubości warstwy granicznej pod spodem nosa. Warstwa graniczna jest efektem strat w przepływie - powietrze trze o powierzchnię i zwalnia. Obszar blisko części, który porusza się z prędkością mniejszą od prędkości wolnego przepływu, jest właśnie warstwą graniczną. Ważną własnością jest budowanie się warstw granicznych, które rosną z czasem i przebytą odległością. Potrafi to zmienić efektywny kształt geometrii - choćby zredukować kąt ataku czy wypukłość - co uderza w wydajność całego pakietu.
Alternatywnie warstwa graniczna jest obszarem o mniejszej prędkości przepływu oraz znacznie większej podatności na przekształcenie się w obszar turbulentny. Usunięcie jej jest w stanie pomóc uporządkować i być może przykleić przepływ z powrotem do geometrii, co mimo odebrania części energii z przepływu ostatecznie ujednolica powietrze na wlocie pod podłogę.
I choć radziłbym traktować grafiki jedynie poglądowo, to CFD nie pozostawia złudzeń. Fotki to… oj, to skomplikowane. Mamy tu dwa kształty przypominające literę S, ale ponadto w jednym z nich znajduje się też malutki kanał ssący (w kółeczku) - i to on jest tutaj najważniejszy. Jeszcze raz - nie łączcie dużego kształtu na górze i na dole z rozwiązaniem typu S-duct, bo S-ductem jest tutaj ten mały i zaznaczony „dzyndzelek”. Kształt, cóż, jest nieco niefortunnie dopasowany, dlatego musicie go zignorować i uznać jedynie za drogę, jaką pokonuje powietrze.
Poniżej możecie zaobserwować porównanie przykładowego przepływu bez kanału ssącego (góra) oraz z kanałem ssącym (dół). Zaznaczony kółeczkiem element, którego rolę można luźno traktować jako odpowiednik S-ductu, zmniejsza grubość warstwy granicznej, pomagając zredukować separację w tym obszarze oraz uporządkować przepływ w dalszej części geometrii.
Wizualizacja funkcjonowania kanału S
Podobnie może działać S-duct w F1 - a nieco dodatkowego oporu kreowanego przez gwałtownie zmieniające kierunek powietrze powinno być zrównoważone dociskiem uzyskanym np. z podłogi.
S-ducty do swoich bolidów przez następne parę miesięcy kampanii 2012 wprowadzono między innymi w Force India i McLarenie. Jednak prawdziwy przełom przyszedł, kiedy Toro Rosso i Mercedes znalazły lukę w przepisach.
Era nowożytna
Ta szara strefa w regułach nazywała się „wloty powietrza”. Według ówczesnej interpretacji zapisów wlot powietrza nie był otworem (hole), a otwarciem (clam-shell-like opening) w poszyciu. Pozwoliło to na nie tylko zastosowanie mnogich wlotów w geometrii nosa, ale też umieszczenie ich o wiele bliżej jego początku. Z tego powodu w 2016 roku w stawce zaczęły pojawiać się pierwsze geometrie S-ductów, które zdefiniowały rozwój na kolejnych parę lat.
Zasada działania była ta sama co poprzednio. Różnica jedynie polegała na tym, że nowe S-ducty były nieco lepsze w zgarnianiu wirów wynikających z pozytywnego ciśnienia nad górą nosa i zapobiegały ich wpadaniu pod podłogę. Niedługo później pojawiły się wielokrotne wloty, a każdy z zespołów poświęcił czas w tunelu na rozwój S-ductów w tej czy innej formie.
Ferrari SF70H z sezonu 2017
Ferrari, mamma mia!
Ostatnio znowu stało się głośno o kanałach „S”, ponownie za sprawą zespołu z Maranello. I choć nie jest to S-duct pomagający oczyścić powietrze pod nosem, to zasada działania jest podobna.
Trik Ferrari polega na umieszczeniu wlotu do kanału w tzw. obszarze legalności nadwozia, co pozwala im ominąć przepisy o minimalnych promieniach krzywizn. W regulaminie nie jest również sprecyzowane, ile chłodzenia musi zapewniać kanał chłodzący, więc zespół Freda Vasseura ma tu niemalże zupełną dowolność - mogą przepuścić przez kanał praktycznie tyle powietrza, ile inżynierowie uznają za potrzebne.
Konsensus społeczności nieco różni się jednak od wniosków Alberta Fabregi. Powietrze przed wlotem przebyło znaczną drogę, trąc o boki nosa, monokoku i opływając elementy zawieszenia. Prawdopodobnie więc jest to przepływ zaburzony i o niskiej energii, dlatego raczej nie będzie nadawał się do energetyzowania warstwy granicznej.
Ferrari posiada jednak dość unikatową koncepcję gromadzenia strat w przepływie na górze sidepodów, starając się trzymać powietrze opływające podłogę i dół sekcji bocznych relatywnie czyste. Sensowna jest więc próba przeniesienia strat w obszar, w którym one i tak już są, jednocześnie ograniczając je w znacznie bardziej krytycznych miejscach. Funkcjonalność takiego S-ductu powinna być bliźniacza do tych opisanych wcześniej, z tą różnicą, że nie znajduje się on w nosie bolidu.
Zespół z Maranello ponownie wyznacza trendy, a pewna interpretacja zasad została ukazana światu. Teraz czas na ruch FIA i ogłoszenie, czy ta luka w regulaminie pozostanie legalna - choć jestem niemal przekonany, że w pozostałych fabrykach odbyły się już gorączkowe analizy najnowszego rozwiązania i prędzej czy później ujrzymy inne wariacje tej możliwości. Pozostają jednak pytania: do jakiego stopnia posuną się zespoły i jak bardzo kreatywne potrafią być w kwestii interpretacji zapisów?