В этом году команды столкнулись с одной непривычной и необычной для них проблемой - подпрыгивания (или раскачка) машин на прямых. Что это, как и почему возникает - в короткой заметке рассказал Пэт Симондс...
Новое слово было на слуху у всех во время предсезонных тестов машин, построенных по новым правилам. И это слово – «подпрыгивания». На самом деле, не такое уж оно и новое, ведь некоторые из нас застали время (и работали в Ф1), когда граунд-эффект был важной частью аэродинамики машин десятилетия назад. Да и не настолько давно этот эффект последний раз был на радаре инженеров, спросите тех, кто работает со спортпрототипами. Как и новые машины Формулы 1, спорткары чаще всего имеют такую конструкцию и дизайн, что делает данный эффект распространенным, а инженеры знают, как с ним справляться.
Но что из себя представляют подпрыгивания? Многие скажут, что это аэродинамический эффект, но это не до конца правда. Да, мы наблюдаем подпрыгивания машины, когда проявляется граунд-эффект, но, на самом деле, граунд-эффект использовался и в последние годы тоже. До появления машин с высоким клиренсом задней части в последние десять лет часто использовали такие настройки переднего крыла и аэродинамики вообще, что на высоких скоростях диффузор «приседал» к земле, чтобы снизить лобовое сопротивление.
Что ж, если переднее крыло и диффузор уже имитировали граунд-эффект в прошлом, почему машины не подпрыгивали? Чтобы ответить, надо понять работу аэродинамики и как она взаимодействует с шасси с точки зрения инженерных систем.
Взглянув на аэродинамику, можно увидеть, что клиренс в задней части машин теперь меньше, чем прежде. Причина в том, что рельеф днища теперь составляет не только диффузор, который начинался от задней оси, но и полноценная аэродинамическая конструкция от начала боковых понтонов и до задней части. К тому же, до этого года внешняя (боковая) часть днища была на 50 мм выше центральной его части. Эта «ступенька» приводила к тому, что днище не так сильно прилегало к асфальту. Эффект там скорее больше создавался от воздушных вихрей, а не от днища. Теперь края днища куда ближе к асфальту и аэродинамический эффект тем сильнее, чем меньше клиренс.
Клиренс понижается еще сильнее на высоких скоростях, когда мощные аэродинамические потоки прижимают машину к земле, что приводит к лучшему прилеганию днища и его боковых частей машины к асфальту. Считается, что это приводит к срыву воздушного потока от днища, и в какой-то степени это правда, но помимо этого при малом клиренсе воздушные потоки, сформированные передней частью машины могут разрываться, что в итоге снижает поток под днищем и приводит к уменьшению прижимной силы.
Мы получаем нестабильную систему. Скорость увеличивается, машина сильнее прижимается к земле, прижимная сила увеличивается со скоростью намного большей, чем ожидаемый рост самой скорости машины. Далее достигается критическая точка, когда аэродинамика машины перестает справляться, прижимная сила снижается, и клиренс вырастает. Когда он вырастает, машина снова становится стабильной, аэродинамика работает, и болид начинает опять прижиматься к земле.
Степень подъемов и прижиманий зависит от жесткости настроек машины. Если бы не было пружин и шины были бы бесконечно жесткими, то при наборе скорости прижимная сила росла бы пропорционально квадрату скорости машины. Такие предсказания дает вычислительная гидродинамика.
Даже жестко настроенные машины далеки от абсолютной жесткости, где невозможно движение. Существует две главных частоты вертикального движения. Первая это частота подпрыгивания, которая связана только с вертикальным движением (примерно 5 Гц). Вторая это частота основного тона, связанная с тем, что передняя часть машины прижимается, а задняя – приподнимается, и наоборот (примерно до 7 Гц). Если рассматривать частоту вертикального движения, которую можно изучать даже без конкретных данных с машины, используя только секундомер и видеозаписи, можно увидеть, что частота подпрыгивания разная на разных машинах, но в целом лежит в пределах 4,8-5,4 Гц. Иными словами, аэродинамика сходится с частотой работы подвески.
Что определяет частоту колебаний подвески? Простой ответ такой: для машины определенного веса чем жестче система настроена, тем выше частота. Так как основное требование, чтобы машина была как можно ближе к земле, то пружины настроены достаточно жестко. К тому же вертикальная жесткость 18 дюймовых шин больше, чем у шин, что использовались ранее, но не настолько, насколько принято считать.
Все это говорит нам о том, что машины настроены достаточно жестко (в том числе подвеска), и именно тут у команд возникают проблемы. Они стараются сделать аэродинамические элементы в задней части машины между колесами как можно уже, что приводит к тому, что немалая часть днища остается без опоры. И еще конструкторам сейчас с трудом удается сделать свои машины как можно легче, что приводит к тому, что днище в этой части, где находятся коробка передач и двигатель, приходится дополнительно делать жестче. И это может быть достигнуто только утяжелением и увеличением конструкции днища. Те, кто не уделяют этому достаточно внимания, будут подпрыгивать сильнее.
Очень поздние изменения правил, позволившие увеличить днище в этой области, дали возможность увеличить жесткость при минимальном наборе веса. Это помогло тем, кто не смог изначально сделать днище достаточно жестким, но стало проблемой для тех, кто сделал днище тяжелым и массивным.
Это перевод статьи Пэта Симондса из журнала GP Racing UK за май 2022.
Фото: MotorsportImages.com;
#пэт симондс #porpoising