Реферат: Технология аэродинамической трубы для болидов Формулы 1

Рис. 1.13 Подъемная сила крыла.

Величины давлений на поверхность для различных тел определяют в лабораториях путем продувки в аэродинамических трубах. Полученные значения давлений для каждой точки наносят на специальные графики (Рис 1.14)

Кроме сил давления, на поверхность крыла по касательной к ней действуют силы трения, которые обусловлены вязкостью воздуха и целиком определяются процессами, происходящими в пограничном слое.

Рис 1.14 Распределение давлений по профилю крыла.

Обратная ситуация с антикрыльями (см. Рис 1.15). Антикрылья функционируют абсолютно по тому же принципу, но обеспечивают эффект "прилипания" болида к трассе, происходит это также за счет их формы. То есть, зная об обычном крыле, мы легко можем представить себе, что есть антикрыло. Достаточно просто повернуть обычное крыло передней частью вниз.

а	б

Рис. 1.15 Аэродинамический спектр крыла (а) и антикрыла (б).

Антикрыло сконструировано таким образом, что у нижней поверхности расстояние между передней и задней частью крыла больше, чем у верхней. Поэтому воздух, огибающий нижнюю часть крыла, должен течь быстрее того, что огибает крыло сверху для того, чтобы достичь той же точки в одно и то же время. По уравнению Бернулли, если скорость движения воздуха возрастает, давление его уменьшается и наоборот, поэтому более быстро движущийся воздух, проходящий внизу крыла, будет оказывать меньшее давление, чем тот, что проходит сверху. То есть в результате создается разница давлений и сверху давление сильнее, что позволяет прижимать болид к поверхности трека - вот вам и прижимная сила!

Прижимная сила и сила сопротивления - это как раз те две силы, которым посвящена практически вся аэродинамическая конструкция болида F1. Конструкции антикрыльев и самого болида должны быть совершенно оптимальны, то есть обеспечение прижимной силы должно быть реализовано так, чтобы это не вызывало силы сопротивления, мешающей скоростному движению, да и сам болид обязан быть наиболее приспособлен к преодолению этой самой силы.

2. Аэродинамика болида Формулы 1.

Принимая во внимание то, что F1 присуще большие скорости, одной из основных дизайнерских областей является аэродинамика. Аэродинамическое строение болида может влиять на такие вещи как скорость и прижимная сила, а также, аэродинамика влияет и на износ шин, количество требуемого топлива и т.п.

Уже на протяжении чуть более 30 лет аэродинамика F1 постоянно претерпевает изменения, это самая важная характеристика болида (см. Рис. 2.1).

Рис. 2.1 Аэродинамика болида F1.

Цель специалиста по аэродинамике - максимально увеличить прижимную силу, при этом сведя к минимуму аэродинамическое торможение.

2.1 Передние и задние антикрылья.

С годами сильно увеличились скоростные характеристики болидов F1, увеличилась их способность быстрого прохождения поворотов, и весьма очевидно, что это заслуга так называемых антикрыльев. В начале 60-х годов Формула-1 еще не использовала этих приспособлений, однако уже в 1968 году команды F1 начали экспериментировать с "неуклюжими" и "необработанными" аэродинамическими конструкциями, чтобы получить эффект "прилипания" шасси к трассе. Первые виды таких конструкций были очень простыми и ненадежными, поэтому достаточно часто ломались в процессе гонки.

На Рис. 2.2, показаны два вида заднего антикрыла, старого поколения (слева 1968 год) и нынешних технологий (справа 2000 год).

Рис. 2.2 Конструкция заднего антикрыла старого и нового поколения.

Принцип осуществления функций антикрыльев в F1 легко сопоставим с технологиями в самолетостроении. Но в то время как крылья самолетов способствуют взлету и планированию по воздуху, в F1 антикрылья выполняют прямо противоположную функцию - создание прижимной силы.

 Передние и задние антикрылья - это часть спроектированного на компьютерах и тщательно отлаженного в аэродинамической трубе аэродинамического пакета. Они используются для создания прижимной силы при прохождении через них воздуха. Чем быстрее едет болид, тем большую прижимную силу создают антикрылья, чем больше прижимная сила - тем лучше сцепление с дорогой.

Переднее антикрыло (см. Рис. 2.3) – первая часть болида, которая встречает воздушный поток. Дальше воздух распределяется по всей плоскости болида.

Рис. 2.3 Переднее антикрыло.

Передние антикрылья на болиде обеспечивают около 25% всей прижимной силы, но эта цифра может быть снижена до 10% в то время, когда болид находится за другим болидом. Появляется эффект "засасывания" сзади идущей машины в переднюю, известный как слипстрим (см. разд. 2.5). И когда болиды оказываются на повороте, сзади идущий не может повернуть из-за потери прижимной силы, таким образом, пилоту приходится сбрасывать скорость, что бы безопасно пройти поворот.

 Рис. 2.4 Элементы переднего антикрыла.

Переднее антикрыло (см. Рис. 2.4), ширина которого соответствует ширине самого болида, прикрепляется к носовому обтекателю (4) при помощи пилонов. На этой аэродинамической поверхности (1) 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. И эти пластины (3) сыграли огромную роль в аэродинамике F1.

  Конструкция элерона такова, что он является ассимитричным самому себе относительно центральной разделяющий вообразимой линии (если смотреть на болид спереди): чем ближе к носовому обтекателю элерон, тем меньше его "высота" (т.е. ближе к носу элерон сужается) см. Рис 2.5.

Рис. 2.5 Конструкция элерона.

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, однако, всем известно, что имеется критическое положение, при котором антикрыло уже начнет задевать трассу.

Правилами FIA (Federation Internationale de l’Automobile - Международная федерация автоспорта - является единственной международной организацией, уполномоченной принимать правила проведения автомобильных соревнований) установлено, что минимальное расстояние между трассой и передним антикрылом должно быть 40мм.

В 1998 году появились нововведения в области аэродинамики F1, что принесло множество дополнительных проблем командам. Из-за того, что колеса стали располагаться ближе к монококу, при виде спереди, переднее антикрыло визуально "ложилось внахлест" колес. Это приводило к турбулентности в зоне передних колес, резко понижая общую положительную характеристику аэродинамики болида. Для решения этой новой проблемы (а именно, появления нежелательного сопротивления (drag)) команды переделали боковые крылья на антикрыле путем образования новых ребер (боковин), таким образом они направили поток воздуха непосредственно на монокок, огибая колесо (см. Рис. 2.6 Pic 1). Позже, в следующем сезоне, многие команды воплотили новую идею, поместив дополнительные ребра на внешнюю сторону боковых крыльев, в данном случае воздух огибал колеса по внешней стороне (см. Рис. 2.6 Pic 2).  

Рис. 2.6 Конструкция боковин.

Чтобы понять, что имеется ввиду, на Рис. 1.7 показаны боковые крылья (боковины) разных команд, как раз отвечающих за решение этой проблемы. Как видно, решение является неоднозначным, и крылья различных команд имеют достаточно заметные аэродинамические отличия.

Рис. 2.7 Боковые крылья (боковины) разных команд.

 

Заднее антикрыло (см. Рис. 2.8) состоит из нескольких элементов. Угол наклона этих элементов создает прижимную силу различной величины.

Рис. 2.8 Элементы заднего антикрыла.

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 воздуха достигает заднее антикрыло, он вовсе не прямой, потому что сам болид создает некоторый эффект турбулентности потока воздуха.

Примерно треть всей прижимной силы обеспечивает заднее антикрыло болида, которое постоянно видоизменяется в F1 от трассы к трассе. Это приспособление может создавать более 1000 Ньютонов прижимной силы и весит около 7 кг.

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.

Ввиду того, что заднее антикрыло вызывает наибольшее сопротивление в болиде, команды видоизменяют строения антикрыльев для каждой трассы. Рассмотрим разные конфигурации задних антикрыльев на двух примерах.

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. На Рис. 1.9 представлены два этих антикрыла:

Рис. 2.9 Строения задних антикрыльев для разных трасс.

2.2. Диффузор.

Конструкция днища или диффузор (см. Рис. 2.10) отвечает за то, как воздух, находящийся под болидом его покидает. Обычно конструкторы усложняют форму большим количеством сложных углов, потому что чем быстрее воздух уходит, тем большую прижимную силу имеет болид и тем большей скоростью он обладает.

По тому же принципу, как образуется прижимная сила (закон Бернулли), зона низкого давления, прямо под антикрылом, помогает диффузору засасывать воздух, который так же в свою очередь обеспечивает прижимную силу.

Рис. 2.10 Диффузор.

На самом деле принцип действия диффузора прямопротивоположен принципу действия антикрыла: вместо того, чтобы отталкивать воздух, диффузор засасывает его. Эффект этот получается из-за аэродинамической формы. Диффузор находится в самой нижней, "хвостовой" части болида, прямо под задним антикрылом, и объем диффузора увеличивается по мере приближения его к "концу" болида (см. верхний Рис. 2.10). Воздух, попадающий в диффузор из-под дна болида разрежается, за счет попадания его в увеличенный объем диффузора, отсюда и эффект засасывания. 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.

Появление диффузоров обусловлено запретом FIA поднимать "хвостовую" часть болида. В этом случае невозможно обеспечить нужный аэродинамический эффект без диффузоров.

2.3. Боковые дефлекторы.

Боковые дефлекторы разделяют и направляют воздух от передних колес на две части – одна направляется на охлаждение двигателя в воздухозаборники, вторая направляется наружу.

Это приспособление было впервые применено в 1993 году. Без них набегающий поток воздуха будет идти прямо, и, соответственно, давить на заднюю стенку воздухозаборника, создавая лобовое сопротивление. Дефлектор же (если рассмотреть для примера левый относительно гонщика воздухозаборник) закручивает поток против часовой стрелки (глядя спереди), причем, когда поток входит внутрь водухозаборника, то он уже направлен внутрь болида, т.е. на охлаждаемую поверхность.

Таким образом, с помощью боковых дефлекторов достигается две цели: снижение лобового сопротивления и более эффективное охлаждение. Устанавливаются они, как правило, между передними колесами и боковыми понтами болида (см. Рис. 2.11).

Рис. 2.11 Боковые дефлекторы.

Боковые дефлекторы выглядят несколько лишними, но на самом деле являются важной частью аэродинамического пакета. Они расположены в тех местах, где турбулентность воздушного потока максимальна и может снизить аэродинамическую эффективность болида. Стабилизаторы рассчитаны так, чтобы направлять воздушный поток под болид для создания там разрежения и тем самым - увеличения прижимной силы (см. Рис. 2.12). 

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7