خوب ها و بدهای بال جلوی فراری SF90

فرمول یک ایران – در ویدئویی که در مورد تحلیل گرندپری استرالیا گرفته شد به این موضوع اشاره شد که فراری ممکن است با طرحی که برای بال جلو خود در نظر گرفته است در فرایند توسعه در طول فصل به مشکل برخورده و بازنده تکنیکی فصل شود، حال در این مقاله به این موضوع بیشتر می پردازیم.

فراری SF90

قبل از آنکه به توضیح این مسئله بپردازیم باید به یک سوالی پاسخ دهیم، آن هم این است که دلیل اهمیت ایرودینامیک در فرمول یک چیست!؟

هدف اصلی ایرودینامیک این است که با تولید نیروی داون فورس، چسبندگی خودرو را به زمین بیشتر کند. این افزایش چسبندگی به معنای سریعتر بودن در پیچ ها، شتابگیری و ترمزگیری سریعتری هستند. برای اینکه بهتر این موضوع را درک کنید به این مثال توجه کنید:

در سرعت 160 کیلومتر بر ساعت یک خودروی فرمول یک بیش از 750 کیلوگرم نیروی داون فورس تولید می کند. از آنجاییکه این بیش از حداقل وزن خودروست (743 کیلوگرم امسال)، به این معناست که این خودرو از لحاظ تئوری امکان رانندگی بر روی سقف را دارد. البته این موضوع فقط در این مورد نیست که خودرو تا جاییکه می تواند داون فورس تولید کند بلکه این خودرو باید در شرایط مختلف کار کند و هیچوقت آن شرایط ایده آل رخ نمی دهد. طراحی ایرودینامیکی باید به گونه ای باشد که تا یک نیروی داون فورس پیوسته و قابل پیش بینی در همه لحظات و شرایط تولید کند با این شرط که بدون ایجاد تغییر لحظه ای کار را دنبال کند. این کار به محاسبات پیچیده ایرودینامیکی و کامپیوتری و همینطور شبیه سازی در تونل باد وابسته است. برای اینکه خودرو در حالت بهینه ای عمل کند باید بالانس بهینه ای بین قسمت جلو و عقب خودرو وجود داشته باشد. اگر طراحی ایرودینامیکی به گونه ای باشد که خودرو در قسمت جلو به اندازه کافی به زمین چسبندگی نداشته باشد خودرو به هنگام پیچیدن شرایط ایده آلی را نداشته که باعث رخداد پدیده ای به نام “کم فرمانی” می شود و اگر این رخداد برای قسمت عقب خودرو باشد، چرخهای عقب لغزشی را تجربه می کنند و پدیده ای به نام “بیش فرمانی” رخ می دهد.

حال امسال تغییرات زیادی رخ داده در طراحی بال جلو تا فیا بتواند سبقت گیری را راحت تر کند برای خودروها و جذابیت این ورزش را بالا ببرد. اما این تغییرات برای مهندسان ایرودینامیک تبدیل به یک کابوس شده است، چونکه آنها باید یکی از مشکل ترین مسائل ایرودینامیکی راه حلی را پیدا کنند! این مسئله یعنی هوایی که به تایر جلو برخورد می کند و به قسمت عقب خودرو می رسد یکی از بزرگترین مسائل ایرودینامیکیست که در اولویت حل شدن قرار می گیرد. این هوای آشفته ای که دراثر برخورد با تایرها ایجاد می شود شبیه به جریانیست که شما در پشت قایق های موتوری در آب می بینید. این مسئله سختی برای مهندسان ایرودینامیک است زیرا که تولید داون فورس از این نوع جریان بسیار کار طاقت فرساییست. در حالت کل، هرچقدر که یک جریان آشفته تر باشد کنترل آن و تبدیل آن به جریانی که بتواند مفید واقع شود سخت تر است. در سالهای قبلی یک سری قطعات و کانارد هایی روی بال جلو نصب می شدند و تا جای ممکن از اینکه هوای ورودی به تایر برخورد کند جلوگیری می نمودند و این هوا را به سمت بیرون تایر هدایت می کردند، اما امسال کمی داستان متفاوت تر است و به طور کل دو سیاست طراحی فراری گونه و مرسدس گونه رخ داده، به این ویدئویی که قبلا برایتان تهیه کرده ایم برای مشاهده بال های جلو خودرو ها مراجعه کنید لطفا.

نحوه هدایت جریان هوا روی بال جلوی خودروی فصل 2019 تیم مرسدس

به طور خلاصه سیاست طراحی مرسدس (Outboard-loaded):

‘Outboard’ یعنی به سمت لبه خروجی، فلپ های مرسدس در بالاترین ارتفاع ممکن و در جاییکه به نام ‘EndPlate’ از آن یاد می شود نصب می شود. ‘EndPlate’ یک قطعه عمودیست که در دو انتهای بال جلو نصب می شود. این سبک طراحی مرسدس می تواند منجر به تولید نقطه کم فشار شود که جریان هوا را از قسمت میانی خودرو به سمت خارجی هدایت کند، به این پدیده می گوییم ‘out-washing’ پدیده ای که جریان هوا را به سمت کناره خودرو هدایت می کند و از اشفته شدن توسط تایر جلوگیری می کند.

به طور خلاصه سیاست طراحی فراری (Inboard-loaded):

‘Inboard’ یعنی بارگذاری در میانه بال بیشتر بوده و بارگذاری کمتری در لبه انتهایی فلپ ها صورت می گیرد. چیزی که می بینید این است که فلپ ها با ارتفاع زیاد بیشتر به سمت لبه داخلی بوده تا لبه خارجی بال و با یک شیب رو به پایین به سمت انتهای بال شکل گرفته اند. این امر سبب می شود که جریان هوا به سمت مرکزی خودرو هدایت شود و پدیده ای به نام ‘Inwashing’ رخ دهد.

نحوه هدایت جریان هوا روی بال جلوی خودروی فصل 2019 تیم فراری

چرا ممکن است که سیاست طراحی فراری مفید واقع شود!؟

با کاهش بارگذاری در انتهای خارجی بال جلو، پدیده ای که به نام ‘backing-out’ از آن یاد می شود رخ می دهد، یعنی ساختار هوای تولیدی در ان نقطه کمتر امکان دچار شدن به تنش و همینطور اشفته شدن جریان قرار می گیرد.

هوا در نزدیکی سطح جایی که از ان به عنوان لایه مرزی تعبیر می شود دوست دارد به منطقه کم فشاری هدایت شود که طبق قانون برنولی این امر منجر به افزایش سرعت می شود اما دوست ندارد به ناحیه پرفشار برگردد تا از سرعت آن کاسته شود. قبل از انکه به ادامه کار بپردازیم باید پدیده ای به نام “اِستال” را برایتان تعریف کنیم، بهتر است به این ویدئویی که برایتان اماده کرده ایم توجه کنید تا این پدیده را بهتر درک کنید:

زمانی که استال رخ می دهد، به جای اینکه یک هوای تمیز با داون فورس بالا داشته باشیم، یک هوای کثیف و داون فورس پایین داریم. البته این فلپ ها و طراحی بال اصل مشکل نیستند چون می توان با فضای خالی بین انها دستکاری های زیادی را انجام داد اما مسئله مشکل ساز همان ‘Endplate’ است، قطعه ای عمودی و بزرگ در دو انتهای بال جلو که امکان زاویه دادن به ان و منحنی کردن ان برای هدایت جهت جریان ورودی بسیار محدود است. تمام کاری که از دست این مهندسان ایرودینامیک فعلا برمیاید این است که با کاهش مقدار ‘افزایش یافتن و کاهش یافتن سرعت جریان هوا’ در سطح مورد نظر توسط پدیده ای که در بالاتر به نام ‘backing-out’ از ان نامبرده شد استفاده کنند.

مزایای طراحی فراری:

به طور کل می شود گفت که طرح بال جلو فراری دو پتانسیل بزرگ دارد:

اولین مزیت آن با توجه به اینکه امکان رخداد استال در آن کاهش پیدا کرده، خودرو برای رانندگی قابل پیش بینی تر است و هر چقدر هم که یک خودرو برای رانندگی قابل پیش بینی تر باشد راننده از اعتماد به نفس بالاتری برخوردار است. به همین دلیل اغلب اوقات خودرویی که:

بیشتر قابل پیش بینی برای رانندگی، از تولید داون فورس با پیوستگی بیشتری و در بعضی مواقع با کمتر بودن بیشینه بارگذاری در تئوری سریعتر از خودروییست که نمیتواند به طور پیوسته داون فورس تولید کند و همینطور بیشینه بارگذاری داشته باشد.

اگر راننده از عملکرد خودرو مطمئن نباشد و از اعتماد به نفس لازم برخوردار نباشد امکان از دست دادن کنترل خودرو بالاست و مولفه ترس در او تشدید می شود.

دومین مزیت این طراحی این است که، پدیده “vortices”- گردابه های کوچک غلتان جریان هوا – که در بالای ‘Endplate’ تولید می شود و بر عملکرد کلی خودرو تاثیر فوق العاده ای دارد به سمت داخلی چرخ ها کشیده می شود و می تواند جایگزین جو متشنج جریان هوایی شود که با برخورد به تایرها ایجاد می شود.(البته به طور کامل از بین نمی رود ولی به کنترل آن کمک بهتری می کند).

اما عیب این طرح کجاست!؟

اگر شما از تست های پیش فصل بارسلونا کار را دنبال می کنید می بینید که ظاهرا خودروی فراری سریعترین خودروی پیست است، اما اگر ما بخواهیم به کل فصل توجه داشته باشیم باید این مسئله را در نظر بگیریم که فلسفه طراحی فراری همیشه باید در یک چالش مضاعفی نسبت به مرسدس در مقدار بیشینه بارگذاری قرار گیرد. اگر یادتان باشد در ابتدای این مقاله نسبت به پدیده ای به نام بالانس توضیحاتی را دادیم، هر چقدر که در طول فصل پیش می رویم و میزان توسعه خودرو در قسمت عقب بیشتر می شود که در نتیجه ان داون فورس قسمت عقب نیز بیشتر می شود و فراری برای اینکه بتواند بالانس خوبی را در قسمت جلویی ایجاد کند باید با یک چالش بزرگی همواره دست و پنجه نرم کند و اگر موفق به این کار نشود احتمال رخ داد کم فرمانی نیز بیشتر می شود. البته برای این مسئله فراری از همان اول به دنبال چاره ای گشته تا بتواند عدم تولید داون فورس کافی توسط بال جلو را جبران کند و برای این کار از ناحیه ای که در کنار راننده و در جلوی سایدپاد قرار دارد به نام “بارج بورد” استفاده می کند.

نکته کلیدی که در طراحی بارج بورد وجود دارد این است که طراحان نیاز دارند تا جای ممکن انرژی هوا را ذخیره کند و به سمت عقب خودرو و دیفیوزر هدایت کند. هوای دور بارج بورد به زیر راننده و کفی خودرو رفته قبل از انکه مستقیما به دیفیوزر برسد. هر چقدر که این هوا سریعتر به دیفیوزر برسد فشار کمتری در زیر خودرو بوجود میاید(قانون برنولی) و داون فورس بیشتری تولید می شود و خودرو به زمین چسبندگی بهتری دارد اما دستکاری زیاد در این ناحیه ممکن است ریسک از دست دادن انرژی موجود در هوا را به همراه داشته باشد.

طراحی بارج بورد های مرسدس در فصل 2019 فرمول یک

مرسدس از بارج بورد های کوچکتری امسال استفاده می کند که این می تواند به این معنی باشد که تیم مرسدس در جلوی کفی داون فورس کمتری تولید می کنند ولی همین مسئله می تواند این فرصت را به آنها دهد تا پتانسیل زیادی را در طول فصل داشته باشند تا به کمک دیفیوزر داون فورس بیشتری را تولید کنند.

طراحی بارج بورد های فراری در فصل 2019 فرمول یک

برخلاف آنها، فراری از بارج بورد های بزرگتری استفاده می کند که این می تواند به این معنی باشد که فراری نیاز به جبران تولید عدم داون فورس کافی در بال جلو داشته باشد و می خواهد با بارج بورد هایی بزرگتر این کار را به ثمر برساند اما این مسئله می تواند در اینده در عملکرد دیفیوزر انها مشکل ایجاد کند و مانع انجام عملکرد درست آن شود.

اگر به قضیه به این شکل نگاه کنیم این مسئله نه تنها می تواند برای آنها در آینده در ایجاد تعادل و بالانس مشکل ایجاد کند بلکه تولید داون فورس کلی خودرو نیز محدود می شود.

فراری ممکن است که الان با مشکلی مواجه نشود ولی با پیشروی در فصل و توسعه ها و بروز رسانی های پیاپیی که صورت می گیرد احتمال اینکه مرسدس بتواند بازهم از انها پیشی بگیرد بسیار زیاد است. باید دید که فراری چگونه می تواند این مسئله را در طی فصل جبران کند.