Rozbor nového řešení křídla.
Úvod
Zadní křídlo McLarenu se před letošní sezónou stalo suverénně nejdiskutovanější součástí. Kolem principu jeho funkce koluje velké množství různých teorií, z nichž jsou některé možná správné a jiné zase jednoznačně špatné. Hned na začátku musím vyjasnit, že nejsem aerodynamik a nevím, co se skrývá pod karoserií. Pokusím se ale prezentovat tu teorii, které věřím a důvody, které mě k tomu vedou.
Považoval jsem za dobré přistoupit ke článku systematicky a sestavil jsem sérii ilustrací, na kterých vysvětlím, co konstruktéry k tomuto řešení vedlo. Protože teorie téměř nikoho nebaví, řadu jevů budu považovat za dané a kvůli rozumné délce a jednoduchosti nebudu rozebírat věci jako mezní vrstva a její vlastnosti, nebo typy aerodynamických odporů, přestože s problematikou přímo souvisí.
Profil zadního křídla
První obrázek ukazuje obyčejný letecký profil, který se z našeho pohledu pohybuje prostředím směrem doleva (tento směr zůstane stejný pro všechny ilustrace). Protože vzduch na horní straně se pohybuje rychleji, než na spodní straně, má i nižší tlak a na křídlo působí síla směřující vzhůru - to je známý princip funkce křídla. Proti směru pohybu pak působí odporová síla.
Nakláněním křídla (2) obě síly rostou, ale jen do určité míry - než křídlo dosáhne kritického úhlu náběhu. Tím se dostáváme k prvnímu důležitému poznatku: po překročení tohoto úhlu (3) dochází k odtržení proudu (tzv. stalling), což vždy provází prudké snížení vztlaku a prudké zvýšení odporu. Logicky je to okamžik, kterému se u letadla i závodního auta chceme vyhnout.
U auta samozřejmě nechceme získat vztlak, ale přítlak, takže křídlo prostě otočíme a vztlaková síla bude působit směrem dolů. V F1 chtějí konstruktéři vždy dosáhnout co největšího přítlaku, takže se pohybují poblíž kritického úhlu náběhu.
U jednoduchého profilu by při takto velkých úhlech docházelo ke stallingu (4). Proto se pro vyšší úhly volí víceprvkové profily, které mezerou mezi profily propouští proudění na zadní část křídla (5). Zvýšení počtu prvků profilu "přidrží" proudění u křídla a čím více prvků použijeme, tím vyššího úhlu náběhu bez stallingu můžeme dosáhnout.
Technická pravidla ale říkají, že zadní křídlo se smí skládat maximálně ze dvou sekcí, takže (5) je vlastně reprezentativní ukázka křídla používaného v posledních letech.
Těm, kteří tyto základní principy znají se omlouvám za nudný začátek. Od tohoto bodu už se dostáváme ke konkrétnějším charakteristikám křídla.
Protože se pravidla netýkají 15 cm široké střední části křídla, už od začátku v tomto prostoru týmy používaly otvor, který prakticky změnil profil na tříprvkový (6). Mimo 15 cm zónu zůstal klasický dvojprvkový.
McLaren měl údajně v první polovině minulé sezóny se stallingem problémy a možná právě proto přišel s řešením, díky kterému prakticky změnil křídlo na tříprvkové po celé jeho délce. V oblastech bez otvoru vytvořil štěrbinu (7), kterou vycházel vzduch vstupující do křídla otvorem ve střední části. Pro referenci můžete použít fotku křídla nahoře, kde čísla šipek řezů odpovídají číslům nakreslených profilů.
Později v průběhu sezóny toto řešení převzalo BMW a letos ho zkouší i Williams a to ve verzi shodné s McLarenem (dole, konstrukce s kabely je jen měřícím zařízením), kdy šterbina není umístěna ve spodním profilu, ale v horním. Její funkce je ale stále stejná.
Stalling
Nyní přichází okamžik, který zdánlivě popírá to, co jsme si před chvílí řekli, tedy že stalling je špatný, protože při snížení přítlaku dochází k velkému zvýšení odporu vzduchu. Specificky u křídla Formule 1 ale může nastat situace, kdy toto neplatí a snížení přítlaku provází snížení odporu.
S pochopením tohoto problému mají často problémy i zkušení konstruktéři letadel, takže to co popíšu je jen teorie, která mi připadá logická. "Špatný" stalling je zobrazen v ilustraci (8) - zelené silové vektory ukazují, že u obou profilů došlo k odtržení proudu a oba generují minimální přítlak a vysoký odpor. "Správný" stalling je pak níže v (9), kdy je spodní profil normálně obtékán a k odtržení dochází až u profilu horního. U něj je ale proudění ovlivněno spodním profilem, takže i když ve směru proudění má odpor vysoký, ve směru pohybu tak vysoký není a celkově dochází ke snížení odporu vzduchu zadního křídla. Dalším faktorem je snížení indukovaného odporu křídla, který je při normálním obtékání značný, ale myslím, že někteří z toho budou dostatečně zmatení i bez rozebírání další teorie.
Snížení odporu je samozřejmě něco, co se při snaze o dosažení maximální rychlosti hodí a ideální situace je jasná - chceme normální obtékání křídla v zatáčkách a "správný" stalling na rovince. Toho dosáhlo v minulosti Ferrari, když horní profil křídla upevnilo tak, že se mohl otáčet kolem výstupní hrany (zadní hrana, obrázek dole). Křídlo prošlo prohlídkou, ale při jízdě se v dostatečně vysoké rychlosti profil otočil a vytvořil tak v podstatě jednoduché křídlo. Po snížení rychlosti se křídlo vrátilo do klasické konfigurace.
FIA proti těmto praktikám zakročila tak, že přišla s povinnými oddělovači profilů a jejich pohyb už nebyl možný.
Zadní křídlo MP4-25
Zatím jsme se bavili pouze o zadním křídle, ale přímo v něm se ono "kouzlo" neskrývá. K jeho odhalení budeme potřebovat popsat i další části vozu. Jako první se podíváme na ploutev krytu motoru, která je s přední stranou horního profilu křídla spojena. Myslím, že je téměř jisté, že přídavný otvor v airboxu (nad helmou jezdce - ti, kteří neví, se podívají na první obrázek tohoto článku) směřuje právě do duté ploutve a ta následně vzduch vypouští štěrbinou v zadním křídle a zabraňuje tak stallingu (10).
To ale stále žádná velká výhra není, protože zatím jsme ještě ve fázi zvýšení možného úhlu náběhu, tedy zvýšeného přítlaku za všech okolností. Zvýšení přítlaku křídla bez zvýšení jeho odporu ale není možné a ze všech předsezónních testů víme, že McLaren byl na rovinkách nejrychlejší, takže by měl mít odpor nejmenší. Logickým závěrem je, že tento systém za určitých okolností nefunguje a dochází ke "správnému" stallingu (11).
Než budu pokračovat, je korektní zmínit, že jsem zatím popisoval jen situaci, kterou nazvu "standardně zapnuto". To znamená, že za normálních okolností proudí vzduch podle (10) a na rovince podle (11).
Existuje ale i teorie "standardně vypnuto", podle které je (11) tím normálním stavem a ke stallingu dochází v okamžiku (10), protože štěrbina je nastavena tak, aby z ní vzduch proudil kolmo ven - tím by se proudění okolo křídla narušilo a proud by se odtrhnul.
Já jsem "standardně vypnuto" vyloučil na základě následující fotky pořízené po odjetí kola ve Valencii s flow-visem. Je vidět, že vzduch ze šterbiny nevychází kolmo, ale ve směru proudění. Nevyloučil bych ale, že McLaren na tratích vyžadujících nižší přítlak tuto variantu někdy použije.
Ovládání systému
Pokud nazvu dosavadní úvahu jako alespoň částečně podloženou, tak teď se už dostáváme do stádia spekulací. Nikdo totiž neví, jak funguje systém pod povrchem. Je jasné, že vypínání nebo zapínání proudění ze štěrbiny je nutné nějak kontrolovat. Ta nejjednodušší varianta je, že k přepínání dochází jednoduše vlivem rychlosti pohybu auta, takže po dosažení určité rychlosti se zvýší tlak na otvor v airboxu natolik, že dojde k přepnutí.
Tím bychom mohli skončit, ale nevýhody popsaného řešení jsou zřejmé. Přepínání by nebylo přesně předvídatelné a záviselo by na tom, jestli jezdec následuje jiný vůz a na směru a rychlosti větru. Navíc jsou na autě další dva podezřelé otvory a jedno další podivné místo, takže můžeme trochu popustit uzdu fantazii.
Prvním podezřelým je otvor před kokpitem, který během testů vystřídal tři tvary a druhým je výstupní otvor na spodním zadním křídle navazující na dutinu vycházející z krytu motoru. Ani jeden z těchto prvků na jiném autě není.
Nudná varianta by mohla říkat, že otvor před kokpitem slouží k chlazení jezdce, případně nějaké elektroniky a otvor vzadu je prostě výstup horkého vzduchu od chladičů. Pozornost věnovaná otvoru u kokpitu a flow-vis aplikovaný uvnitř otvoru vzadu (je to vidět na fotce z flow-visem výše) mě ale vedou k tomu, že obojí je součástí ovládacího systému proudění uvnitř ploutve.
Celé propojení by vypadalo takto. Při uvažování varianty křídla "standardně zapnuto" by procházel vzduch z airboxu do ploutve a v případě potřeby (na rovince) by došlo k přepnutí systému a proudění by směřovalo spodní cestou krytem motoru. Toto přepnutí by měl na starosti impulz vycházející z tlaku na otvor před jezdcem.
Při přepínaní ale nemůže docházet k pohybu nějakého ventilu nebo membrány - vše by mohlo být považováno za pohyblivou součást ovlivňující aerodynamiku vozu a systém by nebyl legální. Je ale možné vše přepnout pasivně, jak naznačuje další ilustrace.
Jde o systém, do kterého vstupuje tekutina hlavním otvorem a v závislosti na podmínkách ho opouští jedním z otvorů O. Tyto podmínky ovlivňují další vstupy C. Přeloženo do našeho případu to znamená, že hlavním vstupem je otvor v airboxu, vstupem C je otvor před kokpitem a výstupy O tvoří horní a dolní cesta na obrázku výše.
Teoreticky může být samozřejmě provedení různé, toto je jen ukázka, že přepnutí lze uskutečnit i bez nutnosti změny polohy nějaké součásti.
Tím se také dostáváme k poslednímu bodu a to zmíněnému podivnému místu. Je jím otvor v ploutvi, který hezky doplňuje celou teorii - mohl by sloužit k nastavení právě probraného přepínače.
Opět se dostáváme k problému, zda toto přepnutí proběhne na základě tlaku na otvor před kokpitem a bude závislé na okolních podmínkách, nebo nad celým systémem bude mít kontrolu jezdec. Mluví se o tom, že pohybuje kolenem, kterým otvor na rovince ucpává. Já si myslím, že vzhledem k poloze otvoru i fyzické proveditelnosti je pravděpodobnější, že si na otvor na rovince prostě odloží nohu z brzdového pedálu. Výhoda této varianty, tedy ovládání systému jezdcem, spočívá také v tom, že by jezdec otvor před brzděním včas uvolnil a přepnul systém, aby případně neztrácel stabilitu při brzdění, což by mohl být nedostatek systému ovládáného rychlostí pohybu vozu.
Legalita a závěr
O tom, že pravidla splňuje zadní křídlo by nemělo být pochyb a v případě, že systém neovládá jezdec by mělo být vše v pořádku i u všech ostatních součástí (za předpokladu, že přepínač není pohyblivý). Ve druhém případě ovládání jezdcem může být sice situace diskutabilnější, ale pokud vím, otvor procházející vedle kokpitu zakázaný není a zakázat jezdci pohybovat nohou nedává smysl. Vše by mělo být legální.
Předpokládám, že jednou se dozvíme, jak celý systém přesně funguje. Jestli to ale bude trvat týdny nebo měsíce se teprve uvidí.
Joseph Katz: Racecar Aerodynamics, NASA, Centennial of Flight, F1Technical BB
Zde hledá
[200]:
Množství testů v aerotunelu a jejich omezení je docela podrobně popsaný ve sportovních pravidlech.