Близок ли конец эпохи аэродинамических труб?
В очередной статье в своей колонке Пэт Симондс рассказывает, что такое аэродинамическая труба и какие изменения ждут ее и все аэродинамические исследования в ближайшем будущем...
Может показаться неожиданным, но восемь из десяти команд достигли соглашения, согласно которому текущей целью является отказ от использования аэродинамических труб в течение десяти лет с этого момента. И что в FIA должны это проконтролировать. Перед тем как понять, как они пришли к этому решению, сначала посмотрим на то, как использование аэродинамических труб изменилось с годами.
Моим первым заданием по пришествии в Формулу 1 в команду Toleman было подготовить и взяться за программу работы в трубе. До этого дизайн машины никак не основывался на исследованиях аэродинамики. С помощью новичков из других команд мы сделали модель машины размером четверть от настоящей и прогоняли ее в установках Университета Саутгемптона и Имперского Колледжа. Это были единственные аэродинамические установки с подвижной нижней частью, устройством, похожим на ленту конвейера, которое двигалось под моделью машины, и вместе с потоком воздуха это позволяло моделировать движение машины по дороге.
Сами модели не были сложными. Они были сделаны из алюминия и натурального дерева из Малайзии, с которым было легко работать, но которое было достаточно прочным, чтобы сохранять жесткость. Колеса были сделаны из нейлона и двигались на внешних осях, которые были прикреплены к боковой части аэротоннеля, чтобы не было вмешательства со стороны модели. Действующие силы измерялись специальным балансирующим устройством, которое держало модель со стороны крыши.
Сам балансир был механическим устройством, которое могло замерять шесть сил и моментов, перемещая веса по балке, пока не достигалось равновесие. Давление измерялось специальными маленькими отводами под днищем и антикрыльями, которые были соединены с водным манометром. Сбор данных тогда состоял в записи показаний действующих сил и фотографирования манометра.
В целом нынешние аэродинамические трубы такие же, но уровень сложности систем не поддается описанию. Появление мощных компьютеров и электроники позволило собирать гораздо больше данных и делать это намного точнее. Сами модели выросли из простеньких размером с четверть от настоящей машины, как было в Toleman, до моделей в 60% оригинального размера, и они куда более точные.
Сейчас построить модель машины с нуля будет стоить полмиллиона фунтов, таков уровень применяемых материалов и средств. Шины эволюционировали от простых имитационных форм до полноразмерных шин с воздухом, которые меняются под нагрузкой так же, как и их полноценные собратья, а уровень воздействия регистрируется датчиками на подвеске машины.
Сами аэродинамические трубы заметно подросли, с рабочей зоной в районе 15 квадратных метров плюс турбины, которые требуют 3000 киловатт, чтобы на полной мощности гнать воздух. И, по правде говоря, это недешево. И дело не только в цене постройки трубы в районе 50 миллионов фунтов, но и эксплуатационные расходы, включая персонал, производство моделей машин – это все добавит еще 6-7 миллионов фунтов. И это еще до найма специалистов по аэродинамике. А чек на электричество будет больше миллиона фунтов в год.
С таким уровнем вложений и несомненной отдачей в виде постоянного улучшения гоночных машин, зачем командам отказываться от использования такого инструмента? Ответ состоит из двух частей. Первое: затраты все же велики. Например, новая команда, не имеющая бюджета для своей трубы, может арендовать чью-то, но стоить это будет от 100 000 фунтов в день.
Второе: в какой-то момент кто-нибудь построит оборудование для тестирования, которое сможет избавиться от некоторых недостатков нынешних труб. Текущий регламент ограничивает команды в том, что можно делать, но может быть создана аэротруба, где будет закругленный воздушный поток, позволяющий имитировать движение машины в повороте. Или это даже может быть модель, которая будет двигаться в пространстве, имитируя движение по какой-нибудь конкретной трассе. Можно представить, насколько вырастут затраты и на разработку, и на использование таких инструментов…
Какие же есть альтернативы? Ответ: вычислительная гидродинамика (Computational Fluid Dynamics – CFD). И многие команды уже серьезно вложились в это. За последние несколько лет точность инструментов вычислительной гидродинамики увеличилась очень сильно благодаря лучшим компьютерным алгоритмам и более мощному оборудованию, которое позволяет симулировать все больше деталей. Перенос вычислений в облачные системы позволит командам постоянно работать с самым свежим «железом», и единственным ограничением будут или регламент, или финансовые средства.
У средств вычислительной гидродинамики есть свои достоинства и недостатки. Чтобы повысить точность данных, модели машин должны быть очень детальными. Система параллельно вычисляет множество уравнений, иногда более 300 миллионов за раз, и выдает множество решений, которые позволяют изучить воздушный поток в любой точке вокруг машины. Такой уровень проработки просто недоступен в аэродинамической трубе, даже если используются продвинутые средства визуализации воздушного потока.
Минус инструмента в том, что можно за один раз проверить только один подход, и таким образом сложно быстро составить полную аэродинамическую карту машины. Совершенствование машинного обучения поможет это изменить и сделать возможным получения более полных данных об аэродинамике машины из небольшого количества изначального материала.
Средства вычислительной гидродинамики могут заменить аэродинамическую трубу, вопрос в том, когда. Через 10 лет? Посмотрим.
Это перевод статьи Пэта Симондса из журнала GP Racing UK за май 2021.
Фото: MotorsportImages.com
Этот блог в соцсетях:
