A Formula-1-es versenyautók menetteljesítményét nemcsak a karosszéria alatt rejlő, az aktuális technikai szabályzatnak megfelelő paraméterekkel és teljesítménnyel rendelkező motorok befolyásolják. Természetesen egy F1-es autó rendkívül komplex szerkezet, hiszen sokféle tényezőt együtt kell kezelni ahhoz, hogy sikereket lehessen elérni vele a pályákon.

Az erőforrásban megbúvó lóerőket természetesen megfelelő módon át kell vinni az aszfaltra, amihez többek között szükség van a kerékfelfüggesztési rendszer beállításaival előállítható mechanikai tapadásra, és nem utolsó sorban a versenyautó karosszériájának és az egyes légterelő elemek megfelelő kialakítása és konfigurációja révén nyerhető aerodinamikai tapadásra is.

A Formula-1 technikai oldala iránt érdeklődők minden bizonnyal hallottak már az aerodinamikai vizsgálatokban fontos szerepet játszó szélcsatornák alkalmazásáról. Miután a Formula-1-ben minden egyes másodperc számít, ebben a kiélezett küzdelemben a versenyautó minden egyes elemének teljes összhangban kell lennie. A szakemberek állítása szerint az aerodinamika sokkal lényegesebb szerepet tölt be, mint a gumiabroncsok, vagy akár a motor. A megfelelő sebesség eléréséhez, valamint a versenyautó minél tökéletesebb menettulajdonságainak biztosításához kifogástalan beállításokra van szükség. Amíg a motorerő a versenyautó teljesítményében játszik döntő szerepet, manapság már az aerodinamikával is legalább olyan mélyrehatóan kell foglalkozni, mint a versenyautó erőforrásával.

Az aerodinamikának elsősorban a megfelelő leszorító erő kialakításában van fontos szerepe, ami a rövidebb féktávok, és a viszonylag nagy kanyarsebességek eléréséhez is szükséges. Szakemberek becslése szerint a versenyautó tapadása 80%-ban az aerodinamikai elemek által előállított leszorító erőtől, és mindössze csak 20%-ban a gumiktól függ. Ahhoz pedig, hogy még nagyobb leszorító erőt tudjanak elérni a csapatok, folyamatos fejlesztéseket kell elvégezniük. A megfelelő tapadáshoz szükséges leszorító erő azonban még nem minden: a Formula-1-ben az egyik legnehezebb dolog, hogy a mérnökök megfelelő kompromisszumot tudjanak hozni a versenyautó beállításai során, amely különösen nagy hangsúlyt kap a minél nagyobb leszorító erő és egyben a legkisebb légellenállás biztosítása során. Nagyon nehéz minden egyes versenypályára megtalálni az ideális beállításokat, főleg úgy, hogy azoknak a pályák minden egyes szektorában megfelelőnek kell lennie. Túlzás nélkül állítható tehát, hogy a legtöbb esetben egy verseny végkimenetele már az autó beállítása során eldőlhet.

Az autók tervezése során az aerodinamikai alaptörvények alkalmazása viszonylag egyszerűen megoldható. Ez a folyamat némiképp hasonló a repülőgépeknél is, de mégis van olyan részterület, ahol ez épp ellenkezőleg történik. A szárnyak alsó felületének kialakítása a repülőgépekhez képest eltérő, hiszen ezeknek az elemeknek más feladata van a Formula-1-es versenyautók esetében. Nagy szerepük van abban, hogy megfelelő vákuum kialakításával minél nagyobb tapadást tudjanak elérni. Az aerodinamikai fejlesztések alkalmával nem szabad kizárólag a teljesítménybeli előnyöket szem előtt tartani, hiszen a megfelelő biztonsági előírásoknak is eleget kell tenni.

Az autó hátsó légterelő szárnya segítségével állítják elő a teljes leszorító erő mintegy 35%-át, de ennek az elemnek a beállítása a légellenállás mértékét is jelentősen befolyásolja. Ennek megfelelően az autónak ezen aerodinamikai eleme a versenyek alkalmával nagy hangsúlyt kap, hiszen minden egyes versenypályára más-más beállításokat kell eszközölni. A hátsó légterelő szárny beállítási módjától függ ugyanis, hogy a versenyautó hátsó régióját mekkora erő „szorítsa le” a pálya aszfaltjához, valamint az, hogy mennyire meredeken állítják be a vízszintes elemeket, az autó végsebességébe is beleszól. Az olyan pályák esetében, ahol leginkább a szűk kanyarok dominálnak, a szárny vízszintes profiljait meredekebbre állítják. Ezzel szemben viszont az olyan versenyhelyszínek esetében, ahol hosszú egyenesek és gyors kanyarok alkotják leginkább a pálya vonalvezetését, a minél nagyobb végsebesség elérése érdekében a szárny laposabb beállítást kap.

A teljes leszorító erő mintegy 25%-a a Formula-1-es versenyautó első légterelő szárnyán keletkezik. Az elülső szárnyelem megfelelő dőlésszögben történő beállítása nagymértékben befolyásolja az autó viselkedését a pálya kanyarjaiban. Természetesen a megfelelő kanyartechnika biztosítása függ a megfelelő súlyelosztástól, a felfüggesztési rendszer és a lengéscsillapítók helyes beállításától is. Abban az esetben viszont, ha két versenyautó szorosan egymás mögött halad, akkor az elülső autó mögött keletkező turbulencia jelentős mértékben befolyásolja a hátul haladó autó első szárnyán keletkezett leszorító erő nagyságát. Ilyen esetekben a leszorító erőben keletkezett eltérés nagysága elérheti akár a 10%-ot is. Ez az egyik legfőbb magyarázat arra, hogy miért is olyan nehéz előzni néhány Formula-1-es versenypályán.

Az előzőleg említett elemek mellett a diffúzor is fontos szerepet játszik a versenyautó aerodinamikai viselkedésében, hiszen az autó alatt átáramló levegőt helyes irányba terelve megfelelő szívóhatást kell biztosítania, hogy ezzel is elősegítse az autó maximális tapadását. Az alvázának, és ezzel együtt a diffúzornak a helyes kialakítása akár 40%-ot is jelenthet a teljes leszorító erő tekintetében.

Az első kerekek és a kocsiszekrény oldalsó része között található kisebb-nagyobb légterelő elemek is sokat segítenek az aerodinamikai hatásfok növelésében, amellyel extra lóerőket lehet kicsikarni a versenyautó erőforrásából. Az eddigiekben ismertetett részletek is világossá teszik, hogy az aerodinamika rendkívül lényeges a Formula-1-es versenyautók fejlesztésénél. Csakis azok a csapatok tudnak igazán gyorsan és hatékonyan változtatni, akik saját szélcsatornával rendelkeznek. Hogy ez mennyibe is kerül? Hozzávetőlegesen 50 millió Euróról van szó. A mérnökök a szélcsatornában azonnal ki is tudják próbálni az új elemeket anélkül, hogy azokat pályára vinnék. Ennek segítségével pedig pontosan lehet szimulálni, hogy a légáramlatok milyen hatással vannak a versenyautó viselkedésére.

A legtöbb Formula 1-es szélcsatorna már alkalmas M1:1 méretarányú modellek tesztelésére.

Az idő pénz, és ez nincs másként a Formula-1-ben sem. Egyes becslések szerint az aerodinamikai területen folytatott fejlesztések költsége hozzávetőlegesen a csapat éves költségvetésének a 20-25%-át teszi ki, viszont még mindig a motorok képviselik az F1-es versenygépek legdrágább alkotóelemét. Annak ellenére, hogy az aerodinamikai fejlesztések sikerességében nagy szerepet játszó ultramodern szélcsatornák megépítése igen drága, az elmúlt években a legtöbb csapat megalkotta saját különbejáratú szélcsatornáját.

A szélcsatorna szívének a tesztelési területet szokás nevezni. Az autó megfelelő méretarányban elkészített modellje egy acélból készített szállítószalagon van elhelyezve, amellyel a versenypályát próbálják szimulálni. A tesztelés folyamán egy teljes mértékben szinkronizált, ún. multi-tengelyes modell-vezérlést alkalmaznak, amelynek segítségével a mérnökök képesek virtuális módon szimulálni minden olyan hatást, amelyek a pályán haladó versenyautót érik. Szakmai berkekben jártas személyek állítása szerint a versenyautó aerodinamikai csomagja hozzávetőlegesen 30%-ban képes befolyásolni az adott futam végeredményét.

Egy másik igen lényeges eleme a szélcsatornának a szénszálas anyagból készített rotorlapátokból álló óriási ventilátor. A ventilátort forgató motor mintegy 60 tonnás tömeget, és 3MW-os (4.000 LE) energiát képvisel, amely egy tornádóhoz hasonló szélsebességet képes előállítani, és ezáltal akár 300km/h-val 9 tonnányi légtömeget juttat a tesztelési területre. A szélcsatornában zajló vizsgálat során az aerodinamikai mérnökök három fő területet figyelnek meg: a leszorító erőt, a légellenállást, valamint azt, hogy az autó mennyire érzékenyen képes reagálni az egyenetlen útfelületre. Nagyobb leszorító erő szükséges ahhoz, hogy minél nagyobb sebességgel lehessen az adott kanyart teljesíteni, de ezt lehetőleg a légellenállás növelése nélkül kell elérni, hiszen az a gyorsabb pályaszakaszokban elérhető csúcssebességet negatív irányba befolyásolja. Az útfelület egyenetlenségéből adódó kedvezőtlen hatásokat az egyes aerodinamikai elemek megváltoztatásával próbálják csökkenteni úgy, hogy a vezetőszárnyaknak, és a karosszéria alsó részének az aszfalthoz viszonyított távolságát változtatni tudják.

Az újabb szélcsatornák esetében lehetőség van arra, hogy M1:1-es méretarányú versenyautót figyeljenek meg a vizsgálatok folyamán. Néhány szélcsatornában mindössze az autó valódi méretének 50…60%-os másolatát lehet bevetni, éppen ezért az ilyen modellek estében szerzett szimulációs tapasztalatok nem nyújtanak annyira pontos adatokat, mint az M1:1-es méretarányú társaik esetében.

Egy másik lehetőség a szélcsatornák felhasználásának terén, hogy két kisebb méretű modellt egymás mögött helyeznek el az előzőleg említett szállítószalagon, és ezáltal a keletkező légörvénynek az autókra gyakorolt hatásait képesek szimulálni. A modell magasságát illetve pozícióját külső vezérlő eszközök segítségével 0.01mm-es pontossággal képesek beállítani.

A Formula-1-re jellemző feszített munkatempót példázza, hogy az aerodinamikával foglalkozó mérnökök egy teljes év alatt akár 8.000 órát is eltölthetnek a szélcsatornákban. Nem ritka az az eset sem, hogy az ott elvégzendő munkákat két-, vagy akár három műszakos munkarendben végzik el.

A számítógépes folyadékdinamika (CFD) segítségével már a gyártás előtt lehet szimulálni az autó egyes elemeinek aerodinamikai viselkedését.

Az aerodinamikai fejlesztések során a mérnököknek lehetősége van arra is, hogy az adott légterelő elemek legyártása nélkül számítógépes szimuláció segítségével megvizsgálják a versenyautót érintő áramlási viszonyokat. A számítógépes folyadékdinamika (CFD) szinte felbecsülhetetlen értéket képvisel, hiszen ennek segítségével sokkal egyszerűbb rátalálni arra a kompromisszumos megoldásra, hogy miként rendelkezzen a versenyautó a lehető legnagyobb leszorító erővel és egyben a lehető legkisebb légellenállással. A számítógépek segítségével a járműre ható légáramot láthatóvá lehet tenni, és ezzel egyidőben az autó egyes elemein jelentkező aerodinamikai hatásokat is lehet vizsgálni. Ezáltal pontos képet kapnak a mérnökök arról, hogy az autó mely részein keletkezik a kívántnál nagyobb, vagy éppen kisebb mértékű leszorító erő. Mindemellett a mérnököknek még arra is van lehetőségük, hogy az adott vizsgálatot követően akár azonnal módosítsák a számítógépen megjelenített virtuális modellüket, és ezáltal máris láthatják, hogy jó irányba haladnak-e a fejlesztéssel.

Előfordulnak olyan esetek is, amikor idő hiányában nincs lehetőség arra, hogy az újonnan kifejlesztett elemeket próba alá vessék, mielőtt éles körülmények között használatba vennék azokat. Éppen ezért nagyon fontos ennek a technikának a használata, amelynek segítségével a mérnökök realisztikus módon képesek szimulálni az adott alkotóelem nyújtotta pozitív vagy akár negatív hatásokat. Már a fejlesztések korai szakaszában törekedni kell arra, hogy az autó minél optimálisabban fel legyen készítve a versenypályán való szerepléshez. Egy szó mint száz, erre az egyetlen lehetőség ezeknek a szimulációknak az alkalmazása, hiszen csakis így tudnak a fejlesztők a lehető legtöbb adathoz, információhoz jutni egy-egy új aerodinamikai elemmel kapcsolatban.

Köszönhetően a szuperkomputerek folyamatosan növekvő teljesítményének, a CFD technikát alkalmazva a mérnökök egyre realisztikusabb módon képesek elvégezni az egyes vizsgálatokat úgy, mintha egy virtuális szélcsatornát alkalmaznának.

A CFD minden egyes remek tulajdonsága ellenére természetesen a valódi szélcsatornák alkalmazása egyáltalán nem felesleges. Egyszóval tehát a szélcsatorna még mindig nélkülözhetetlen eleme a Formula-1-es fejlesztéseknek, hiszen ezáltal tulajdonképpen le lehet ellenőrizni, hogy a számítógépes szimulációk mennyire feleltek meg a valóságnak, illetve mennyire lehet a monitorokon keresztül megfigyelt elemeket átültetni a mindennapi életbe. Erre gyakorlatilag csak a szélcsatornák adnak lehetőséget, vagyis ezeknek a segítségével lehet igazán szemléltetni a különböző versenykörülmények hatásait, hogy például egy kerékvetőn való áthaladás, vagy akár egy nagyobb fékezés mit eredményez valójában. A szélcsatornában egy félóráig tartó feladat elvégzése akár jó néhány órát is igénybe vehet abban az esetben, ha azt a feladatot számítógépen hajtanák végre, a meglehetősen nagy adatmennyiség miatt. Mindez azt is bizonyítja, hogy minden egyes rendszernek megvan az előnye és hátránya is egyben.

Nyomásmérő szenzorok alkalmazása a McLaren Mercedes MP4-25-ös konstrukció új fejlesztésű hátsó légterelő szárnyának tesztelésekor.

A versenyautó száguldása során elhaladó légáramlatok által keltett zaj csökkentése, az egyes szerkezeti elemekre ható vibráció mértékének minimalizálása, az autó menetstabilitásának fokozása, az aerodinamikai tapadás optimalizálása, és nem utolsó sorban az egyes felületek súrlódási tényezőjének elfogadható szintre történő csökkentése érdekében elvégzett aerodinamikai tesztelések a versenypályán tovább folytatódnak.

A 2009-es évben bevezetett szabálymódosításoknak köszönhetően a korábbi évekkel ellentétben drasztikus mértékben lekorlátozták a csapatok tesztelési lehetőségét. Éppen ezért a szezon előtti időszakban megrendezett tesztsorozatokat igyekszik minden egyes alakulat maximális mértékben kihasználni, és ekkor az autókon különböző méréseket végeznek el. A figyelmesebbek minden bizonnyal láthattak már olyan fotókat, amelyek a versenyautók meghatározott pontjaira szerelt, kissé furcsa szerkezeteket mutattak. Nos, ezek leginkább Pitot-csövekből összeállított nyomásmérő berendezések, amelyek segítségével a versenyautó egyes elemein áthaladó légáramlatok által kifejtett aerodinamikai nyomást képesek megvizsgálni.

Mi is a Pitot-cső valójában? A Pitot-cső egy nyomásérzékelő műszer, amely áramlások sebességének mérésére használható. Többnyire a repülőgép-iparban alkalmazott eszköz, de az autógyártásban – és ebből adódóan a motorsportokban – végzett fejlesztések során sem ritka az alkalmazása. A Pitot-csövet egy olasz születésű francia mérnök, Henri Pitot találta fel 1732-ben, és a mai modern kivitelét egy másik francia tudós, Henry Darcy alkotta meg az XIX. század közepén. Fizikai- és matematikai törvényszerűségeit pedig Daniel Bernoulli fogalmazta meg.

A Pitot-csövekből összeállított mérőrendszert a versenyautó haladási irányával szemben installálják az autó vizsgálandó területére. Az áramvonalas homlokfallal rendelkező csőidom belső furatában a légáramlás hatására ún. torlónyomás keletkezik, miközben a furat másik végén (ami az áramlás helyétől egy távolabbi pontra van elvezetve) egy nyomáskülönbség mérésére alkalmas eszköz található. Fontos, hogy a nyomásváltozást minden esetben a környezethez képest kell mérni, így ennek megfelelően a rendszernek tartalmaznia kell egy statikus nyomást érzékelő pontot is. Ez általában a Pitot-csövön kialakított kis átmérőjű furatot jelent, melyet minden esetben az áramláshoz viszonyítva semleges pozícióban, az áramlás irányára merőlegesen kell kialakítani. Ezt leginkább a Pitot-csövön célszerű megoldani, és koaxiális úton, duplafalú csöveken keresztül eljuttatni mindkét nyomásértéket a kiértékelő elektronikáig.

A fentiekben ismertetett rendszer tehát a környezeti statikus nyomás és a légáramlásból adódó dinamikus nyomás együttes figyelembe vételével határozza meg a vizsgálandó területre jellemző nyomás értékét. A Formula-1-es versenyautók esetében a Pitot-csőnek nem az egyszerű, hanem a statikus mérőponttal ellátott változatát alkalmazzák.

A Pitot-csöves mérőműszer mellett egy további, és az eddigivel szemben sokkal látványosabb hatást keltő módszert is alkalmaznak a csapatok a versenyautó aerodinamikai jellemzőinek vizsgálatára. A 2010-es szezont megelőző téli tesztidőszak folyamán például a McLaren csapat speciális folyadékkal vonta be az MP4-25-ös konstrukció vizsgálandó aerodinamikai elemeit. Fluoreszkáló por és paraffinolaj keverékéből összeállított elegyet vittek fel spray-ző eljárással például a diffúzorra és a hátsó légterelő szárnyra. A módszer lényege, hogy miközben az autó rója a köröket, a nedves felület mentén elhaladó légáramlatok a felvitt folyadékot elvezették a karosszéria felületén, majd visszatérve a boxba a fluoreszkáló anyag felhasználásának köszönhetően láthatóvá vált, hogy az egyes felületi részeken milyen áramlások, ill. áramlásleválások keletkeztek, melyekből a szakemberek már következtetni tudtak az adott légterelő elem aerodinamikai jellemzőire.

Fluoreszkáló por és paraffinolaj keverékéből álló folyadékkal bevont felületek segítették a McLaren szezon előtti aerodinamikai tesztelését.

Látható tehát, hogy a Formula-1-ben nem minden esetben csak a legkorszerűbb technológia alkalmazása hozza meg a várva várt eredményt, hanem mint az az aerodinamikai vizsgálatoknál is érzékelhető, a sokféle vizsgálati módszerek együttes felhasználása révén nyert eredményeket egyaránt érdemes figyelembe venni.