F1技術解説:2022年マシンのフロントウイングは、どのようにオーバーテイクを向上させるべく設計されたのか?

2022年マシンがテストを始めるためにトラックを走るとき、我々はいよいよ新しいF1の姿に慣れ始めることになる。革新的な新しい空力学的規則は、接近して走行してもグリップを失わないマシンを作ることが目的である。

空力学的コンセプトの原点は常にフロントウイングである。なぜなら、フロントウイングは押し寄せる空気が最初にマシンに出会う場所だからだ。そのため、2022年のフロントウイングは、見た目も機能も、これまでのものとは根本的に異なっている。

よりクリーンであまり破壊的ではない空力学的後流のマシンをつくるという目的達成の観点からすると、新ウィングの最優先事項は、従来のフロントウィングで利用されていた「Y250渦流」の解消である。これは、ノーズとウィングエレメントの内側の端の間にある250mmのギャップを利用して、回転する空気の渦を作り出し、そこからバージボードに向かって気流全体を加速させ、できるだけマシンの外側に押し出すことを目的としていた。

昨年のフロントウイングと今年のコンセプトの比較。現行フロントウイングのフラップ内側の先端から発生する「Y250渦流」の排除が大きな特徴である
昨年のフロントウイングと今年のコンセプトの比較。現行フロントウイングのフラップ内側の先端から発生する「Y250渦流」の排除が大きな特徴である。

そうすることで、アンダーフロア(床下)へのクリーンな気流を乱すことがなくなるだろう。しかし、この幅の広い乱れたアウトウォッシュは、後続マシンの空力学的パフォーマンスが低下する大きな理由だった。後続マシンのフロントウイングは、この乱れた空気の中では有効に機能できなかったからだ。


2021年F1マシンと2022年F1マシンの設計における重要な違いを比較

新しいウイングでは、ノーズと同じ高さにあるエレメントとの間に隙間がなくなった。Y250渦流がなくなるので、バージボードの禁止と相まって、気流は車幅内に収まるようにウィングを通過するようになる。

その結果、幅広いエレメントを採用したことでウィング全体の面積は大きくなったものの、ダウンフォースは小さくなった。ダウンフォースが小さくなれば、空気を乱す傾向が少なくなり、先行マシンからの気流の乱れの影響を受けにくくなる。

F1 TV Tech Talk:2022年のF1マシンはオーバーテイクをどう改善するのか?
F1 TV Tech Talk:2022年のF1マシンはオーバーテイクをどう改善するのか?
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では、なぜ規則策定者は(マシンの他の部分への影響を考慮せず、単体で見ても)ダウンフォースの少ない大きなウイングを作ることができたのだろうか。ウィングの総面積以外にダウンフォースの大きさを決定する要因は、ウィングの「迎角」、エレメント間の隙間と重なり、エレメントのキャンバー(形状)である。この3つの要素はすべて、新しい規約の中で厳しく管理されている。

ウィング・エレメントは(5つから減少して)最大4つまでだが、その輪郭は、エレメントが収まらなければならない一連の複雑な想定寸法の箱型セクションによって非常に厳密に定義されている。このため、エレメントは、内側では適度にキャンバーがつき、外側ではほとんどキャンバーがつかないように先細になっている。エレメントは、角度が制限されているため、ウィング全体の迎角が制限される。

制限された迎角がフロント・ウィングのダウンフォース生成量に影響し、エレメントの重なりがウィング性能を向上させる
制限された迎角がフロント・ウィングのダウンフォース生成量に影響し、エレメントの重なりがウィング性能を向上させる。

ウィングは、その形状が生み出す気圧差によってダウンフォースを発生させる。下面は気圧が低く、上面は気圧が高いため、効果的にマシンを引き下げることができる。ウィングの迎角(地面に対する角度)が高いほど、その圧力差は大きくなる。このため、エレメントは寸法に余裕を持たせて、地面との角度を最小限に抑える必要がある。


2022年のホイール・トゥ・ホイールアクションに大きな影響を与える禁止事項

ウィング性能を高めるもうひとつの方法は、エレメントのカスケードを重ね、下のエレメントの背面が上のエレメントの前面よりもさらに後ろに伸びるようにすることである。これにより、特に隙間が非常に小さい場合、エレメント間の隙間に突入する空気が加速される。

空気を速く動かすことができれば、より大きなダウンフォースを生み出すことができる。2022年のウィングでは、エレメント間の最小隙間が5mmと比較的大きくなっている。また、エレメント間の重なりは(以前よりはるかに少ない)30mmに制限されているので、ウィングの効果を制限する。

F1マシン:2020年ウィングの側面図
2020年ウィングの側面図

各エレメントの角(コーナー)は、渦流を発生させないように所定の大きさの円弧で湾曲させる必要がある。調整できるのは上のふたつのみで、調整できる角度にも制限がある。

エンドプレートは、旧規則下で開発されたマルチプレーンデバイスに比べ、はるかに小型でシンプルなものである。エンドプレートは、その下にある空気が横方向に動くのを制限し、ダウンフォースの漏れを防ぐことで、エレメントのダウンフォース生成効果を高めている。しかし、新規則の目的からすると、より重要なのは、エレメントの端から発生する乱れた後流を減らすことである。

また、ノーズ形状の規制も強化され、従来の指先(サムチップ)、鼻孔(ノーズリル)、ケープ、Sダクトなどすべてが廃止された。

メルセデスの2016年マシンに搭載された上図のSダクトは、前世代のウィングの重要な機能が2022年に向けて削除された例である
メルセデスの2016年マシンに搭載された上図のSダクトは、前世代のウィングの重要な機能が2022年に向けて削除された例である。

これは、マシンの後流をできるだけ狭く保ち、マシンからアウトウォッシュされる空気量を最小限にするためのものだ。乱流の影響を受けにくくするためにも、フロントウイングが重要な役割を果たす。そのため、ドライバーはストレートで先行マシンにぴったりとついて、オーバーテイクを狙うことができる。

3月20日、バーレーンでシーズンが開幕するときに、これがどう機能するのか様子を見よう。

-Source: The Official Formula 1 Website