تحليل: كيف يعمل نفق الهواء وما هي أهميته في تطوير سيارات الفورمولا واحد؟

المهندس بول الجاموس

 لطالما شكل توزيع التدفقات الهوائيّة على كامل أجزاء سيارات الفورمولا واحد أهم الركائز في تعزيز كفاءتها الانسيابيّة، حيث تمنح الارتكازيّة التي يتم توليدها التماسك في المنعطفات بينما يسمح التقليل من مستويات الجرّ في تحسين السرعات القصوى على الخطوط المستقيمة.

كيف يعمل نفق الهواء الخاص بسيارات الفورمولا واحد؟

تستخدم فرق الفورمولا واحد نفق الهواء للتحقق مما إذا كانت الأفكار والتصاميم التي تبدو جيدة في المحاكاة الحاسوبيّة تعمل بالفعل على أرض الواقع، بالإضافة لتحليل فعالية المفاهيم والمكونات والتحديثات المختلفة.
عندما تسير السيارة في الواقع على أرض الحلبات فإنها تخترق الهواء المحيط فيها، لكنّ الأمر يصبح معكوسًا في النفق الهوائي حيث يكون نموذج السيارة مثبتًا بشكل محكم والهواء يتدفق حوله بشكل أساسي عن طريق توزيع التيارات الهوائيّة التي تولدها مروحة النفق الضخمة.

صُممت الأنفاق الهوائيّة في الأصل لصناعة الطائرات، ومع مرور الوقت تم تطويرها واستخدمت في الفورمولا واحد لمدة 50 عامًا وأصبحت أكثر تخصصًا. يتميّز نفق الهواء الخاص بالفورمولا واحد ورياضة السيارات بشكل عام بأرضيته المتحركة حيث يشكل ذلك أحد أبرز الاختلافات مع الأنفاق الهوائيّة الخاصة في عالم الطيران.

تتألف أرضيّة النفق الهوائي المتحركة من حزام ناقل سريع جدًا يدور بنفس سرعة الهواء المتولد محاكياً في الواقع التدفق النسبي للهواء بين الطريق والسيارة.

في حين أنّ الهيكل الحقيقي مصنوع من الكربون فإنّ مركز النموذج الخاص بنفق الهواء هو عبارة عن هيكل صلب من الألومنيوم يسمى العمود الفقري مع مكونات مختلفة مثبتة عليه. يتيح ذلك للمهندسين تغيير إحدى مناطق السيارة بسهولة دون التأثير على المناطق الأخرى.

تم تصنيع معظم أجزاء نموذج نفق الهواء الخاص بالفورمولا واحد باستخدام النماذج الأولية السريعة والطباعة ثلاثية الأبعاد، أما بعض المكونات الأخرى مثل الأجنحة فهي مصنوعة من المعدن.

النموذج مليء بأجهزة الاستشعار الخاصة حيث يقوم المهندسون باستخدامها لجمع البيانات. يمكنهم أيضًا تغيير وضعية النموذج وارتفاعه أثناء الاختبار لمحاكاة كيفية تعامل السيارة مع ظروف الحلبات المتنوعة.

ينتج عن تشغيل واحد في النفق كمية هائلة من البيانات لتحليلها، كل ذلك يساعد الفرق على تكوين صورة لما يقوم به التدفق الهوائي وتحديد ما إذا كان المفهوم التصميمي المُختار أو التحديثات المقترحة ممكن اعتمادها لاحقًا على الحلبات.

في سياق متصل ولسنوات طويلة تم تصميم نفق فريق مرسيدس الهوائي لأخذ سيارة كاملة الحجم، لكن الوضع تبدل مع التغييرات التقنيّة المتتالية. ولخفض سقف النفقات باتت الفرق مجبرةً على استخدام نماذج مصغرة بنسبة 60%.

تم فرض المزيد من القيود أيضًا لتخفيف النفقات إذ بات يُسمح للفرق باستخدام نفق هوائي واحد فقط ولا يمكن تشغيله بسرعات أكثر من 180 كيلومترًا في الساعة. قد يبدو ذلك سريعًا لكنه يحد من قدرات الفرق على إجراء محاكاة واقعية بالكامل لما يحدث فعليًا على أرض الحلبات.

هناك أيضًا قيود على عدد الاختبارات التي يمكن لكل فريق إجراؤها ولكن تم إدخال قيود أخرى إضافية بدءًا من العام 2021.

يعتمد عدد الاختبارات المتاحة للفريق لإجرائها داخل النفق على ترتيبه في بطولة الصانعين، حيث يحصل الفريق الذي يحتل المركز الأخير على 25% أكثر من عدد مرات التشغيل المتاحة للفريق صاحب المركز الأول وهناك مقياس متدرج لبقية المراكز في ترتيب بطولة الصانعين.

ستكون القيود أكثر صرامة في العام 2022 حيث يحاول الاتحاد الدولي للسيارات تقريب الأداء بين فرق البطولة. تسببت هذه القيود الصارمة في الضغط على المهندسين للتأكد من حصولهم على أفضل النتائج من كل جولة تشغيل متاحة لنفق الهواء مما أجبرهم على التكيّف مع طريقة عملهم.

نموذج نفق الهواء

تصوير: لوتس اف1

بالإضافة إلى ذلك، يحتوي النفق نفسه على بعض الجوانب المثيرة للاهتمام:

• منطقة الاختبار وتتكون من حامل يتم وضع السيارة عليه لقياس قوة رفع الهواء أو القوة (الضاغطة/الارتكازيّة). تعتبر هذه المنطقة أضيق مناطق النفق مما يجبر الهواء على جمع الزخم والقوة قبل توجيهه إلى السيارة مباشرة.
• منطقة القيادة حيث تمر الرياح عبر المروحة.
• ناشر الهواء وهو جزء من النفق يتسع تدريجيًا ويساعد على إبطاء الهواء بحيث يمكن توجيهه بسهولة أكبر.
• منطقة الاستقرار والتي تقع قبل منطقة الاختبار مباشرة وهي تتألف من شبكة على شكل خلية نحل تقوم بتوجيه التدفق الهوائي في مسار مستقيم يمكن التنبؤ به.
• وحدة التنفيس و/أو التبريد تستقر داخل الحلقة لمنع أي ارتفاع مفاجئ في ضغط الهواء عندما يعمل النفق.

هناك عدة أجزاء لمنطقة الاختبار أيضًا:

1. الذراعان الطويلان اللذان يثبتان السيارة في مكانها.
2. يمكن استخدام طريق متدحرج أسفل السيارة لمطابقة سرعة الرياح ومنع الهواء من الالتصاق بها وبالتالي التشويش على قراءة المستشعرات.
3. السيارة نفسها، والتي يمكن أن تبلغ 60 بالمائة فقط من حجم سيارة الفورمولا واحد الفعلية.

ما هي مزايا اختبار نماذج للسيارات داخل نفق الهواء؟

تم تطوير الديناميكية الهوائيّة تاريخيًا باستخدام نماذج مصغرة وسيظل هذا هو الحال لفترة من الوقت.

تتطور برامج المحاكاة الحاسوبية مع مرور الوقت لكنها لا يمكن أن تحل مكان اختبارات نفق الهواء على الرغم من أن هدف الفورمولا واحد هو إيقاف تشغيل الأنفاق بحلول العام 2030. هناك فريقان حاليًا فقط من الفرق العشرة يرغبان في الاحتفاظ بأنفاق الهواء بعد هذا التاريخ وهما مرسيدس وريد بُل.

تستخدم أغلبية فرق الفورمولا واحد برامج خاصة ونماذج مصغرة لأنفاق الهواء بغية تطوير الانسيابيّة الهوائيّة لسياراتها.

مزايا اختبار نموذج مصغر في نفق الهواء عديدة هذه أبرزها:

- يمكن أن يكون هناك ارتباط ممتاز بين نتائج النموذج والأداء الفعلي على المسار. من الضروري وجود نموذج دقيق ومقياس جيد للسيارة في النفق لأخذ أفضل النتائج.

- الدقة: عادةً ما تقيس الأنفاق عالية المستوى قوى النموذج المصغر بالمقارنة مع المجسم الفعلي في حدود 0.1% ما يعني هامش خطأ قليل جدًا.

- سرعة التطور: يمكن محاكاة ما يصل إلى 25 وضعية مختلفة للسيارة أثناء التشغيل المعتاد لمدة 15 دقيقة في نفق هوائي عالي المواصفات يستخدمه فريق فورمولا واحد. سيتم إنشاء مجموعة كاملة من بيانات الانسيابيّة الهوائيّة نتيجة لهذه الوضعيات المختلفة لتوجيه الهواء على السيارة. ستكون البيانات المقاسة (القوى والضغط) متاحة على الفور وستوفر دراسة شاملة للأداء الانسيابي الهوائي.

- مرونة الاختبار: تُمكّن البرامج الحاسوبية الخاصة لهذه الأنفاق علماء الديناميكية الهوائيّة من الاستجابة بسرعة للنتائج وتكييف برنامج الاختبار وفقًا لذلك. في بعض الحالات، ستكون هذه التغييرات بسيطة مثل التعديلات السريعة على النموذج، بينما في حالات أخرى تتطلب تعديلات جوهرية. بسبب هذه المرونة، فإنّ العملية فعالة للغاية.

- أجزاء الاختبار أرخص ويمكن تصميمها وتصنيعها بشكل أسرع بكثير من اختبار السيارة بنموذجها الكامل. يمكن أن يكون اختبار نموذج المقياس أكثر فعالية من حيث التكلفة.

درّاجة فريق البحرين ميريدا في نفق هواء مكلارين

تصوير: مكلارين

كم تبلغ تكلفة نفق الهواء الخاص بسيارات الفورمولا واحد؟

تستثمر فرق الفورمولا واحد ما بين 60 إلى 100 مليون دولار لبناء أنفاق الهواء الخاصة بها في مصانعها.

عادةً ما تستخدم الأنفاق الأكثر تطوراً والباهظة الثمن مروحة واحدة كبيرة. نظرًا لشفرات المروحة الأكبر حجمًا يتم تقليل الاضطرابات الهوائيّة ولكن لا يزال من الممكن أن يكون التدفق الناجم مضطربًا للغاية في بعد الاختبارات. نتيجة لذلك، فإن هذه القياسات ليست دقيقة بنسبة 100% لتحديد معدل التدفق.

 تمتلك مكلارين نفقًا بطول 145 مترًا على شكل حلبة مستطيلة يتم تشغيله بواسطة مروحة عملاقة يبلغ قطرها أربعة أمتار وتدور عند 600 دورة في الدقيقة.

قامت فرق الفورمولا واحد بتشغيل أنفاق الهواء الخاصة بها بشكل يومي قبل العام 2009 ولكن تم فرض قيود كبيرة منذ ذلك الوقت على الفترة التشغيلية المتاحة.

يمكن للفرق تقليل الوقت الذي تحتاج إليه في نفق الهواء وذلك عن طريق استخدام برامج المحاكاة الحاسوبية حيث يمكن للبرنامج توقع أداء السيارات بناءً على أبعادها. إنّ هذه البرنامج في تطور مستمر وهي أرخص بكثير من إجراء الاختبارات الفعلية في النفق الهوائي الذي يتطلب تشغيله الكثير من العمل والمال والمساحة.

تستثمر فرق الفورمولا واحد ما بين 60 إلى 100 مليون دولار لبناء أنفاق الهواء الخاصة بها في مصانعها

ما هو مقدار الوقت المتاح لفرق الفورمولا واحد داخل نفق الهواء؟

مع إدخال سقف النفقات في موسم 2021 سيتم تخفيض الوقت المتاح لأكثر من 30% عن السابق ما يعني 40 جولة تشغيلية متاحة فقط في الأسبوع. 

بالإضافة إلى ذلك، وللمرة الأولى في تاريخ الفورمولا واحد تم تحديد وقت اختبار نفق الرياح والمحاكاة الحاسوبية لكل فريق من خلال أدائه على الحلبات.

حصلت مرسيدس على نسبة 90% فقط من وقت الاختبارات المتاحة لها لعام 2021 وهو ما يعادل 36 جولة في الأسبوع (أقل بقليل من نصف ما حصلت عليه لموسم 2020). كلما كان ترتيب الفريق أقل في بطولة الصانعين كلما يزداد الوقت والنسبة المئوية المتاحة له داخل النفق الهوائي.

في الطرف الآخر، حصل فريق ويليامز الذي حلّ في المرتبة العاشرة لبطولة الصانعين على نسبة تشغيلية أعلى بكثير وهي 112.5% أو 45 جولة أسبوعيًا لتطوير سيارة 2021.

سيتم تخفيض هذه النسب لجميع الفرق باستثناء الفريقين أصحاب المركزين التاسع والعاشر اعتبارًا من العام 2022. وسيحصل الفريق الفائز باللقب على نسبة 70% فقط مما يعني أن العدد سينخفض إلى 28 جولة في الأسبوع.

 في حين أن الفريق صاحب المركز التاسع يتلقى النسبة ذاتها مثل العام السابق، فإنّ الفريق صاحب المركز العاشر سيحصل على جولة واحدة إضافية ويرتفع الرقم إلى 46 جولة أسبوعية.

في الماضي القريب كان التطوير الانسيابي الهوائي غير مقيّد ونتيجة لذلك قامت عدة فرق بتشغيل أنفاقها الهوائيّة على مدار الساعة حتى أن بعضها قام بتشغيل أكثر من نفق هوائي في الوقت نفسه.