So funktioniert die Aerodynamik

Nachdem mySPOX-User Manül in der vergangenen Formel-1-Saison die Community in die technishen Geheimnisse von Motor, Antrieb, Reifen, Aufhängung und Bremsen eingeweiht hat, legt er vor der Saison 2011 mit einer Technik-Kolumne zum komplexen Thema Aerodynamik nach. Die genau funktionieren Flügel, Leitbleche und Diffusor miteinander? Die Antworten.

Jährlich investieren die Teams viele Millionen in ihre CAD-Systeme, Windkanäle und Simulatoren, um zusätzliche Zehntel zu finden. Die intelligentesten Köpfe grübeln rund um die Uhr an innovativen Detaillösungen in den Grauzonen des Reglements, um mit genialen Ideen, wie den in den vergangenen Jahren so viel diskutierten Doppeldiffusor, F-Duct und Co., entscheidende Vorteile aus dem immer wieder geänderten Reglement gegenüber der Konkurrenz aus dem Hut zu zaubern.

Jeder noch so kleine Teil eines Autos wäre es wert, bis ins Detail erklärt und verstanden zu werden, doch zuvor sind die Grundsätze der Aerodynamik für das Verständnis unumgänglich.

Grundsätze der Aerodynamik

Denn wenige Themen im Formel 1-Zirkus erlangen mehr Aufmerksamkeit als die Aerodynamik. Ausdrücke wie "Dirty Air", "Barge Board" oder "Vortex Generator" fallen in fast jeder Übertragung. Oft sollen laut den Kommentatoren und Experten sogar schon kleinste Beschädigungen an Frontflügel oder Diffusor (z.B. beim Start) schuld daran sein, dass potentielle Sieganwärter ganze Rennen unterirdisch fahren und außerhalb der Punkte abschließen.

Was sind die Hintergründe dafür? Sind das wirklich Gründe? Warum ist die Aerodynamik so bedeutend? Was bedeutet dieser Begriff überhaupt?

Um zu verstehen, was geschieht, sehen wir uns erst ein klein wenig Basistheorie der Vortex Dynamics Science, zu Deutsch in etwa Strömungsdynamiklehre, an.

Bewegung von Körpern durch die Luft

Im Grunde genommen verbirgt sich hinter der Strömungslehre die Wissenschaft über die Bewegung von Körpern durch die Luft, beziehungsweise die Wissenschaft über die Fließeigenschaften der Luft und deren Effekten (dabei bestehen viele Parallelen zur Flüssigkeitsdynamiklehre).

Die einfachsten Beispiele dieser Lehre für die Bedeutung im Alltag der Menschen sind eine Windkraftanlage oder ein Flugzeug. Beide Beispiele nutzen die Fließeigenschaften der Luft; im ersten Beispiel als Antriebskraft im zweiten als Tragkraft. Widerstand und Druckeffekte, die daraus hervorgehen, beschäftigten auch die Fahrzeugingenieure und -designer in frühen Tagen.

Anfänge der Aerodynamik in der Formel 1

In den Anfängen der Formel 1 lagen die Entwicklungsschwerpunkte im Bereich des Fahrzeugdesigns auf einer möglichst strömungsgünstigen Chassiskonstruktion. In anderen Worten: Es war das Ziel, den Luftwiderstand der Autos, genannt Drag, zu verringern. Je weniger Luftwiderstand ein Fahrzeug bietet, desto weniger Kraft ist nötig, um das Fahrzeug gegen die Luft zu bewegen, mehr Geschwindigkeit ist das Resultat.

Mit Beginn der 1960er Jahre entdeckten die ersten Teams zusätzlich effektive Wege, das Phänomen Downforce in besseren Grip der Reifen umzumünzen. Sie verstanden, dass eine Steigerung der negativ-vertikalen Kraft auf die Reifen die Haftungseigenschaften verbessert. Dies liegt daran, dass Schwerkraft ungefähr proportional zum Gewicht eines Körpers zunimmt. Die Kreation von Downforce beruht auf zwei uralten Theorien: einerseits auf der Newton'schen, dass Energie nicht generiert oder zerstört werden kann, sondern nur transferiert; und Bernoullis Erkenntnis, dass beschleunigte Luft zu einer Verringerung des Luftdrucks führt.

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Die Formel 1 kehrt die Prinzipien der Luftfahrt um. Wird ein Flügel so designt, dass die Luft schneller unter der Fläche hindurch strömt als über die Fläche (vgl. Abbildung), so erhöht sich der Druck auf der Oberfläche. Die daraus resultierende Druckdifferenz kreiert einen abwärtsgerichteten Druck, der als Downforce bezeichnet wird. Je mehr Downforce, desto höhere Kurvengeschwindigkeiten sind möglich, da der Grip zunimmt.

Ein einfaches Beispiel: Nehmt euch einen einfachen Stift. Schnippt von der Seite gegen den Stift, sodass er sich über den Tisch bewegt. Nun drückt mit dem Finger von oben auf den Stift, bis er "wegflutscht". Die Bewegung des Stiftes auszulösen fällt nun schwerer, eben weil er mehr Grip hat. Eine einfache Simulation des Downforce-Effekts.

Maximale Downforce bei minimalem Widerstand

Nun könnte man meinen, dass eine Maximierung des Grip durch Erhöhung des Downforce (z.B. durch steile Flügelstellung) der ideale Weg sei, um ein Fahrzeug schnell zu machen, schließlich sind höhere Kurvengeschwindigkeiten erstrebenswert. Jedoch steht der Drag dem gegenüber. Aus diesem direkten Zusammenhang entsteht die Komplexität des Fahrzeugdesigns.

Das Ziel: maximale Downforce bei minimalem Widerstand. Der Weg: ein niemals endender Kompromiss.

Ob die Boliden nun mit hohen Flügeln, also viel Downforce fahren oder mit flachen Flügeln, also weniger Drag, ist streckenabhängig. So sprechen wir im Falle von Monaco von einer "High-Downforce-Track" (viele Kurven, wenige lange Geraden) und im Falle von Monza von einer "Low-Downforce-Track" (wenige Kurven, viele lange Geraden).

Ground Effect als extremste Downforce-Variante

Diesem Spiel schien 1978 ein Ende gesetzt, als Lotus den sogenannten Ground Effect entdeckte. Peter Wright gestaltete den Lotus 78 besonders tief über dem Boden und kontrollierte den Luftfluss unter dem Auto. Indem die Fließgeschwindigkeit der Luft unter dem Auto beschleunigt wird, entsteht dort ein Unterdruck, der das Auto auf die Straße saugt. Den gleichen Effekt kennt ihr alle vom Staubsaugen. So wurde der Downforce drastisch erhöht, ohne dabei mehr Drag zu erzeugen.

In den folgenden vier Jahren intensivierten die sogenannten Ground-Effect-Cars dermaßen radikal diesen Effekt, dass zum Start der 1983er Saison starke Eingriffe per Reglement vorgenommen wurden. Der von nun an glatte Unterboden ermöglichte keine so eingreifende Luftführung mehr.

Ärgernis Vorderreifen

Der Luftfluss unter dem Rennwagen spielt aber bis heute die tragende Rolle im gesamt-aerodynamischen Konzept. Je sauberer die Luft unter das Auto geleitet werden kann, je besser die Strömung unter dem Auto von seitlichem Luftfluss (störende, bremsende Wirkung) isoliert werden kann und je schneller die Luft unter dem Auto wieder entweichen kann, desto besser die Luftbeschleunigung unter dem Auto.

Die Barge Boards (senkrecht stehende Luftleitbleche hinter den Vorderrädern) generieren Luftverwirbelungen (bis zu 10 Vertices), die eine Luftführung um das Auto herum optimieren, ohne dass dabei Luft seitlich unter das Fahrzeug gelangt. Ebenso generieren die Frontflügelendplatten eine Vielzahl von Vertices (vier bis fünf) die kontrollieren, wie die Luft mit der Frontseite der Vorderreifen und hin zu den Seitenkästeneinlässen interagiert.

Die freistehenden Vorderreifen eines Formel-1-Boliden bleiben jedoch das Ärgernis eines jeden Aerodynamikers. Nicht zuletzt sind die Endplatten überhaupt erst der Reifen wegen nötig, da durch die frei im Wind stehenden Vorderräder eine Menge ungewollter Turbulenzen entstehen. Das Zusammenspiel zwischen Endplatten und Barge Boards dient der Minimierung der unter das Auto gelangenden "seitlichen" Luft. Lediglich zentral wird die Luft unter das Auto geleitet. So ist es nicht verwunderlich, dass der Frontflügel den Schlüssel zu einem funktionierenden aerodynamischen Konzept bildet.

Aufwändige Simulationen am Computer

Es sind also Systeme nötig, die das Design eines Boliden validieren und Verbesserungen errechnen können. Auf Supercomputern und mit Hilfe von Windkanaltests finden hinter verschlossenen Türen und fernab der GP-Strecken rund um die Uhr diese Prozesse statt. So genannte CFD-Systeme (computational fluid dynamics systems) errechnen Windströmungen unter Betrachtung der verschiedensten und komplexesten Variablen.

Im Generellen gehen die Teams bei der Teileentwicklung also so vor, dass nach der Entwicklung einzelner Aero-Komponenten (CAD-Simulation) diese virtuell in das Automodell eingearbeitet werden und deren Effizienzsteigerung (wer mag, kann sich in Amdahl's Gesetze einlesen) per CFD evaluiert werden. Erst wenn dabei eine Verbesserung errechnet wird, werden Modelle wirklich gebaut und im Windkanal unter zusätzlichem Einfluss wieder neuer Variablen getestet und neu evaluiert.

Wird dabei wieder die Steigerung der aerodynamischen Effizienz festgestellt, werden die Teile für das echte Auto gebaut und dann in Trainings oder Testfahrten unter Realbedingungen abgestimmt, bewertet und gegebenenfalls überarbeitet, neuentwickelt oder verwendet. Denn eines ist klar: Keine Simulation kann hundertprozentig präzise Ergebnisse liefern, da sie nur auf Basis von vereinfachten (dennoch hoch komplexen) Modellen errechnet werden.

Teil 2: Bedeutung für die aktuellen Autos

Die Stärke des Drag ergibt sich aus dem Reibungswiderstand, den die festen Moleküle, also beispielsweise der Heckflügel, gegen die Luftmoleküle ausüben. Angegeben wird die Stärke des Luftwiderstandes üblicher Weise als Drag Koeffizient(0 = perfekt; 1 = Stop). Eine glatte Oberfläche bietet weniger Reibungsfläche als eine raue Oberfläche (vgl. Abbildung). Aber auch der Reibungswinkel oder ein gebogene Form einer glatten Oberfläche erzeugt Widerstand. An diesem NASA-Modell könnt ihr ein bisschen herumspielen und mit den verschiedenen Einflüssen herumexperimentieren.

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Hier ein paar Zahlen um das Zusammenspiel zwischen Drag und Downforce in der Formel 1 einordnen zu können:

Laut simplen CFD-Simulationen erreicht die Luft bei den 2011er Boliden den Heckflügel mit circa 31 - 34% weniger Geschwindigkeit als noch an der Front und fast ohne Geschwindigkeitsverlust unter dem Fahrzeug.

Eine Steigerung des Downforce (bei gleich bleibendem Drag) um 10% entspricht in etwa einer Verbesserung um eine Sekunde pro Runde (5 km).

Die Steigerung des Downforce kommt in etwa einer virtuellen Erhöhung des Fahrzeuggewichtes gleich. Weil das Fahrzeug aber tatsächlich nicht schwerer wird, nimmt auch bei Kurvenfahrten die Querbeschleunigung (durch Fliehkraft) nicht zu.

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Die Abbildung zeigt zwei unterschiedliche Situationen. Betrachten wir zuerst Situation eins. Auf der oberen Seite des im Querschnitt dargestellten Flügels wird die Luft durch das Auftreffen verlangsamt. Der Flügel hindert die Strömung daran, direkt weiterzufließen, weswegen sie konvergierend nach oben abgelenkt wird. So erhöht sich der Luftdruck an der Flügeloberseite.

Die unter dem Flügel strömende Luft wird beschleunigt, was an der Flügelunterseite einen Druckabfall bewirkt. Dieser Unterdruck wirkt in Kombination mit dem Druck auf den Flügel oberhalb als abwärtsgerichtete Kraft, die über die Flügelbefestigung an das Fahrzeug weitergeleitet wird.

Es entsteht der sogenannte Anpressdruck. Je steiler der Flügel nun im Wind steht, desto höher der Widerstand, woraus sich der streckenabhängige Abstimmungs-Kompromiss ergibt. Die Verstellmöglichkeit des oberen Flügels ab dieser Saison ermöglicht eine flachere Flügelstellung auf der Geraden mit weniger Luftwiderstand, woraus eine höhere Endgeschwindigkeit resultiert (bei den Tests in Barcelona etwa 7 - 10 km/h mehr auf der Start-/Zielgeraden).

So funktioniert der verstellbare Heckflügel

Situation zwei zeigt den Abtriebsverlust zwischen einem zweiten Flügelelement und der Hauptplatte. In dieser Situation wird durch einen schnelleren direkten Luftstrom die oberhalb des Flügels strömende Luft umgelenkt und durch die beiden Flügelelemente hindurch gezwungen. Dadurch findet keine Separation des Luftflusses statt, wodurch am Flügel selbst keine Geschwindigkeitsunterschiede entstehen. Daraus wiederum resultieren Druckunterschiede und Downforce. Dies ist der Effekt, den der so viel diskutierte F-Duct in der vergangenen Saison bewirkte.

Die daraus resultierenden höheren Endgeschwindigkeiten wurden hier also durch eine Verringerung des Downforce bewirkt, während in dieser Saison eine Verringerung des Luftwiderstandes zu höherer Endgeschwindigkeit führen wird. Da der Heckflügel bis zu 25% des gesamten Downforce eines Autos ausmachen kann, erklärt sich dieses Geschwindigkeitsplus. Durch Eingriffe ins Reglement wurde seit 2001 immer wieder die Anzahl der Heckflügelelemente verringert, Haltungen definiert oder Luftschlitze verboten, um den Abtrieb und so vor allem Kurvengeschwindigkeiten zu verringern.

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Unterhalb des Heckflügels befindet sich der Diffusor. Im Gegensatz zu Front- oder Heckflügel drückt der Diffusor die Luft nicht hoch, sondern saugt sie in gewisser Weise hoch. Das Volumen des Diffusors erhöht sich zum Ende hin, was einen divergierenden Luftstrom bewirkt.

Die gleichbleibende Anzahl Luftmoleküle verteilt sich auf ein größeres Volumen, was den Luftdruck senkt. Luft hat immer das Verlangen, gleichen Luftdruck herzustellen, weswegen eine Ausgleichsströmung hin zum tieferen Luftdruck entsteht, die kanalisiert unter dem Auto noch weiter beschleunigt. Je größer das Volumen des Diffusors, desto stärker dieser Effekt. Durch das Verbot des Doppeldiffusors hat der Diffusor anno 2011 jedoch circa 30% weniger Volumen als noch in der vergangenen Saison.

Auspuffvarianten sollen Diffusor effektiver nutzen

Dementsprechend ist es bei der Entwicklung der diesjährigen Boliden besonders interessant gewesen, welche Wege die Teams eingeschlagen haben. Da weniger Diffusorvolumen nicht automatisch bedeutet, dass der dadurch verlorene Abtrieb nicht wieder gewonnen werden kann. Denn je mehr Luft unter das Auto geleitet wird (zum Beispiel bei Renault durch die neue Auspuffvariante) und dort kanalisiert und beschleunigt werden kann, desto stärker der Saugeffekt.

Jedoch ist es dabei von Bedeutung, dass seitlich zugeführte oder wärmere Luft (was beides auf diese Variante von Renault zutrifft) den Luftstrom nicht stört. Denn Verwirbelungen oder höherer Luftdruck (je wärmer die Luft desto höher der Luftdruck) bergen die Gefahr eines Strömungsabrisses.

Frontflügel leiten die Luft

Dementsprechend ist das Design des Frontflügels und des Splitters (unter der Fahrzeugnase) ausgelegt. Der Frontflügel generiert natürlich auch Downforce, seine Hauptaufgabe ist aber die Luftführung um die Vorderräder herum und unter das Auto. Da die Front der 2011er Boliden ohnehin nicht so schwer ist (45,5% - 46,7% des Fahrzeuggewichtes von min. 640kg), wäre gleich großer Abtrieb wie im Heckbereich für die Fahrzeugbalance ohnehin eine Katastrophe.

Die Endplatten des Frontflügels leiten die Luft in kontrollierter Verwirbelung über die Reifen oder zu den Barge Boards beziehungsweise Seitenkästen, während der mittlere Teil um die Flügelaufhängung an der Fahrzeugnase den Luftstrom unter das Auto führt. Aus diesem Grund haben die Teams seit 2001 immer wieder mit geschwungenen Flügeln oder verschiedenen Nasenhöhen experimentiert.

Mercedes-Experimente mit drei Layouts

Der aktuelle Mercedes MGP W02 ist ein gutes Beispiel. Nach den umfassenden Modifikationen zum Barcelona-Test hin experimentierte man mit drei verschiedenen Layouts, bis man sich für eine Variante entschied. Die ab Tag zwei gefahrene Variante hat einen auffällig großen freien Bereich unter der hohen Fahrzeugnase (ein Erfolg versprechender Trend anno 2011) und einen Splitter mit zwei senkrechten Finnen, die die Luft fast wirbelfrei unter die Seitenkästen und unter das Auto führen.

Eine ähnliche Version hat Williams gewählt, während Ferrari zum finalen Test mit zwei merklich verlängerten Frontflügelhalterungen anrückte, die den gleichen Effekt bewirken. Dadurch wird eine präzisere und resistentere Luftströmung (gegen Strömungsabriss durch z.B. wechselnde Windrichtung, Kurvenfahrt, Kerbüberfahrt, etc.) auf/unter den Splitter geleitet, der von dieser Saison an nicht mehr flexibel sein darf.

Auch die Kühlung der KERS-Batterien bereitete Ferrari auffallend wenige Probleme, weswegen spekuliert werden darf, dass dieses Frontflügeldesign die Luftführung zu den sehr kleinen Seitenkästeneinlässen optimiert hat.

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Die Abbildung zeigt das aerodynamische Gesamtkonzept der 2011er Boliden (hier der Force India VJM04). Auffällig ist die nicht vorhandene ab dieser Saison verbotene (mit dem Heckflügel verbundene) Haiflosse (vgl. FIA Technical Regulations 3.9.1.). Auch die Heckflügelaufhängung, Slots in der Heckflügelplatte und den Beam Wings, sowie eine klarere Definition der Crashzone (Verbot des Doppeldiffusors) sorgen für gravierende Einschnitte in das Heckleitwerk.

Nicht nur, dass daraus insgesamt weniger Ansaugkraft und Anpresskraft im Heckbereich resultieren, auch der Luftfluss unter dem Auto ist durch die geringere Saugkraft langsamer als noch 2011, was die Autos bei Kerbüberfahrten anfälliger für einen Strömungsabriss macht. Genau an diesem Problem hapert es massiv bei McLarens MP4-26, weswegen man schon fast panisch den Fokus in Barcelona auf neue seitliche Endplatten des Heckflügels setzte, die den Diffusor unterstützen.

Williams wirkte dieser Problematik mit einem extrem niedrigen Heck (neues Getriebe & Differential) und einem extremen Neigungswinkel (14°) der Antriebswelle entgegen, um den Schwerpunkt des Fahrzeugs zu senken. Denn ein Nachteil fällt neben weniger Grip auf der Hinterachse in dieser Saison noch stärker ins Gewicht: der Reifenabrieb.

Red Bull und Ferrari haben Reifen im Griff

Strömungsabriss oder generell wenig Grip an der Hinterachse führen zu einem leichten Yaw-Effekt in jeder Kurve, also einer seitlichen Rutschbewegung des Autos, was den Reifenabrieb gravierend erhöht. Da die neuen Pirelli-Reifen im Vergleich zu ihren Vorgängern von Bridgestone besonders anfällig (weil weichere Mischung) sind, liegt hier enormes Potential. Ein weiteres Plus für Ferrari und Red Bull, die mit ausdauernden Long Stints beeindruckten, was ein weiteres Indiz für deren exzellente Arbeit über den Winter ist.

Doch die Testeindrücke mit teils überraschenden Innovationen sind keine endgültige Rangordnung für das erste Saisonrennen, da es einige Teams - vor allem McLaren und Force India - gibt, die schon fast nichts mehr zu verlieren haben und dementsprechend risikoreich aus den Ergebnissen der letzten Testfahrt radikale Veränderungen nach Melbourne schleppen werden.

Und auch über die Saison hinweg ist das Rennen um Innovationen das Hauptaugenmerk der Teams und wird uns auch in diesem Jahr viel Spannung und Gesprächsstoff liefern. Nun denn: Gentlemen, start your Engines!

Alle Teams und Fahrer der Saison 2011 im Überblick