Qu’est-ce que la cartographie aérodynamique en Formule 1 ?

De manière générale, la cartographie aérodynamique est le processus consistant à établir la relation entre les propriétés géométriques d’une voiture de course et ses propriétés aérodynamiques. Cela permet d’améliorer les performances de la voiture en offrant davantage de possibilités d’ajustement de l’aérodynamisme.

L’équilibre aérodynamique, par exemple, indique la répartition de l’appui entre les essieux avant et arrière. Le modifier peut aider à éviter le survirage. Une autre considération concerne les performances en virage : lorsqu’un circuit comprend de nombreux virages rapides, un appui plus important est nécessaire. En revanche, dans les circuits comportant de longues lignes droites, la traînée liée à ces réglages d’appui élevé ralentira la voiture sur un tour.

Il est crucial de disposer d’une relation clairement définie entre les paramètres de configuration de la voiture et les caractéristiques aérodynamiques disponibles lors de la mise au point ou de la modification de la voiture.

La cartographie aérodynamique permet d’améliorer l’aérodynamisme d’une voiture de course sans effectuer de nombreux essais. Concrètement, on procède à la création d’un modèle tridimensionnel complet de la surface du véhicule, qui peut ensuite être utilisé pour localiser et optimiser l’écoulement de l’air autour de celui-ci. Cela peut améliorer les performances de la voiture et la rendre plus compétitive sur la piste.

Les cartes aérodynamiques aident les ingénieurs de course à déterminer comment configurer les composants aérodynamiques de la voiture pour chaque circuit. Elles montrent comment les variations de hauteur de caisse, d’angles des ailes, de gîte (rake) et d’autres paramètres influencent la force d’appui, la traînée et l’équilibre.

Si un pilote souhaite plus d’appui à l’arrière, la carte aérodynamique indique quels ajustements sont nécessaires sur l’aile arrière et comment équilibrer cela avec l’aile avant. Ces cartes sont construites à partir de données de soufflerie, de simulations CFD et d’essais en piste réelle.

Lors des week-ends de course, les équipes valident leurs cartes aérodynamiques à l’aide de capteurs comme des détecteurs laser de hauteur de caisse et des cellules de charge sur la suspension. De la peinture à écoulement (flow-vis) peut également être appliquée pour visualiser l’écoulement de l’air. Cela permet aux ingénieurs de comparer les performances réelles à celles prévues en soufflerie.

Les cartes aérodynamiques sont également utilisées en simulation. Les équipes peuvent modéliser un nouvel aileron ou design de plancher avant sa conception, évaluer son effet sur l’équilibre de la voiture et décider s’il vaut la peine d’être développé. Ainsi, la cartographie aérodynamique est essentielle, non seulement pour les réglages, mais également pour le développement à long terme.

La cartographie aérodynamique vise à diriger le flux d’air autour de la voiture de la manière la plus efficace pour générer de l’appui et réduire la traînée.

Elle présente deux avantages principaux. Elle peut améliorer les performances de la voiture en augmentant l’appui et en réduisant la traînée, tout en maintenant la stabilité à haute vitesse.

Durant une course, l’aile avant et l’aile arrière sont les éléments clés pour affiner les réglages et équilibrer correctement la voiture. En courbant la surface inférieure d’un volet de manière à ce que l’air s’écoule plus rapidement dessous que dessus, on génère une force vers le bas, qui plaque les pneus sur la piste et améliore l’adhérence.

Toute cette force d’appui génère toutefois une traînée accrue, ce qui réduit significativement la vitesse de la voiture, ainsi que le ratio appui/traînée selon les différentes configurations d’aile. Pour pouvoir prendre des décisions rapides et précises en course, il est essentiel de bien connaître ces relations pour chaque réglage.

Selon les réglages aérodynamiques, le pilote aura besoin d’une voiture aussi équilibrée que possible jusqu’à un certain point. Il peut souhaiter une position du centre de gravité différente de celle de son coéquipier.

Alors, que fait une équipe dans cette situation ? Ce n’est pas une question de chance ! L’aile avant comme l’aile arrière sont les seuls éléments aérodynamiques pouvant être ajustés sur la voiture. Les autres réglages sont fixes et ne peuvent être modifiés que via des tests en soufflerie. Les ailes avant et arrière génèrent une importante force d’appui, chacune étant réglable pour produire différents niveaux de force.

La corde et l’envergure sont les deux mesures définissant chaque aile, la section transversale déterminant le design final. L’angle d’attaque détermine la force générée par l’aile une fois celle-ci conçue. Grâce à sa forme, l’aile peut produire un certain appui même à un angle d’attaque nul. Si l’angle augmente, l’appui augmente également jusqu’à un certain point. À ce moment, l’air commence à se séparer de la surface, ce qui diminue fortement l’appui.

La plaque principale et les volets constituent respectivement les deux parties des ailes arrière et avant. La plaque principale, avec un angle d’attaque fixe, génère la majeure partie de l’appui. Les volets sont responsables des ajustements fins. L’angle du volet est modifié pour obtenir différents niveaux d’appui, avec par exemple des modifications de l’ordre du demi-degré, ce qui permet d’affiner la voiture. Un mécanisme de type « tournevis » permet de modifier rapidement l’angle du volet lors d’un arrêt aux stands. De même, l’ajustement du volet de l’aile arrière permet d’augmenter ou de diminuer l’appui à l’arrière de la voiture. Grâce à la complexité de l’aérodynamisme, les ingénieurs peuvent générer différentes puissances à partir de la même aile.

Bien que la forme de base et la performance aérodynamique globale d’une voiture de course soient initialement conçues à l’ordinateur par un designer, chaque équipe passe énormément de temps en soufflerie durant la phase de développement, testant de nombreuses configurations avec une maquette de la voiture comportant de multiples composants différents. L’équipe teste des centaines de réglages aérodynamiques, évaluant les compromis entre portance et traînée, prédisant les hauteurs de caisse, et ajustant les suspensions pour maximiser l’aérodynamisme dans chaque configuration, tout en développant une meilleure compréhension de l’impact de chaque changement sur la performance globale.

La même méthode est utilisée pour chaque nouvel aileron ou nouvelle architecture de voiture. Des modèles de régression sont créés pour chaque réponse afin de fournir des capacités de prédiction et d’amélioration aérodynamique. La carte aérodynamique montre comment les composants (ailes et hauteurs de caisse) fonctionnent en termes de portance et de traînée selon différentes configurations. Tout est soigneusement documenté et répertorié. Il existe une carte aérodynamique pour chaque aile ou configuration.