Was ist Aero Mapping in der Formel 1?

Im Allgemeinen ist Aero-Mapping der Prozess, bei dem die Beziehung zwischen den geometrischen Eigenschaften eines Rennwagens und seinen aerodynamischen Eigenschaften abgebildet wird. Dies hilft dabei, die Fahrzeugleistung zu verbessern, da es ermöglicht, die Aerodynamik feiner abzustimmen.

Das aerodynamische Gleichgewicht beschreibt beispielsweise die Verteilung des Abtriebs zwischen Vorder- und Hinterachse. Eine Veränderung dieses Gleichgewichts kann helfen, Übersteuern zu vermeiden. Ein weiterer Aspekt ist die Kurvenleistung: Auf Strecken mit vielen schnellen Kurven wird mehr Abtrieb benötigt. Der damit verbundene Luftwiderstand verlangsamt das Fahrzeug jedoch auf Strecken mit langen Geraden.

Es ist entscheidend, eine genau definierte Beziehung zwischen den Setup-Parametern des Autos und den verfügbaren aerodynamischen Eigenschaften zu haben, wenn man das Auto abstimmt oder verändert.

Aero-Mapping ermöglicht Verbesserungen an der Aerodynamik eines Rennwagens ohne umfangreiche Experimente. Einfach ausgedrückt wird beim Mapping ein umfassendes dreidimensionales Modell der Fahrzeugoberfläche erstellt, das anschließend verwendet werden kann, um den Luftstrom um das Fahrzeug zu analysieren und zu optimieren. Dies kann die Leistung des Autos verbessern und es auf der Strecke wettbewerbsfähiger machen.

Aero-Karten helfen den Renningenieuren dabei, die aerodynamischen Komponenten des Autos für jede Strecke korrekt einzustellen. Sie zeigen, wie sich Änderungen an Fahrzeughöhe, Flügelwinkeln, Rake und anderen Einstellungen auf Abtrieb, Luftwiderstand und Balance auswirken.

Wenn ein Fahrer mehr Abtrieb am Heck möchte, zeigt die Aero-Karte, welche Änderungen am Heckflügel vorgenommen werden müssen und wie der Frontflügel angepasst werden kann, um das Gleichgewicht zu erhalten. Diese Karten werden aus einer Kombination von Windkanaldaten, CFD-Simulationen und realen Streckentests erstellt.

An Rennwochenenden validieren Teams ihre Aero-Karten mithilfe von Sensoren wie Lasermessern zur Fahrzeughöhe und Belastungszellen am Fahrwerk. Auch Flow-Vis-Farbe wird aufgetragen, um die Luftströmung sichtbar zu machen. So können Ingenieure die reale Leistung mit den Vorhersagen aus dem Windkanal vergleichen.

Aero-Karten werden auch in Simulationen verwendet. Teams können ein neues Flügel- oder Bodendesign modellieren, bevor es gebaut wird, seine Auswirkungen auf das Fahrzeugverhalten bewerten und entscheiden, ob sich die Entwicklung lohnt. Damit ist das Aero-Mapping nicht nur für das Setup, sondern auch für die langfristige Entwicklung essenziell.

Ziel des Aero-Mappings ist es, den Luftstrom so effektiv wie möglich um das Auto zu lenken, um Abtrieb zu erzeugen und den Luftwiderstand zu reduzieren.

Es gibt zwei Vorteile beim Aero-Mapping: Es verbessert die Leistung des Fahrzeugs, indem es den Abtrieb erhöht und den Luftwiderstand verringert, und es sorgt für Stabilität bei hohen Geschwindigkeiten.

Während eines Rennens sind der Frontflügel und der Heckflügel entscheidend für das richtige Setup und die Balance. Eine gebogene Flächenunterseite erzwingt einen schnelleren Luftstrom unten und erzeugt dadurch eine Abwärtskraft, die die Reifen stärker gegen den Boden drückt und den Grip erhöht.

All dieser Abtrieb geht jedoch mit erhöhtem Luftwiderstand einher, der die Geschwindigkeit reduziert. Die Beziehung zwischen Abtrieb und Luftwiderstand hängt von der Flügelkonfiguration ab. Um während eines Rennens schnell und präzise Entscheidungen zu treffen, ist das Verständnis dieser Beziehungen für jede Einstellung entscheidend.

Basierend auf dem Aero-Setup benötigt der Fahrer ein ausgewogenes Auto bis zu einem bestimmten Punkt. Der Fahrer bevorzugt eventuell eine bestimmte Schwerpunktlage, die sich von der seines Teamkollegen unterscheidet.

Was macht das Team in so einem Fall? Es ist kein Ratespiel! Der vordere und hintere Flügel sind die einzigen Aero-Bauteile, die am Fahrzeug eingestellt werden können. Alle anderen Komponenten des Setups sind fest und können nur im Windkanal optimiert werden. Die vorderen und hinteren Flügel erzeugen erheblichen Abtrieb und können für verschiedene Kräfteinstellungen angepasst werden.

Für jeden Flügel sind Spannweite und Sehnenlänge die entscheidenden Maße; die Querschnittsfläche bestimmt das endgültige Design. Der Anstellwinkel bestimmt, wie viel Abtrieb ein Flügel nach seinem Entwurf erzeugt. Aufgrund des Designs kann der Flügel auch bei einem Winkel von null Grad noch etwas Abtrieb erzeugen. Wird der Winkel erhöht, steigt der Abtrieb – bis zu einem bestimmten Punkt. Ab diesem Moment beginnt sich die Luft vom Flügel zu lösen, was zu einem starken Rückgang des Abtriebs führt.

Die Hauptfläche und die Klappen bilden die beiden Komponenten der Vorder- und Hinterflügel. Die feste Hauptfläche erzeugt den Großteil des Abtriebs. Für die Feinabstimmung sind die Klappen zuständig. Durch Veränderung des Winkels der Klappe werden unterschiedliche Abtriebskräfte erzielt – auch ein halbes Grad Unterschied hat Einfluss. Ein „schraubenzieherartiger“ Mechanismus erlaubt eine schnelle Anpassung der Klappe beim Boxenstopp. Ebenso kann das Verstellen des Klappenwinkels am Heckflügel den Abtrieb auf der Fahrzeugrückseite erhöhen oder verringern. Dank aerodynamischer Feinheiten können Ingenieure aus demselben Flügel unterschiedliche Leistung herausholen.

Obwohl die grundlegende Form und die gesamte Aerodynamik eines Autos am Computer entworfen wird, verbringen alle Teams während der Entwicklung viel Zeit im Windkanal. Dort werden mit einem Fahrzeugmodell unzählige Konfigurationen getestet. Hunderte aero­dy­na­mi­scher Varianten werden erprobt, um Auftriebs-/Luftwiderstandsverhältnisse zu verbessern, die Fahrzeughöhe zu optimieren und das Fahrwerk so einzustellen, dass die Aerodynamik in jeder Konfiguration bestmöglich funktioniert. Die Ergebnisse werden dabei gründlich kartiert.

Dasselbe Verfahren wird bei jedem neuen Flügeldesign oder jeder Fahrzeugkonfiguration angewendet. Für jede Konfiguration werden Regressionsmodelle erstellt, um aerodynamische Simulationen und Optimierungen zu ermöglichen. Die Aero-Karte zeigt, wie Flügelelemente und Fahrzeughöhe in verschiedenen Einstellungen auf Auftrieb und Luftwiderstand wirken. Alles wird genau dokumentiert und in Datentabellen festgehalten. Es gibt für jede Konfiguration eine eigene Aero-Karte.