De essentiële rol van de windtunnel in de Formule 1

Wat is een windtunnel?

Een windtunnel is een ruimte waarin F1-teams perfect kunnen simuleren hoe luchtstromen over de F1-auto lopen. De ruimte bestaat uit een grote, krachtige ventilator, een grote en brede draaiende band, een schaalmodel van de F1-auto en veel computers. Windtunnels werden in eerste instantie gebruikt door alleen de luchtvaartindustrie, maar F1-teams kwamen erachter dat de inzet van dit middel ook goed toegepast kon worden op hun bolides. Inmiddels worden windtunnels al vijftig jaar gebruikt in de koningsklasse van de autosport. Het team van Brabham was daarmee in 1964 de eerste renstal.

Waarom gebruiken F1-teams een windtunnel?

De Formule 1 is een sport waarbij tientallen slimme ontwerpers het opgestelde reglement van de FIA dag en nacht doorspitten. Het daarin opzoeken van de grens is als het ware een sport binnen de sport. Elke verandering zorgt wellicht voor een verbetering waardoor de auto net even die tiende van een seconde harder kan. Hier wordt het verschil gemaakt in winnen of verliezen, in een achtste of negende plek en uiteindelijk ook in vele miljoenen euro's prijzengeld. Met de simulatiedata wordt er gezocht naar een sterke combinatie tussen downforce en snelheid en of een concept of upgrade werkt. Hoe beter de aerodynamica, hoe meer grip. Het grootste doel: vertraging op rechte stukken zoveel mogelijk voorkomen, maar veel grip hebben in de bochten. Daarom kunnen ook bochten gesimuleerd worden.

Tekst gaat verder onder de foto

De buitenzijde van de windtunnel van Ferrari

Foto: Ferrari

De pre-season tests maken elk jaar een einde aan de winterstop. Voorheen hadden formaties voorafgaand aan het seizoen veel meer testdagen, maar dit is voor 2022 teruggebracht naar slechts zes stuks. Verder krijgen teams twee promotiedagen, wat doorgaans filmdagen worden genoemd, waarbij ze per keer slechts 100 kilometer mogen rijden op daarvoor speciaal gemaakte demobanden. Vrij testen mag al een heel lange periode niet meer. De Formule 1-teams hebben al met al niet veel baantijd tot hun beschikking om de auto verder te ontwikkelen en daarom gebruiken ze een windtunnel. Hier hangen echter wel weer strikte regels aan, waarover later meer.

F1-teams kijken veel naar elkaars product. Zo ging in bijvoorbeeld 2009 het technisch reglement ook over de kop. Brawn GP introduceerde, samen met Toyota en Williams, de dubbele diffuser. Hoewel dit in eerste instantie op weerstand kon rekenen van diverse teams, stond de FIA het geniaal bedachte idee toch toe. Dit hield in dat formaties zonder dubbele diffuser al achter stonden en meteen aan de slag konden gaan in het ontwerp van dit onderdeel. Een kwestie van copy/paste is voor de teams helaas niet mogelijk, omdat elke auto anders in elkaar steekt. Het component diende speciaal ontworpen en getest te worden. Dit gebeurde in de computer en natuurlijk in de windtunnel. De dubbele diffuser is slechts een van de creaties die is overgenomen door vele teams. De Formule 1 heeft een rijke geschiedenis aan nageaapte ontwerpen.

Hoe werken F1-teams met een windtunnel?

De teams plaatsen een schaalmodel van de auto op de draaiende band in het midden van de windtunnel, starten de ventilator en laten luchtstromen over de auto heengaan. Het schaalmodel heeft bij bijvoorbeeld Mercedes een centraal gedeelte van aluminium, zodat onderdelen snel verwisseld kunnen worden. Dit doen ze met een reden: mocht Mercedes een bepaald gebied op de auto anders willen en vervangen, dan heeft dat niet meteen effect op andere vlakken van de auto. De onderdelen voor het prototype worden gemaakt in de computer en 3D uitgeprint. Over het algemeen zijn de onderdelen van metaal. Het schaalmodel zit vol met sensoren zodat alles perfect gemeten kan worden. Bovendien is de rijhoogte en rolhoek van de F1-auto verstelbaar.

Tekst gaat verder onder de foto

De windtunnel van Mercedes met een schaalmodel

Foto: Mercedes AMG

Om alles uit de windtunnel te halen maakt bijvoorbeeld Aston Martin gebruik van een techniek die Particle Image Velosymmetry heet. Hierbij gebruikt het team kleine deeltjes, tracers genoemd, en blaast deze mee in de luchtstroom. De tracerdeeltjes volgen de aerodynamica van de auto. Met lasers en camera's worden deze deeltjes verlicht, waarna er in razend tempo veel foto's worden genomen. Op deze manier kunnen de specialisten de aerodynamica van de auto nog beter bestuderen.  

De simulaties in de windtunnel worden gedaan in combinatie met Computational Fluid Dynamics [CFD]. De F1-teams proberen hiermee in de computer op een complexe manier te voorspellen wat de luchtstroom gaat doen. De CFD is daarom een hulpmiddel in het ontwikkelen van de auto en van upgrades. In 2010 ontwikkelde Virgin Racing het aerodynamische design van de VR-01 compleet in CFD, ook om de kosten te drukken. Het team finishte puntloos als laatste in 2010.

Correlatie tussen windtunnel en baan

Ook al zou worden toegestaan dat F1-teams oneindig gebruik mogen maken van de windtunnel, dan nog kan het op de baan compleet verkeerd uitpakken. Het vergelijken van data uit de windtunnel en die van op de baan noemen we correlatie, een woord dat met name gedurende de wintertests geregeld valt. Tijdens de pre-season tests, maar soms ook in vrije trainingen, zien we F1-auto's met aero rakes op de baan. Deze aero rakes bevatten veel sensoren die constant de luchtstroom meten. Op deze manier wordt gekeken of de simulaties in de windtunnel en CFD overeenkomen met het echte werk. 

Dit gaat soms ontzettend mis, zoals bij Red Bull Racing in 2020. De prestaties van de RB16 op de baan kwamen niet overeen met wat de simulator in eerste instantie aangaf. Het kostte Red Bull Racing ontzettend veel tijd en energie om deze problemen op te lossen. Ook Ferrari overkwam dit in dat seizoen. Komt de data wel overeen, dan weet het team dat het verder kan borduren op het ontwerp.

Tekst gaat verder onder de foto

Max Verstappen met aero rakes op de Red Bull RB16B

Foto: Glenn Dunbar / Motorsport Images

Strikte regels in gebruik van een windtunnel

Het draaiende houden van een windtunnel is een hoge kostenpost voor de F1-teams. Het liefst laten ze deze dag en nacht lopen, zodat er constant gezocht wordt naar verbetering. Aan het gebruik van de windtunnel hangen daarom ook diverse regels, opgesteld door de FIA. Zo mag elk team slechts één windtunnel gebruiken, met uitzondering bij technisch malheur of als het doel is om te zoeken naar alternatieve windtunnels in verband met [langdurig] onderhoud.

Het schaalmodel mag niet groter zijn dan 60% van de originele F1-auto. F1-teams mogen twee schaalmodellen inzetten, maar deze pas na 24 uur verwisselen. De snelheid van de windtunnel mag niet hoger liggen dan 180 kilometer per uur. Een veel lagere snelheid dan F1-auto's op echte circuits rijden. Sinds 2021 is er ook een limiet aan de hoeveelheid tijd die je mag besteden in de windtunnel, dit hangt af van de positie in het constructeurskampioenschap. Het laagst geplaatste team mag 22.5% meer tijd doorbrengen in de windtunnel dan de formatie die eerste is geworden. Voor het F1-seizoen van 2022 is de FIA nog strenger geworden: dit percentage is nu opgerekt naar 45%. Er moet dus zo efficiënt mogelijk gewerkt worden.

Hebben alle F1-teams een eigen windtunnel?

Mercedes, Red Bull Racing, Ferrari, Alpine, Williams, Alfa Romeo en Aston Martin hebben elk een eigen windtunnel tot hun beschikking. Deze staan in de fabrieken van de teams. McLaren maakt op dit moment gebruik van de windtunnel van Toyota die in Keulen staat. Maar in verband met de nieuwe plannen is de Britse renstal ook druk bezig een spiksplinternieuwe windtunnel op te bouwen in het McLaren Technology Centre. AlphaTauri heeft afgelopen seizoen alles overgeheveld naar de faciliteit van grote broer Red Bull, terwijl Haas sinds de samenwerking met Ferrari gebruikmaakt van de mogelijkheden in Italië.