ECOLE DES MINES DOUAI

LHEUREUX Gary

ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

L’AERODYNAMIQUE, DE LA THEORIE AUX FORMULES UN (AERODYNAMICS, FROM THEORIES TO FORMULA ONES)

Promotion 2012 Année Scolaire 2008 - 2009

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Table des Matières :

Page 5 : Résumé et Mots Matières

Page 7 : Abstract and Keywords

Page 9 : Introduction Générale

Pages 11 à 23 : 1 ère partie : L’aérodynamique, une science au service d e l’automobile

- Introduction (p. 11)

- 1/ Modélisation de l’écoulement de l’air (p. 12)

- 2/ Unités, mesures et coefficients pour un écoulement d’air (p. 17)

- 3/ Etat actuel et futur des connaissances : Applications concrètes (p. 21)

Pages 25 à 35 : 2 ème partie : La Formule 1, une autre approche

- Introduction (p. 25)

- 1/ L’appui aérodynamique (p. 25)

- 2/ Description théorique des ailerons (p. 27)

- 3/ Etude aérodynamique globale de la Renault R28 (p. 29) • La partie avant (p. 29) • La partie arrière (p. 32) • Le dessous (p. 34)

Pages 37 à 44 : 3 ème partie : Une science en constante évolution

- Les évolutions les plus marquantes du passé (p. 38)

- Les évolutions de 2009 (p. 41)

Page 45 : Conclusion Générale

Page 47 : Bibliographie

Page 49 : Annexes

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Résumé :

La science gérant les écoulements d’air est complexe et globalement méconnue de la plupart des gens. Pourtant, appliquée à l’automobile, elle est d’une importance capitale. En effet, les conséquences de ces phénomènes sont très utilisées sur nos voitures quotidiennes. De fait, la distribution des pressions de l’air peut provoquer une force de portance sur la totalité du véhicule. Les concepteurs cherchent cependant parfois à simplement réduire sa traînée, c’est-à-dire sa résistance au flux d’air. Bien que peu d’applications concrètes soient actuellement mises en valeur par les constructeurs, le futur réservera de nombreuses surprises.

Les ingénieurs travaillant en Formule 1 sont eux confrontés à d’autres problèmes. Dans ce cas, les notions de confort et de coût sont effectivement réduites à leurs plus simples expressions. On cherche ici plutôt à améliorer les performances des monoplaces, en utilisant notamment l’air d’une manière radicalement différente. En appliquant une différence de pression à un aileron, celui-ci produit une force qui tend à le rapprocher du sol. Ce phénomène de déportance, ou d’appui aérodynamique, est très important sur une monoplace de F1. Il lui procurera en effet une excellente tenue de route. Ce sont ces contraintes différentes qui font que véhicules de série et Formule 1 ne partagent que peu de points communs à propos de l’aérodynamique.

On pourrait d’ailleurs croire que ces voitures ne sont soumises à aucune règle stricte, que leur développement n’est pas limité en quoi que ce soit, mais cela est faux. Dans la mesure où la Formule 1 est un sport, il est essentiel que toutes les équipes soient soumises à un règlement. Par le passé, cela empêcha certains constructeurs d’utiliser des technologies aérodynamiques jugées trop dangereuses, car rendant les monoplaces trop rapides. Pour 2009, une nouvelle règlementation a été mise en place dans le but de favoriser les dépassements en course. Les instances dirigeantes comptent obtenir cet effet en réduisant les appuis aérodynamiques des monoplaces… Il est cependant difficile de prévoir si l’objectif sera atteint.

Mots Matières :

- Mécanique des fluides

- Aérodynamique

- Voiture

- Formule 1

- Réglementation aérodynamique

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Abstract:

The science focusing on the way the air is moving is complex and globally unknown by many people. Yet it is of a capital importance when it is applied to cars. In fact, the consequences of these phenomena are often used on our daily vehicles. The repartition of the air pressures’ can produce a force which tends to move up the whole vehicle. But sometimes, the engineers are just trying to reduce the force that tends to avoid the car’s movement. Even though, only few concrete applications of these phenomena are showed by the manufacturers, the future does reserve many surprises.

The engineers working in Formula One are facing other problems. In that case, the notions of comfort and cost are quite reduced to nothing. They are there trying to improve the cars’ performance by a very different use of the air. In fact, when a difference of pressure is applied on an aerofoil, it is creating a force which tends to nearer its distance to the ground. This phenomenon is really important for a Formula One car, given that it is giving the vehicle a better road holding. Those different constraints do implicate that daily cars and F1 cars cannot share many common points in the field of aerodynamic.

Some people believe that those particular cars are not submitted to any strict rules, that their developments are not limited in any way, but this is false. Considering that Formula One is a sport, it is essential the various teams must respect a clear regulation. In the past, this drove some manufacturers to abandon aerodynamical technologies that were judged to be too dangerous, most of the time because they made the cars become too fast. For 2009, new rules have been decided in order to improve the cars’ capacities to overtake one another. This effect should appear thanks to a decrease of the aerodynamical forces’ of the vehicles. Yet predicating if the aim will be reached is really hard...

Key-Words:

- Fluids’ mechanics

- Aerodynamic

- Cars

- Formula One

- Aerodynamical regulations

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Introduction Générale :

Dans la brochure que le constructeur japonais Lexus a éditée pour son nouveau modèle IS, on peut lire que la face inférieure de celle-ci « présente un profil aérodynamique qui se base sur le même principe que celui utilisé en Formule 1 ». On constate qu’ici, la firme n’a pas de scrupules à utiliser la notoriété de la F1, ainsi qu’un argument technique qui en serait issu, pour promouvoir son nouveau modèle. [10]

Mais la comparaison avec la Formule 1 est-elle techniquement justifiée, ou n’est-elle utilisée qu’à des fins commerciales ?

Nous verrons qu’en fait, les problèmes aérodynamiques posés par un véhicule de série sont très différents de ceux posés par une monoplace de F1, et ce bien que l’air s’écoule toujours de la même façon !

Ce sont en fait les objectifs et les priorités qui différent grandement d’un cas à l’autre.

Figure 1 : Lexus IS 250 (photo constructe ur) [7] Figure 2: Toyota TF108 (photo constructeur) [8]

En premier lieu, nous étudierons la théorie qui explique les phénomènes aérodynamiques dans le cas d’un véhicule de série classique.

Ensuite, une deuxième partie sera plus spécifiquement consacrée à l’étude de l’aérodynamique d’une Formule 1, et nous verrons notamment les solutions que les ingénieurs mettent en œuvre pour améliorer la performance de leurs voitures.

Enfin, une troisième partie abordera l’aspect réglementaire entourant le développement des monoplaces dans ce domaine, puisque, bien qu’elles doivent être à la pointe de la technologie, les aérodynamiciens ne sont pas absolument libres…

Vous aurez ainsi toutes les clés pour mieux comprendre le fonctionnement aérodynamique de votre voiture.

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1ère partie : L’Aérodynamique, une science au service d e l’automobile [1]

Introduction :

Cela fait bien longtemps que l’Homme a commencé à s’intéresser à l’écoulement de l’air. Cela semble logique puisque c’est en effet l’élément qui nous entoure directement. Il a cependant fallu près de 5 000 ans pour passer de l’étude de ces phénomènes dans des cas simples, à leurs diverses applications, que ce soit dans le domaine de l’aviation, ou de l’automobile. C’est au XIXème siècle que la théorie scientifique leva les derniers obstacles aux progrès dans ce domaine. Depuis lors, les connaissances et les moyens techniques ont évolué de concert.

La gestion de l’écoulement de l’air sur des surfaces définies par l’Homme évolua par bonds successifs, à l’instar de n’importe quelle autre science. D’abord utile dans le domaine de l’aviation, elle fut ensuite appliquée à l’automobile. En effet, dès que les véhicules furent capables d’atteindre des vitesses suffisamment élevées, l’absence de carrosserie fit que les conducteurs sentaient l’air leur fouetter le visage. On a alors cherché à réduire la traînée par l’amélioration des formes de la voiture.

L’aérodynamique est le nom donné à cette science qui étudie donc les modifications que subit l’air lorsque qu’un corps solide le traverse, ou lorsqu’il s’écoule le long d’une surface quelconque. Mais au-delà de l’objectif initial de compréhension de ces phénomènes, l’aérodynamique est aujourd’hui également beaucoup utilisée en automobile pour en améliorer les performances ou le confort, voire à des fins commerciales (notamment lorsque la réduction des émissions polluantes de la voiture est évoquée).

Il est cependant intéressant de constater que malgré les nombreux développements apportés à l’informatique, l’aérodynamique reste une science éminemment empirique. Les équations gérant ces phénomènes pouvant vite devenir très complexes, seuls les cas simples peuvent être traités informatiquement. Il est de plus beaucoup plus simple de visualiser un écoulement précis pour en comprendre l’origine, et pour définir quelles solutions apporter.

Cela a fait que l’aérodynamique est souvent bien mystérieuse pour la plupart des gens. Nous verrons dans cette première partie la théorie qui entoure ces phénomènes, ainsi que les méthodes et techniques utilisées pour résoudre certains problèmes précis. Enfin, une troisième partie sera consacrée à l’état actuel des connaissances, ainsi qu’à leurs développements futurs. Pour cela, nous étudierons différents exemples précis.

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1/ Modélisation de l’écoulement de l’air :

On définit l’ensemble des forces s’opposant au mouvement d’un véhicule comme la somme de deux forces distinctes : la résistance au roulement qui est due aux frottements des pneumatiques sur le sol, et la traînée aérodynamique, qui est provoquée par la résistance du véhicule aux molécules d’air, qui doivent alors s’écarter devant lui. Cependant, alors que la traînée de roulement croît proportionnellement à la vitesse de la voiture, la résistance aérodynamique est, elle, proportionnelle au carré de la vitesse du véhicule. On estime d’ailleurs qu’à partir d’environ 65 km/h, c’est cette dernière qui est prépondérante.

Figure 3: Effet de la résistance aérodynamique et d e la résistance au roulement sur la puissance de la voiture [1]

La traînée aérodynamique est constituée de 5 composantes fondamentales :

• La traînée de forme :

Elle représente la résistance provoquée par la forme de base du véhicule : elle est donc fonction de ses proportions et de sa taille. On l’exprime par l’énergie requise pour séparer les molécules d’air lors du passage de la voiture. C’est pourquoi elle est influencée par la distance séparant les molécules, ainsi que par l’angle de déviation que leur impose le véhicule en question. Lorsque la voiture se déplace, et même sans tenir compte des autres turbulences qu’elle engendre, elle provoque une déviation de chaque molécule d’air selon une ligne. C’est la ligne de courant du filet d’air. Elle peut être déterminée visuellement, par exemple en utilisant de la fumée émise dans l’écoulement.

Figure 4: Ecoulement d'air autour d'une Mercedes SL R McLaren (photo constructeur) [8]

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Si l’écoulement est régulier, stabilisé et non perturbé, ces lignes de courant sont parallèles, et se rapprochent beaucoup les unes des autres à l’endroit du véhicule qui présente la section la plus importante. On appelle cette section la surface frontale du véhicule, ou son maître couple. Elle correspond à la projection de la trace du véhicule sur un plan perpendiculaire à son axe longitudinal. Des expériences ont montré que des solides disposant d’une même surface frontale, mais présentant des formes différentes, n’ont pas forcément la même traînée aérodynamique globale. Ceci est dû au fait que la déflection des filets d’air n’est pas la même d’une forme à l’autre… Ainsi, pour chaque forme particulière, l’énergie absorbée est différente. Par exemple, par rapport à une plaque plane placée face à l’écoulement de l’air, un cône d’angle au sommet 30° réduit presque la traîné e de moitié. De même, un profil en goutte d’eau génère environ 4 à 5 fois moins de traînée qu’un cône classique orientée face à l’écoulement. En effet, ce type de profil permet une séparation totale et sans turbulence des lignes de courant, on dit qu’il réunit les conditions d’un écoulement laminaire. Cependant, la carrosserie d’une voiture ne pourra jamais être totalement dépourvue d’aspérités qui dissocient les filets d’air, ou créent parfois de violents tourbillons. D’un point de vue énergétique, l’énergie qui est absorbée par ces divers remous doit évidemment être ajoutée à la traînée totale.

Figure 5: Schéma des forces s'opposant au mouvement d'un véhicule [1]

Le type d’écoulement autour de la carrosserie peut être prédéterminé avec exactitude, d’autant que les moyens mis en œuvre pour cela ont beaucoup évolué au fil du temps. On a d’abord pensé à utiliser des maquettes à l’échelle ½ que l’on plaçait dans une piscine. On identifiait alors les lignes de courant avec une solution colorée telle que le permanganate de potassium.

Par la suite, des bouts de laine étaient placés à différents endroits de la surface de la carrosserie. On faisait varier la vitesse de l’écoulement de l’air, puis on photographiait les bouts de laine. Leurs comportements dans le flux d’air permettaient alors de comprendre les phénomènes.

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Aujourd’hui, des logiciels de CFD (Computationnal Fluid Dynamics) viennent compléter les souffleries classiques afin de mesurer précisément la direction et la vitesse de l’écoulement en un point donné.

Figure 6: Exemple d’utilisation de la CFD en F1 (so urce: Wikipédia)

• La traînée de frottement :

Généralement, l’air est très peu visqueux, c’est-à-dire que la résistance qu’opposent les molècules quand on essaye de les dissocier est faible. Cependant, lorsqu’il est soumis à une forte pression, ces effets deviennent non négligeables. La traînée de frottement est la résistance aérodynamique provoquée par cette viscosité cinématique de l’air. On peut voir cela comme une sorte de frottement superficiel qui croît avec la taille de la surface exposée à l’écoulement de l’air. C’est pourquoi rallonger une voiture sans aucun autre changement provoque une augmentation de sa traînée totale. Les vitesses des molècules peuvent varier d’une couche à l’autre de l’écoulement d’un fluide : il y a alors un phénomène de cisaillement, comme lorsqu’un paquet de cartes glisse sur lui-même. Ce phénomène intervient lors du déplacement d’une voiture dans l’air : la vitesse de chacune de ces couches varie selon la distance à la carrosserie. Les molécules d’air auront alors tendance à migrer des plus rapides vers les plus lentes, ce qui entraîne un transfert d’énergie cinétique, et une transformation en énergie thermique. On définit l’épaisseur de la couche limite comme la distance entre la surface de la carrosserie et le point non perturbé le plus proche de cette dernière. On définit également le gradient de vitesse comme la variation de cette dernière perpendiculairement aux couches en déplacement. On remarque d’ailleurs que cette variation dépend de la valeur du frottement de l’air sur la carrosserie, et qu’elle peut devenir assez élevée pour créer des turbulences qui vont absorber de l’énergie.

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• La traînée induite :

Des expériences ont montré que des formes asymétriques qui se déplacent dans l’air créent des pressions elles-mêmes asymétriques. Cela engendre donc des forces verticales, généralement orientées vers le haut : on parle alors d’un phénomène de portance. L’apparition de ces forces requiert de l’énergie, ce qui provoque une augmentation de la traînée aérodynamique : c’est la traînée de portance induite. On peut également dire que cette force n’est finalement que la composante horizontale de la poussée aérodynamique. A la manière d’une aile d’avion, les vitesses d’écoulement différentes entre le dessus et le dessous de la carrosserie provoquent une différence de pression qui a tendance à soulever la voiture. On verra qu’il existe des techniques permettant de réduire cette portance, voire de la rendre négative. On parlera alors de déportance. En automobile, cette différence de vitesse est en fait obtenue par l’accélération des flux d’air passant au dessus de la voiture. En effet, ce flux d’air a une distance à parcourir plus longue que celui passant au dessous du véhicule. La différence de pression s’explique alors par la dépression subie par l’air accéléré. Les conséquences de ce phénomène ne sont heureusement pas inquiétantes pour le conducteur avant environ 100 km/h. Au-delà de cette limite, on constate un effet d’allègement de la direction, et le véhicule est alors susceptible d’être déstabilisé par le vent latéral, ce qui peut se traduire par de légères déviations de trajectoire.

• La traînée d’interférence :

L’ajout d’éléments et d’équipements sur une carrosserie lissée et bien profilée provoque un nouveau type de traînée : la traînée d’interférence. En effet, des accessoires aussi divers qu’une plaque minéralogique, une antenne radio ou encore une poignée de porte sont au contact de l’air et interfèrent avec lui. Cela crée des turbulences et des remous qui absorbent de l’énergie. De même, certains gestes quotidiens simples peuvent provoquer une augmentation importante de la traînée : baisser la vitre en été par exemple, ou encore installer une galerie de toit.

Figure 7: Aileron arrière et soubassement aérodynam ique de la Lexus IS [10]

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Des traînées d’interférence sont également créées sous le plancher de la voiture par certaines pièces mécaniques : on peut citer le système d’échappement, les suspensions… On note à ce propos que des réductions significatives de la valeur de la traînée peuvent être réalisées en utilisant des éléments aux formes profilées, ou en positionnant le plus d’éléments possibles hors de la zone d’écoulement de l’air… Aujourd’hui, certains constructeurs commencent à y penser : Lexus par exemple avec son IS a fait un effort à ce niveau. [10]

• La traînée interne :

Lorsqu’une voiture roule, l’air ne passe pas seulement autour de celle-ci, il passe également dedans. Il est notamment mis à contribution pour faire fonctionner des éléments mécaniques indispensables au bon fonctionnement du véhicule : le refroidissement du moteur, ou du liquide de freins par exemple. Il est aussi utilisé pour des éléments de confort tels que la climatisation. Ces flux d’air génèrent également un autre type de traînée, appelée traînée interne. Le dessin de ces prises d’air est important, pour des raisons de bon fonctionnement de la voiture. C’est généralement l’un des points qui est défini très tôt dans le processus de conception d’un nouveau modèle… C’est d’abord la fonction qui décide de la forme de ces éléments, plus que leurs aspects aérodynamiques ou esthétiques. Cela explique pourquoi on peut rarement faire beaucoup de choses pour réduire cette forme de traînée, et ce, bien que des gains importants peuvent être réalisés dans ce domaine.

Aujourd’hui, certaines automobiles sont conçues en gardant ces gains à l’esprit et en essayant de les obtenir. On nous explique sur la brochure ci-dessous que « l’aérodynamique améliorée est l’un des volets du programme BlueEFFICIENCY ; disponible depuis Juin 2008, par exemple sur la Classe C » [11].

Figure 8: Mercedes-Benz Classe C BlueEFFICIENCY [11 ]

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2/ Unités, mesures et coefficients pour un écoulement d’air :

Les fluides ont la propriété de ne pas avoir de forme propre, ils peuvent donc facilement s’écouler en se déformant. Quand les solides se déforment sous des actions extérieures créant des tensions internes, les fluides proposent au contraire une résistance faible. Au repos, les fluides ne sont soumis à aucune tension interne.

Bien que les liquides et les gaz soient tous deux classés comme fluides, les gaz sont plus faciles à comprimer et à détendre. Ils peuvent aisément prendre place dans un volume imposé. Je rappelle que l’air est globalement constitué de 80 % de diazote et de 20% de dioxygène. En tant que tel, il se comporte comme n’importe quel autre gaz.

En considérant que l’énergie ne peut être ni détruite ni créée, mais seulement échangée d’un corps à un autre, ou transformée d’une forme à une autre, la physique des mouvements de l’écoulement de l’air est régie par une loi simple : la loi de Bernoulli. Elle postule que dans un fluide en mouvement, l’énergie totale par unité de masse le long d’une ligne de courant est constante. Elle est égale à la somme de l’énergie potentielle, de l’énergie due aux forces de pression, et de l’énergie cinétique.

On déduit de cette loi qu’à une température donnée, la somme des pressions statiques et dynamiques de l’air doit toujours être constante. La pression dynamique de l’air est définie par la moitié du produit de sa masse volumique par le carré de sa vitesse. Cela donne les équations suivantes :

p + q = k q = ½. ρ. v²

p = pression statique q = pression dynamique

k = constante ρ = masse volumique de l’air

v = vitesse d’écoulement de l’air

Le vecteur résultant de la somme des pressions dynamiques est décomposable en 3 composantes dans une base orthonormée directe classique : Ox, Oy, et Oz. Ces composantes sont alors considérées comme des forces et des moments classiques. La résistance aérodynamique Rx (ou force totale de traînée) est alors la totalité de la force horizontale qu’oppose l’atmosphère au mouvement du véhicule. Elle est proportionnelle à la pression dynamique de l’air (donc au carré de la vitesse), à la surface frontale du maître couple, et à un coefficient de forme, sans dimension, désigné habituellement par le symbole Cx.

Il n’existe pas réellement de méthode facile pour calculer ce coefficient de forme. Le meilleur moyen d’avoir un résultat exact est d’effectuer expérimentalement les mesures des forces de traînée, dans une soufflerie. Avec la formule Rx = Cx.S.q, le coefficient de forme est facilement obtenu en connaissant la surface du maître couple, la force de traînée, et la pression dynamique.

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Les coefficients de forme sont compris entre 0,05, pour une forme d’aile pure, et jusqu’à plus de 1, pour un parachute par exemple. Aujourd’hui, il est difficile de connaître la valeur des Cx de nos voitures. Généralement, les valeurs connues sont celles fournies par les constructeurs, qui n’ont aucune obligation de le faire. A titre d’exemple, Lexus communique un « coefficient de pénétration dans l’air record de 0,27 », ce qui est effectivement une bonne valeur.

Figure 9: Schéma expliquant le calcul de la résulta nte totale de traînée F [1]

• Portance et déportance :

On a vu dans la partie traitant de la traînée induite qu’il existe des phénomènes de portance ou de déportance sur un véhicule, et que ces effets peuvent être interprétés comme la composante verticale de la traînée aérodynamique globale. Il se peut également que cette force globale dispose d’une composante latérale, que l’on appelle alors « force transversale ». Elle tend logiquement à déporter latéralement le véhicule.

On définit le centre de poussée comme étant le point d’action fictif des forces aérodynamiques. Quand celui-ci n’est pas coïncident avec le centre de gravité du véhicule, les efforts aérodynamiques produisent des moments. Selon la position de ces derniers autour de l’axe Ox, Oy ou Oz, ils portent des noms différents. On parle de moments de roulis dans le premier cas, de moments de galop dans le second, et de moments de lacet (ou giration) dans le dernier. On voit donc que, d’un point de vue aérodynamique, la carrosserie d’une voiture est soumise à 6 composantes distinctes : 3 forces et 3 moments.

L’étude de ces effets se simplifie en considérant que toutes les forces autres que celles ayant trait à l’aérodynamique se concentrent au centre de gravité du véhicule, même si, dans la pratique, cela n’est pas vérifié. On calcule la position du centre de poussée dans une soufflerie, en mesurant les moments des forces en question tout en faisant varier les efforts. Le point précis où est situé ce centre de poussée se trouve étape par étape. On détermine d’abord sa position latérale, qui doit être très proche de l’axe longitudinal de la voiture. Ensuite, en considérant les moments de roulis et de lacet, on définit respectivement sa position verticale et longitudinale. Une connaissance aussi précise que possible de ce centre de poussée est nécessaire aux études sur la stabilité du véhicule.

On sait que, par définition, les moments aérodynamiques sont nuls en ce point. Cependant, en tout autre point, il existe des moments qui dépendent de la force appliquée et de la distance. Ceci explique l’importance que revêtent les positions relatives du centre de poussée et du centre de gravité du véhicule dans le cadre d’une étude dynamique. En

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simplifiant, une forme qui présente un centre de poussée situé en arrière du centre de gravité, est stable, alors que dans le cas contraire, elle sera instable. Affiner la position du centre de poussée afin d’améliorer la stabilité du véhicule est d’ailleurs l’un des rôles les plus importants d’un ingénieur aérodynamicien.

• Le nombre de Reynolds :

Par ailleurs, dans certains cas, il peut être intéressant de lier les effets de la vitesse à l’échelle d’une maquette. C’est le professeur Osborne Reynolds qui proposa en premier une loi régissant le comportement dynamique des fluides. Bien que ses travaux fussent réalisés en 1883, ils sont toujours d’actualité aujourd’hui. Il définit un coefficient appelé « nombre de Reynolds » permettant la comparaison des effets du facteur d’échelle et de la vitesse lors d’équivalences aérodynamiques. Ce nombre sans dimension est le produit d’une longueur de référence du véhicule par sa vitesse, divisé par le coefficient de viscosité cinématique de l’air.

Des expériences ont montré que certaines formes disposent de différents modèles d’écoulement de l’air en fonction de la vitesse. C’est pourquoi il est important de mesurer les caractéristiques aérodynamiques sur un large domaine de vitesse. Cependant, certains effets ne sont pas prévisibles. Il se peut par exemple qu’un coefficient de forme mesuré à 100 km/h ne soit pas valable à la vitesse maximale de la voiture. Dans ce cas, les effets des moments de lacet, et de portance, peuvent soudainement augmenter dès qu’une vitesse spécifique est atteinte. Ces changements bien connus sont regroupés sous le nom d’effets de Reynolds.

• Dérapage et effets des forces transversales :

Les forces aérodynamiques n’engendrent que des forces verticales dans le cas où les filets d’air sont dirigés face au véhicule et que l’air ambiant est calme. Du fait que l’air se partage symétriquement par rapport à l’axe longitudinal de la voiture, la résultante des forces transversales est nulle. Mais dans la réalité, ces conditions sont rarement réunies : l’air n’est en effet quasiment jamais parfaitement calme. De plus, à haute vitesse, le glissement des pneus sur la route fait que le véhicule ne va pas précisément là où il devrait aller.

On définit alors l’angle de dérapage comme l’angle existant entre la direction du mouvement du véhicule et celle de l’air. Lorsque cet angle atteint une valeur importante, l’écoulement de l’air sur le véhicule devient asymétrique par rapport à l’axe longitudinal. Il y a alors apparition d’une force transversale. On simplifie l’étude de ces phénomènes en ramenant la résultante globale des forces aérodynamiques aux trois seules forces de traînée, de portance et d’effort transversal, et en considérant qu’elles sont toutes appliquées au centre de poussée.

Sur les voitures de série, l’angle de dérapage et les effets qu’il provoque sont principalement causés par le vent. Dès qu’un angle apparaît entre la direction de ce dernier et le mouvement du véhicule, des efforts latéraux, et donc des effets de lacet, apparaissent. Par conséquent, tous les vents transversaux (ou traversiers) ont un impact sur les forces de traînée et de portance, et ce, quel que soit leur angle de dérapage par rapport à la direction du flux principal de l’écoulement de l’air sur la voiture.

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Prenons l’exemple d’un véhicule se déplaçant à environ 100 km/h, et soumis à un vent soufflant à 16 km/h sous un angle de 90°. L’éc oulement de l’air sur ce véhicule a alors un angle de dérapage d’approximativement 9°. Si mai ntenant le vent souffle à 45°, cet angle décroît à environ 4°, mais si sa vitesse augmente j usqu’à une cinquantaine de kilomètres par heure, l’angle de dérapage pourra atteindre environ 12°.

On reproduit aisément ces conditions en soufflerie, puisqu’il suffit de faire pivoter la maquette sur elle-même dans l’écoulement. Les ingénieurs consacrent une part importante à la réduction des effets qu’ont les modifications de l’angle de dérapage sur un véhicule lors de sa conception. Bien souvent, le conducteur ressent ces phénomènes par une réduction de la puissance, et donc des performances du véhicule, en cas de vent.

C’est principalement le coefficient de traînée latérale Cy qui définit les modifications induites par l’angle de dérapage. Lors des prémices de l’étude d’une voiture, on peut avoir une idée de ces effets en testant une maquette sous différents angles d’écoulement de l’air. Par la suite, la forme globale pourra être affinée afin d’obtenir les conditions optimales d’écoulement. Cependant, de nombreuses contraintes de développement empêchent les concepteurs de réduire les surfaces latérales autant qu’ils le voudraient. Ils devront parfois se concentrer sur de petits détails, qui peuvent toutefois apporter des effets significatifs.

Sur le schéma ci-dessous, on a résumé les différents effets aérodynamiques s’appliquant à un véhicule : Fz représente les forces verticales, Fy les forces transversales qui existent lorsque le vent de vitesse V présente une composante transversale Vw. Les angles de dérapage sur chacun des côtés de la voiture apparaissent plus clairement. Les moments de roulis, de galop, et de lacet sont respectivement notés RM, PM et YM. Ils sont générés par l’action des forces exercées sur le centre de poussée aérodynamique CP par rapport au centre de gravité.

Figure 10: Schéma résumant les effets aérodynamique s subit par le véhicule [1]

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3/ Etat actuel et futur des connaissances : applications concrètes :

Aujourd’hui, les constructeurs ont pris conscience de l’importance des effets aérodynamiques qui touchent leurs voitures, et commencent à prendre en compte ces phénomènes lors de la conception de leurs nouveaux modèles. En effet, en ces temps de crise économique et de protection de l’environnement (réduction des gaz à effet de serre…), il peut être intéressant de concevoir une voiture disposant d’une aérodynamique efficace. Une voiture présentant une moindre résistance à l’air, c’est-à-dire une moindre traînée, demandera moins d’énergie au moteur pour des performances qui au final seront équivalentes.

On note d’ailleurs à ce propos que certains constructeurs ne se gênent pas pour utiliser ces arguments à titre commercial. Des publicités du type : « Mon modèle consomme moins que les autres, et ce grâce à une aérodynamique améliorée » ne sont aujourd’hui pas rares. Mercedes-Benz en fourni d’ailleurs un bel exemple dans sa brochure concernant les réductions nécessaires des émissions polluantes, à propos de leur modèle de Classe C version BlueEFFICIENCY, que j’ai déjà évoqué.

Selon le constructeur, ce modèle propose des économies de carburant de l’ordre de 12 % au total par rapport à une Classe C équivalente. Dans ce bilan global, l’amélioration de l’aérodynamique permet une économie d’environ 1,2 %. Pour cela, cette version est équipée de rétroviseurs extérieurs aérodynamiques, de jointures étanches au niveau des phares, ainsi que d’un carénage complet du compartiment moteur et du soubassement. Les ingénieurs ont également pensé à un « volet de radiateur » qui ferme l’ouverture derrière la calandre quand la température du moteur est faible. [11]

D’autres raisons peuvent motiver une recherche aérodynamique poussée de la part d’un constructeur, la recherche de la performance par exemple. En effet, un soubassement profilé améliore le comportement routier de la voiture, par réduction de la portance. La stabilité du véhicule à haute vitesse sera ainsi améliorée.

• Les progrès à venir [9] :

Mais le futur de l’automobile est plus souvent mis en évidence sur des modèles uniques appelés concept-cars, que présentent les constructeurs dans les diverses manifestations internationales. Ainsi, le fabricant suédois Saab a dévoilé lors du Mondial de l’Automobile de Paris 2008 le concept 9-X Air :

Figure 11: Saab 9-X Air (photo constructeur) [7]

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Saab est un constructeur qui dispose d’un héritage aéronautique fort, du fait qu’il a construit également des avions. Sa légitimité dans le domaine de la gestion des écoulements d’air n’est donc plus à prouver. Dans le cas de ce concept découvrable qui préfigure le futur petit modèle de la gamme, les ingénieurs ont cherché à créer un habitacle confortable, en minimisant les remous d’air dans l’habitacle. Pour cela, outre une capote d’un nouveau genre qui se replie sur le coffre, et dont seul le dessus est en toile, des innovations aérodynamiques ont été imaginées.

Quand la capote s’ouvre, de petits déflecteurs asservis à la vitesse du véhicule pivotent dans le même temps à la partie supérieure du pare-brise. Le but de ces déflecteurs est de dévier le flux d’air au dessus des sièges de l’habitacle. Dans le même ordre d’idée, la lunette arrière peut remonter et servir là encore de déflecteur, afin de dévier le remous d’air arrière. Lorsque des éléments aérodynamiques sont asservis à la vitesse, comme ici, on parle d’aérodynamique active.

Figure 12: Saab 9-X Air, vue de dessus, avec annota tions [9]

Mais en regardant cette voiture de plus près, on constate que de nombreux autres efforts ont été effectués dans le but d’améliorer la pénétration de la voiture dans l’air. La carrosserie présente une forme générale très lisse, visuellement très épurée avec peu d’éléments en saillie de la carrosserie. Le pare-brise participe à cet effet en étant profilé. On constate de même que les rétroviseurs ont disparu au profit de petites caméras. Cela réduit l’importante traînée d’interférence habituellement provoquée par ces éléments.

La réduction de ce type de traînée sur ce concept passe également par la disparition des diverses antennes, comme celle de l’autoradio, ou du GPS, qui sont désormais intégrées dans le verre de la lunette arrière. On remarque que les boucliers sont lissés, et font partie intégrante de la carrosserie. Cela permet de supprimer les disgracieuses baguettes latérales, qui n’étaient pas d’une grande efficacité aérodynamique.

Les concepteurs ont également fait disparaître les poignées de portes. L’ouverture des portières de la voiture se fait grâce à un petit bouton que l’on trouve sur la dite portière.

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La forme des roues permet de générer un effet de déportance. C’est habituellement l’un des éléments dont la taille et la fonction provoquent par nature beaucoup de turbulences aérodynamiques, créées par le mouvement de rotation de la roue. C’est l’un des domaines où les constructeurs pourraient réaliser facilement des gains aérodynamiques non négligeables puisqu’une simple réduction de la taille peut déjà s’avérer suffisante. Mais l’aspect esthétique entre alors en ligne de compte…

On note aussi qu’une étude a été effectuée au niveau de l’intégration des phares avant, ils ont été conçus pour épouser parfaitement les formes de la carrosserie. Il en va de même pour les prises d’air qui sont bien profilées.

Dans un avenir plus lointain, on pourra imaginer des voitures disposant d’une aérodynamique révolutionnaire. L’avènement de nouveaux modes de propulsion tels que les moteurs électriques ou fonctionnant à l’hydrogène libéreront les designers des contraintes habituelles. Les moteurs pourront en effet être plus petits, on pourra les loger dans les roues, ou carrément dans le plancher. Cela permettra d’oublier toute idée de capot, et permettra de redéfinir complètement l’automobile…

• Pourquoi ne pas appliquer ces innovations dès maintenant ?

Les projets évoqués à l’instant ne seront malheureusement pas disponibles avant encore sans doute plusieurs années. Bien que les technologies soient parfaitement connues, on sait par exemple faire fonctionner un moteur à hydrogène depuis bien longtemps, elles sont encore très chères et leur industrialisation demande beaucoup de temps…

C’est là l’un des problèmes les plus contraignants. La conception d’une automobile nécessite de définir un cahier des charges précis et ordonné. Généralement, le coût et les contraintes mécaniques passent avant tout le reste.

Les concepteurs pourraient définir une voiture aérodynamique aujourd’hui, utiliser un petit moteur pour réduire la taille du capot avant, et améliorer le coefficient de pénétration dans l’air du véhicule. Le problème des ingénieurs est alors d’avoir le feu vert des décideurs de l’entreprise. Ils doivent définir si une telle voiture pourrait se vendre, et à quel prix ?

Seriez-vous actuellement prêt à dépenser plus que prévu pour une voiture, afin qu’elle soit moins polluante, ou plus aérodynamique ?

A cette question, la plupart des gens répondraient que non, en disant qu’ils ont d’autres priorités. En revanche, les gens qui ont réussi financièrement, se permettraient peut-être de dépenser beaucoup d’argent dans une voiture.

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D’ailleurs, quitte à vraiment se faire plaisir, sans regarder à la dépense, pourquoi ne pas acheter une Ferrari ? L’aura de la marque en Formule 1, et la certitude qu’il existe un véritable transfert de technologie, y compris au niveau aérodynamique, entre véhicules de compétition et de production nous convaincraient peut-être plus certainement. Dans ce cas précis, c’est la recherche de la performance qui est motivante…

Définir l’importance de l’aérodynamique dans les performances des monoplaces de F1 est l’objet de la deuxième partie.

Figure 13: Ferrari F60 & Ferrari Scuderia Spider 16 M (photos constructeurs) [8] & [7]

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2ème partie : La Formule 1, Une autre approche [2] :

Introduction :

Aujourd’hui, la Formule 1 est considérée comme un sport-spectacle où les meilleurs pilotes s’affrontent sur les circuits au volant de voitures considérées comme les plus performantes au monde. Parmi les multiples raisons qui font que ces voitures peuvent être considérées comme telles, nous essaierons de déterminer quelle est la part de l’aérodynamique, et nous verrons comment cela se traduit sur les véhicules en eux-mêmes. Les Formule 1 arborent en effet de multiples ailerons, mais peu de personnes savent réellement à quoi ils servent.

En premier lieu, nous comprendrons quelles sont les particularités de l’aérodynamique et des mécanismes d’écoulement de l’air utiles en F1.

1/ L’appui aérodynamique :

Ce sont deux phénomènes proches et parfaitement connus qui ont en premier lieu incités les concepteurs de Formule 1 à utiliser l’air pour améliorer le comportement routier de leurs voitures. Nous avons étudié dans la 1ère partie le premier de ces deux phénomènes : il s’agit des forces aérodynamiques s’exerçant indifféremment sur n’importe quel objet se déplaçant dans l’air à même le sol. Rappelons ici qu’elles se décomposent en 2 actions : la traînée et la portance.

En Formule 1, la portance est un phénomène qu’il faut absolument éviter, sous peine de décollage de la voiture. Les vitesses atteintes sont en effet beaucoup plus importantes que sur un véhicule de série. C’est pourquoi on va chercher au contraire à appliquer une charge à la monoplace, en utilisant des ailerons, qui fonctionneront comme une aile d’avion inversée. Au lieu d’accélérer l’air passant sur la face supérieure, on accélérera celui passant sur la face inférieure. La surpression sera alors située sur le dessus de l’aileron, ce qui créera l’appui recherché.

Figure 14: Bilan des forces aérodynamiques sur un a ileron [2]

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On note au passage que la formule permettant de calculer l’appui aérodynamique Fz sur un aileron est la même que dans le cas d’une voiture de série :

Fz = ½. ρ. S. Cz. v²

Avec ρ, la masse volumique de l’air ; S, le maître couple, c’est-à-dire la surface de l’aileron projetée sur un plan perpendiculaire à l’écoulement ; v, la vitesse de l’air autour de la monoplace ; et Cz, un coefficient sans dimension. On reconnaît la pression dynamique :

q = ½. ρ. v²

Cependant, dans le cas d’une monoplace de F1, le fait que l’appui aérodynamique dépende du carré de la vitesse conduit à des paradoxes. Un pilote qui ne pourra par exemple pas prendre un virage à 180 km/h, pourra tourner facilement s’il arrive à 250 km/h. L’écart de vitesse permet en effet de donner à la voiture l’appui aérodynamique nécessaire… On remarque également que la traînée générée par une monoplace de F1 est très importante. Lorsqu’un pilote arrête simplement d’accélérer à 300 km/h, la décélération subie est de l’ordre de 1 g, soit autant qu’un freinage d’urgence sur une voiture de série.

Le deuxième phénomène qui va justifier l’application d’une charge sur une monoplace de F1 est la notion d’adhérence, ou de grip. Les lois de Coulomb postulent en effet que, quand il y a contact entre deux solides, le mouvement de l’un par rapport à l’autre produit une force de frottement. Appliquées aux pneus d’une monoplace de F1, cela se traduit par le fait que plus la charge verticale est importante, plus la force dans le plan tangent entre la roue et la piste peut être importante, sans que la voiture ne glisse.

Le problème est que les vitesses atteintes en virage par les F1 font qu’il est nécessaire de prendre en compte l’impact de la force centrifuge. Celle-ci tend à déporter la voiture vers l’extérieur du virage, et augmente avec la vitesse. Au final, pour un virage et un pneu donné, plus la charge appliquée sur la voiture est importante, et plus la vitesse de passage dans cette courbe pourra être élevée.

La charge aérodynamique peut donc engendrer que la force assurant l’adhérence du véhicule sur la piste soit supérieure au poids apparent (poids du véhicule ± la déportance ou la portance). Cela explique pourquoi l’accélération centrifuge et la décélération en freinage puissent dépasser 4,5 g sur monoplace de F1, alors qu’une voiture de série ne dépassera que rarement 1 g (au-delà, il y a glissement).

On pourrait penser à rajouter de la masse à la monoplace, au lieu d’utiliser les forces aérodynamiques. Cela augmenterait également la charge, et donc l’adhérence des pneus. Mais cette solution provoquerait dans le même temps une augmentation de l’inertie qui pénaliserait beaucoup la voiture. Elle aurait en effet des capacités d’accélération et de freinage plus faibles. De plus, cela nuirait à la vitesse en courbe par augmentation de la force centrifuge. L’avantage des charges aérodynamiques est, justement, le fait qu’elles soient fictives, c’est-à-dire que ce ne sont pas des charges réelles, et qu’elles n’ont par conséquent aucune influence sur l’inertie de la voiture.

La compréhension des phénomènes aérodynamiques en F1 nécessite la prise en compte d'une autre notion. Lorsque la vitesse d’un écoulement d’air augmente, la pression

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statique diminue. C’est de cette loi que les ingénieurs déduisent la forme précise que les ailerons doivent adopter pour obtenir une efficacité maximale.

En F1, les ingénieurs parlent rarement de la traînée ou de l’appui séparément. Ils préfèrent les associer à travers le rapport L/D, appelé efficacité aérodynamique, où L représente l’appui aérodynamique (Lift en anglais) et D, la traînée (Drag en anglais). En moyenne, pour une monoplace de Formule 1, ce rapport est d’environ 3.

On retrouve au passage la loi de Bernoulli, qui lie la vitesse du flux d’air à sa pression, sous une forme légèrement différente. Rappelons qu’elle postule que dans le cas d’un écoulement d’air incompressible, sans turbulence, et indépendant du temps, on a :

P/ρ + v² + g.z = cste

P : pression ρ : masse volumique de l’air v : vitesse de l’écoulement g : constante de gravitation

z : hauteur par rapport à un plan de référence

Il est amusant de constater qu’en théorie, l’appui aérodynamique que génère une F1 à pleine vitesse peut atteindre jusqu’à environ 2,5 fois sa masse. Elle pourrait donc rouler sans difficulté sur le plafond du tunnel du circuit de Monaco... La comparaison avec un véhicule de série est impossible dans la mesure où, même sur des modèles très sportifs, les ingénieurs ne cherchent pas à créer de l’appui aérodynamique (la consommation s’envolerait…) mais à limiter la portance. D’ailleurs, le Cx d’une voiture de série est d’environ 0,30 alors que celui d’une Formule 1 est proche de 1…

2/ Description théorique des ailerons :

Avant d’entrer en détail dans les propriétés aérodynamiques d’une monoplace de F1, prenons le temps de bien comprendre la terminologie utilisée dans le cas d’un aileron.

Figure 15: Terminologie utilisée pour un aileron [2 ]

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L’extrados correspond à la surface où la vitesse de l’air est la plus élevée, par opposition à l’intrados, qui correspond donc à la surface où cette vitesse est la plus faible. A condition de rester dans le cadre défini par la réglementation, tous les paramètres de l’aileron peuvent être modifiés. Cependant, il n’y a que l’angle d’incidence qui peut être facilement changé, puisque tous les autres paramètres nécessitent une nouvelle conception de l’aileron pour être améliorés. En F1, le profil des ailerons est complexe. En effet, leurs cordes, leurs courbures et leurs finesses ne sont pas constantes.

Figure 16: Allure de l'influence de la forme de l'a ileron sur l'appui aérodynamique [2]

Le diagramme ci-dessus montre l’influence de la forme et de l’incidence de l’aileron sur l’appui qu’il peut fournir. On constate qu’un aileron symétrique utilisé avec un angle d’incidence nul ne procure aucune déportance. Ceci est dû au fait que la symétrie des flux d’air est parfaite, ce qui ne peut créer aucune dépression sous l’aileron. En revanche, un aileron asymétrique, donc conçu de manière à accélérer le flux d’air qui lui passe dessous, procure de l’appui aérodynamique, et ce même pour de faibles angles d’incidence négative. On note enfin qu’au dessus d’une certaine valeur de ce paramètre, l’aileron ne fournit plus d’appui. Cela s’explique par un décollement de la couche limite, causé par une trop forte inclinaison de l’aileron. On appelle ce phénomène le décrochage de l’aileron.

Cet effet au dû à la viscosité de l’air, que j’ai déjà évoqué dans la 1ère partie : c’est la cohésion qui existe entre les molécules qui le constituent. Celles-ci adhérent également aux surfaces avec lesquelles elles sont en contact. On met en évidence en réalisant le diagramme des vitesses d’un écoulement sur une plaque qu’à son contact, le fluide ne bouge pas. On rappelle que la couche limite est, par définition, l’épaisseur d’air où sa vitesse est inférieure à 99% de v, v étant la vitesse de la monoplace.

Figure 17: Dessin explicatif de la couche limite [2 ]

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L’une des conséquences de l’adhérence de cette couche limite est l’apparition d’une traînée de surface, qui s’oppose au déplacement de la Formule 1. Il existe plusieurs formes de couche limite : elle est qualifiée de laminaire lorsque les molécules d’air glissent parallèlement les unes sur les autres ; de turbulente lorsque les vitesses de l’air ont des directions différentes ; ou encore de décollée lorsque les molècules d’air en contact avec un obstacle se détachent.

3/ Etude aérodynamique globale de la Renault R28 :

L’aérodynamique d’une monoplace de F1 se divise communément en 3 parties : on considère l’avant de la monoplace, à savoir la zone située devant le pilote ; l’arrière de la monoplace, qui est, par opposition, située derrière le conducteur ; et le dessous de la voiture, c’est-à-dire son soubassement. La distinction effectuée entre l’avant et l’arrière du véhicule se justifie par les rôles différents qu’ont les trains avant et arrière. En effet, l’avant est chargé de diriger la monoplace, alors que l’arrière s’occupe de la propulser. La maniabilité d’une F1 sera par conséquent très liée à l’appui généré par l’aileron avant, tandis que sa motricité sera déterminée par la déportance créée sur les roues postérieures. Dans toute la suite de cette partie, j’ai choisi de prendre l’exemple de la monoplace qu’utilisait l’équipe Renault de F1 durant la saison 2008 : la R28. Cela permettra une plus grande cohérence dans les explications, et la compréhension de cette partie s’en trouvera grandement améliorée. De plus, elle fut utilisée par un team français, dont la réussite me tient à cœur… Toutes les photos utilisées furent prises par l’équipe elle-même. Le lecteur trouvera en annexe une vue d’ensemble de tous les éléments aérodynamiques définis par la suite.

- L’avant de la monoplace :

C’est sans doute la partie la plus importante de la monoplace puisqu’elle détermine l’efficacité globale de la voiture. On a coutume de dire qu’une F1 dont l’avant n’est pas réussi pourra difficilement être améliorée au cours de la saison. En effet, c’est la combinaison de l’aileron avant et du museau de la monoplace qui dirige l’air sous, sur et autour de la voiture.

Figure 18: Aileron avant et museau [8]

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La distance entre l’aileron avant et le sol est capitale. Plus il en sera proche, et plus son efficacité sera importante. Les équations de Bernoulli postulent en effet que plus la vitesse de l’air est élevée, plus la dépression créée est importante. Or, cette vitesse augmente à mesure que l’espace dont dispose l’air pour circuler est faible. On constate que cette distance peut environ faire varier d’un facteur 3 l’appui aérodynamique que fournit l’aileron avant. Il est cependant néfaste de trop approcher l’aileron de la piste, puisque la couche limite pourrait alors venir perturber le bon écoulement du flux d’air, et donc limiter l’appui fourni par l’aileron en question.

Cette dépendance vis-à-vis du sol peut entraîner des variations importantes de la déportance, d’autant que la piste n’est que rarement exempte d’irrégularités ou de bosses. On remarque à ce propos que, plus l’aileron est relativement éloignée de la route, moins il est sensible à ces indésirables variations, et meilleure est la stabilité de la monoplace.

Le museau est la partie de la voiture qui est située entre l’aileron et les suspensions avant. On l’appelle parfois le nez de la monoplace. C’est une partie qui diffère grandement d’une F1 à une autre. La théorie postule que plus ce museau est éloigné de l’aileron avant, plus le volume d’air s’engouffrant sous la voiture est important. Le gain aérodynamique procuré par cette solution est très élevé. Mais ce choix rehausse le centre de gravité de la monoplace, ce qui grève son comportement dynamique. Tout est alors une question de compromis.

Par le passé, certaines équipes ont tenté d’incorporer le museau dans l’aileron avant. Cette solution avait le mérite d’abaisser le centre de gravité, mais avait également le désavantage de créer une perte d’appui au milieu de l’aileron. Cet effet se produisait à cause de la perturbation créée par le museau dans l’écoulement du flux d’air. L’importance de cette baisse (environ 40%) ainsi que son influence sur les autres parties de la monoplace ont progressivement conduit à l’abandon de ce choix technique. La plupart des équipes utilise actuellement un museau détaché de l’aileron avant.

Outre la limitation de la perte d’appui dont nous venons de parler, cette solution permet d’améliorer la circulation de l’air sous le museau, et par suite, sous la totalité de la voiture. L’efficacité du diffuseur, situé sous l’arrière de la Formule 1, s’en trouvera également majorée, ce qui conduira à une augmentation globale de l’appui aérodynamique. Cette option permet aussi de limiter la traînée générée à l’avant de la monoplace. Enfin, une forme de museau très plongeante permet de réduire au maximum le rehaussement du centre de gravité inhérent à cette solution.

Cette majoration du flux d’air autour de la monoplace, obtenue par un nez dissocié de l’aileron avant, permet aux ingénieurs de trouver quelques petites astuces aérodynamiques. Ils ont par exemple eu l’idée de placer une plaque horizontale en arrière du nez de la monoplace. Cela permet de produire un appui important sans générer trop de traînée…

- Les roues avant et les suspensions :

C’est sans doute le cauchemar de la plupart des concepteurs. Les roues avant handicapent fortement l’efficacité aérodynamique de la monoplace. Elles génèrent en effet traînée et portance, et les phénomènes en jeu autour de ces éléments sont très complexes. Sur une monoplace de F1, ces roues ne doivent pas être carénées. Cela les situe donc dans

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un flux d’air peu perturbé, qui pourrait malheureusement être utile à la création d’une forte déportance.

En fait, le mouvement de la roue fait que la couche limite autour de celle-ci subit un mouvement de rotation. Cela fait que l’air est ramené vers l’avant, ce qui crée une zone de compression proche du sol, devant la roue. Les hautes pressions de l’air dans cette zone produisent un effet de portance :

Figure 19: Phénomène de portance autour d'une roue en rotation [2]

Dans ce cas, les aérodynamiciens tentent en premier lieu de limiter au maximum les effets néfastes que provoquent les roues. Ils essayent malgré tout d’exploiter au mieux cette distribution particulière des pressions.

On peut classer les divers déflecteurs situés sur l’aileron avant en deux catégories. Il y a en effet ceux qui évacuent le flux vers l’extérieur de la roue, afin de limiter son alimentation en air, alors que d’autres canalisent une quantité d’air importante dans les écopes de freins, afin de garantir un refroidissement optimal de ceux-ci.

Les suspensions sont dessinées dans le but d’offrir une résistance à l’air aussi faible que possible. Elles pourraient apporter de la déportance à la monoplace, mais cela n’est actuellement pas autorisé. On se contente alors simplement d’ajouter des congés de raccordement, pour parfaire la jonction avec la coque de la voiture.

Figure 20: Suspensions avant et d éflecteurs latéraux [8]

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Sur l’avant de la voiture, on trouve enfin ce que l’on appelle les déflecteurs latéraux. Placés juste devant l’entrée d’air des radiateurs, ce sont des surfaces verticales présentant une forme courbée. Ils ne servent pas à créer de la déportance, mais à séparer le flux d’air en deux parties. L’une d’entre elles est perturbée par les roues avant, et est amenée à contourner les pontons. La seconde, qui est plus propre, s’engage dans ces derniers avec une vitesse importante. Le flux d’air est alors utilisé pour refroidir les radiateurs. Là encore, toutes les équipes n’utilisent pas forcément les mêmes solutions techniques, les priorités pouvant varier de l’une à l’autre.

Lors de son trajet à travers les pontons, l’air se réchauffe et ressort à haute température. Il subit de fait une chute de pression qui provoque une augmentation non négligeable de la traînée globale de la monoplace.

- L’arrière de la monoplace :

On définit l’arrière de la Formule 1 comme l’ensemble des éléments qui se situent derrière le casque du pilote. C’est une partie dont l’aérodynamique est très intéressante. Son efficacité est largement dépendante de ce qui se passe à l’avant de la voiture. Cela rend son étude délicate.

L’élément le plus visible, situé juste au dessus du pilote, est la boîte à air. Elle comprend un arceau de sécurité servant à le protéger en cas de tonneaux. Son profilage est crucial car il affecte les performances du moteur, autant que l’efficacité aérodynamique de la monoplace. Assurer une alimentation correcte du moteur en air, et ce à toutes les vitesses, sans pour autant trop perturber l’aérodynamique de la voiture est l’enjeu principal lors de la conception de cet élément.

A propos de l’aileron arrière, une première constatation est le fait que son efficacité dépend en grande partie du flux d’air qu’il reçoit. Celui arrivant sur l’arrière de la monoplace n’est bien sûr pas d’aussi bonne qualité que celui dont dispose l’avant. L’objectif du capot moteur est alors de guider au maximum l’écoulement de l’air vers l’aileron. Sa forme dépend pour beaucoup de celle choisie pour la boîte à air, ainsi que de la position et de l’encombrement du moteur. Les ingénieurs essaient de concevoir un capot étroit et abrupt, pour dégager la zone située juste en avant de l’aileron arrière.

Figure 21: Appui fourni par l'aileron arrière en fo nction de la vitesse [2]

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Bien que générateur d’une grande traînée, celui-ci procure un appui aérodynamique important sur les roues arrière. Cette déportance est essentielle pour garantir une bonne adhérence en virage, une bonne motricité en phase d’accélération, et un bon équilibre à la voiture. Il peut créer une force allant jusqu’à 500 kg à 300 km/h.

L’aileron arrière est constitué de trois lames, dont deux sont parfaitement visibles. Le troisième élément ne varie pas beaucoup en fonction de la nature du circuit, au contraire des deux éléments principaux. Ce sont en effet ces derniers que les ingénieurs modifient sur une voiture, afin d’adapter celle-ci aux caractéristiques du tracé. Leurs réglages permettent en effet de faire varier le rapport appui/traînée, ce qui influence grandement la vitesse maximale que la monoplace pourra atteindre en ligne droite, ainsi que celle qu’elle pourra avoir en courbe. On remarque d’ailleurs que l’efficacité aérodynamique globale du véhicule est très proche de celle de son aileron arrière. Cela explique pourquoi c’est principalement celui-ci qu’on modifie le plus pour régler rapidement une monoplace.

Les ailerons sont beaucoup modifiés d’un circuit à un autre. Dans le cas de circuits rapides, la vitesse de pointe est privilégiée, on applique donc peu d’appui aérodynamique à la voiture. En revanche, certains circuits tortueux, pour ne pas dire lents, nécessitent surtout une forte déportance. On règle les ailerons en modifiant l’inclinaison des lames les constituant.

Figure 21: Cas d'un circuit ra pide: Monza [8] Figure 22: Cas d 'un circuit lent: Hungaroring [8]

Tout comme leurs homologues avant, les roues arrière ne sont pas carénées, et posent de ce fait un problème aérodynamique similaire. Les ingénieurs ont surtout cherché à guider le flux d’air autour de cet élément. A cet effet, on trouve un accessoire appelé flip-up, situé juste devant les roues arrière. Son rôle est de dévier l’écoulement au dessus de la roue. Les conséquences pour la monoplace sont de deux ordres : la création d’une déportance aérodynamique bénéfique pour la motricité ; et la réduction de la portance créée par la roue.

Comme nous l’avons vu, un aileron en fonctionnement comprend une zone de surpression. L’air aura donc logiquement tendance à équilibrer ces pressions, en migrant de l’intrados à l’extrados. Ce phénomène induit une traînée importante, et diminue la déportance que peut fournir l’aileron. Dans l’aviation, le problème est résolue par un allongement de l’aile, mais en F1, la longueur de l’aileron est faible, et doit rester dans les limites du règlement. La solution est alors d’emprisonner le flux d’air par des cloisons verticales. Ces dérives latérales augmentent l’efficacité de l’aileron arrière, et sont utilisées par toutes les équipes.

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- Le dessous de la monoplace :

Cette partie de la voiture est d’une importance capitale pour son efficacité aérodynamique globale. Elle n’est pas génératrice d’une forte traînée, mais procure un appui considérable. Son intérêt pour les aérodynamiciens est donc élevé.

Le soubassement d’une monoplace de F1 est constitué par tous les éléments du dessous de la voiture situé entre les deux trains roulants. Son efficacité dépend grandement de l’ensemble aileron avant et museau. C’est l’accessoire aérodynamique le plus important, et de loin, puisque son ratio L/D peut dépasser 10. Tout le problème de cette partie est de définir un bon compromis entre la déportance, la traînée, et l’instabilité qu’elle génère.

En fait, le mouvement de la voiture va créer un flux d’air entre son soubassement et ses roues. Il est facile de comprendre que lorsque la proximité du soubassement avec le sol est importante, les propriétés de viscosité de l’air provoquent un effet de succion qui a tendance à freiner le véhicule. Si en revanche le soubassement est éloigné du sol, l’air passe plus facilement, mais il peut alors se comprimer et créer une importante force de portance. La voiture tend alors à s’envoler…

L’objectif est donc de créer une déportance, tout en minimisant la traînée. L’influence qu’a le soubassement sur l’appui aérodynamique de la voiture fait d’ailleurs que celui-ci doit être réglé au millimètre près. Une conception de cet élément accélérant l’air sous la monoplace crée une dépression qui produit l’effet de déportance souhaité. Le diffuseur entre alors en ligne de compte…

Figure 22: Vue arrière [8]

Sur la photo ci-dessus, ce dernier est parfaitement visible. Il s’agit de la partie située entre les roues, sous la ligne horizontale comprenant le feu arrière. Il a un rôle de premier plan dans l’efficacité aérodynamique de la monoplace. Il permet une évacuation accélérée de l’air situé sous la voiture, qui majore la dépression évoquée à l’instant. Le gain aérodynamique résultant de cet effet est considérable. Toutefois, la conception et le réglage de cet élément sont très complexes. C’est pourtant la seule partie réglable du

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soubassement. Sa forme complexe est sensible à un nombre important de paramètres. L’un de ces paramètres est l’angle qu’il définit avec le soubassement.

Des propriétés aérodynamiques très différentes peuvent découler d’une variation de cet angle. On remarque que plus il augmente, plus l’appui augmente. En revanche, cela provoque également une augmentation de la traînée à partir d’environ 4°. Cela s’explique par les tourbillons qui se forment à proximité du diffuseur. Les ingénieurs doivent une nouvelle fois définir le meilleur compromis possible.

La position relative du diffuseur par rapport à l’aileron arrière permettra enfin d’améliorer l’efficacité de ces deux éléments. En effet, une zone de basse pression existe juste derrière l’aileron. Elle aura une tendance à accélérer le flux d’air qui sort de l’arrière de la monoplace. La combinaison de ces phénomènes est très bénéfique pour la monoplace.

Figure 23: Positions relatives du diffuseur et de l 'aileron arrière [2]

- Le centre de pression :

Comme sur un véhicule de série, la position du centre de pression de la monoplace est d’une importance capitale quant à son comportement dynamique. Importance d’autant plus grande que l’intensité des forces générées par l’air sur une F1 est très élevée. Rappelons ici que le centre de pression est le point virtuel par lequel passe la force qui résulte de l’ensemble des effets aérodynamiques s’appliquant sur la monoplace. La stabilité de la F1 sera améliorée par un centre de pression situé derrière le centre de gravité. L’idéal serait toutefois que les deux points soient confondus.

En pratique, le centre de gravité d’une monoplace de F1 peut être considéré comme étant fixe. Cela s’explique par le fait qu’une telle voiture présente peu d’éléments mobiles. De fait, seule la quantité de carburant dont elle dispose influence d’une manière non négligeable sa position. En revanche, l’efficacité des différents éléments aérodynamiques de la monoplace étant variable, la centre de pression pourra se déplacer en fonction des réglages choisis, et de sa vitesse.

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La définition aérodynamique d’une monoplace n’est pas figée au cours d’une saison. Dans le but de constamment améliorer les performances de leurs voitures, les concepteurs définissent au cours du championnat de nombreuses évolutions. Bien que celles-ci puissent porter sur des aspects mécaniques de la F1, l’aérodynamique est le domaine où les plus gros progrès peuvent être effectués en un minimum de temps.

Bien souvent, il suffit simplement de copier puis d’adapter à sa monoplace des idées d’abord trouvées par d’autres concurrents. C’est notamment le cas du capot moteur étendu, qui fut d’abord trouvé par l’équipe Red Bull, avant d’être testé puis adopté par la grande majorité des autres équipes. Cet élément procurait en effet une meilleure stabilité dans les virages rapides.

Figure 24: Capot moteur étendu [8]

En 2008, beaucoup d’équipes ont copié les innovations d’autres équipes. En effet, le règlement aérodynamique en application était figé depuis la saison 2005. Il était donc parfaitement connu des concepteurs, et les gains devenaient difficiles à trouver.

A cela s’est ajouté un second effet : le changement de réglementation aérodynamique de 2009. Certaines équipes ont alors choisi de ne plus consacrer une part importante de leurs budgets sur la saison en cours, surtout dans le cas où celle-ci s’avérait décevante. [4]

Mais qui définit la réglementation aérodynamique en F1 ? Quelles sont les raisons qui motivent un changement de réglementation, et quels furent les changements les plus importants par le passé ?

Répondre à ces questions, ainsi que présenter les changements de 2009, est l’objet de la 3ème partie.

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3ème partie : Une science en constante évolution

C’est la Fédération Internationale de l’Automobile (FIA) qui fixe les règlementations techniques et sportives de la F1. Créée en 1946, c’est une structure dont le rôle est de fédérer les différents organismes nationaux. Une unité, une cohérence, est ainsi assurée au niveau de l’automobile entre les différents états du monde, même au-delà des règlements sportifs. La FIA fournit en effet des recommandations au niveau de la sécurité des véhicules de série, ou du code de la route.

Présidée depuis 1992, par Max Mosley, cette fédération applique actuellement une politique de réduction des performances des monoplaces de F1. En effet, la sécurité devint une préoccupation majeure lors de la mort d’Ayrton Senna au Grand Prix de Saint Marin 1994. On a cherché notamment à améliorer les circuits, mais le facteur clé dans ce domaine est constitué par les vitesses atteintes par les monoplaces. Au Grand Prix du Canada 2007, la sécurité de sa voiture permit sans doute de sauver la vie du pilote polonais Robert Kubica.

Figure 25: Accident de Robert Kubica au GP du Canad a 2007 (source: F1-Fansite.com)

Beaucoup de personnes ont d’ailleurs d’abord cru que le pilote était décédé sous la violence du choc. Grâce aux mesures prises par la FIA, il n’y a heureusement plus de morts parmi les pilotes depuis 1994. Le temps où les pilotes risquaient leurs vies est révolu…

C’est principalement au nom de la sécurité que la fédération décide d’appliquer des mesures de plus en plus drastiques. Cependant, le travail remarquable des ingénieurs fait que généralement, les voitures retrouvent rapidement leurs niveaux de performances initiales. L’exemple le plus récent eu lieu en 2005, quand les derniers gros changements aérodynamiques furent décidés. En effet, à quelques courses de la fin de saison, c’est-à-dire en moins d’un an, les monoplaces avaient retrouvées le niveau d’appui de 2004.

Sans changements radicaux dans les règlements, les Formule 1 améliorent très rapidement leurs performances. Entre le GP du Canada 2003, et celui de 2004, le record du tour en course fut amélioré de 3 secondes…

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Pour le public, les règlements ont toutefois une conséquence quelque peu déroutante. Il n’est pas rare en effet d’entendre des gens dirent que toutes les monoplaces de F1 sont semblables, qu’elles se ressemblent toutes. Cela peut, à terme, engendrer un désintérêt des spectateurs pour les voitures, voire pour la discipline en général. A quoi sert un sport où toutes les machines se ressemblent, et où le pilote ne peut même plus faire la différence ?

Il n’est pas faux de dire que l’importance du niveau de performance de la voiture prédomine sur la qualité du pilote, mais cette analyse n’est pas complète. De nombreuses personnes impliquées en F1 souhaiteraient par exemple que l’efficacité des différentes monoplaces soit moins standardisée. Cela permettrait de faciliter les dépassements en course…

La stabilité des règlements provoque cependant, à longue échéance, un resserrement des performances des voitures. Quand les règles sont parfaitement connues, les ingénieurs connaissent de même toutes les techniques permettant d’améliorer leurs monoplaces. D’où certaines ressemblances flagrantes entre certaines d’entre elles, d’autant que les concepteurs n’hésitent pas à regarder discrètement les évolutions trouvées par l’équipe adverse.

1/ Les évolutions aérodynamiques les plus marquantes du passé :

En 1968, Ferrari fut la première équipe à avoir l’idée d’utiliser les forces aérodynamiques autrement qu’en réduisant la traînée qu’elles provoquent. C’est ainsi que la Ferrari 312 T devint la première monoplace de F1 arborant un aileron. Les autres équipes comprirent rapidement l’intérêt de la trouvaille de Ferrari, et depuis lors, l’objectif est d’augmenter l’appui aérodynamique pour une traînée constante.

Figure 26 : Ferrari 312 T version 1968 (source: F1- Technologie.fr)

En 1978, l’équipe Lotus remporte le championnat du monde avec une aisance incroyable. La voiture que cette équipe utilisait pour ce championnat, la Lotus 79, disposait d’un effet de sol. A partir de cet instant, de nombreuses modifications technologiques furent apportées aux monoplaces de Grand Prix. Pas seulement concernant l’aérodynamique, mais également au niveau des suspensions, et des pneus.

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- L’effet de sol :

C’est en appliquant les lois de Bernoulli que les ingénieurs ont pensé à créer des voitures à effet de sol. La diminution de la pression que subit l’air lors de son accélération s’exerce aussi bien sur le dessous de la voiture, que sur le sol. Mais ce dernier, dans l’impossibilité de se déplacer vers le haut, réagit alors en « aspirant » le fond de la monoplace vers le bas. On appelle cela l’effet venturi.

Les concepteurs obtiennent cet effet en installant une importante surface d’aileron inversé de chaque côté de la voiture, près du sol. Ce principe dépend beaucoup des ailerons avant et arrière, car ceux-ci influent sur le flux d’air passant sur et sous les pontons. En augmentant l’inclinaison de la lame de l’aileron arrière, l’effet venturi est favorisé. Mais cela provoque également une augmentation de la force avec laquelle l’air passe sous les pontons, ce qui les rend plus efficaces.

Sur une monoplace à effet de sol, les pontons permettaient d’obtenir une déportance pouvant aller jusqu’à 2 tonnes, à la condition que le reste de la voiture soit optimisé en ce sens.

Concrètement, une voiture à effet de sol se présentait de la manière suivante :

Figure 27: Effet de sol sur la Williams FW07 [3]

Elles avaient une coque étroite, dans le but de donner aux pontons déporteurs une largeur maximale. Cela avait pour conséquence de placer le réservoir de carburant juste derrière le pilote. Dans certains cas, les radiateurs d’eau et d’huile devaient être placés dans

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le bord d’attaque des ailerons. L’air entrait alors par une fente à l’avant, et ressortait par des ouïes placées derrière les radiateurs.

Sur l’arrière de la voiture, les flancs de la boîte de vitesse et du moteur étaient carénés dans le but de ne pas ralentir l’air s’échappant du dessous des pontons. Dans sa partie supérieure, la carrosserie était également profilée. Le but était de minimiser les turbulences de l’air circulant à haute pression.

Le museau de ces voitures était assez mince, et était dessiné de manière à créer de la déportance. L’objectif était également de permettre à l’air de s’écouler librement sur le dessus et le dessous de la carrosserie.

Les ressorts et les amortisseurs étaient logés près des pieds du pilote, et d’une manière plus générale, les éléments de suspension en contact avec l’air étaient conçus d’une manière aérodynamique. De même, les écopes de freins se situaient hors du flux d’air. Dans certains cas, le profilage était poussé jusqu’à recouvrir la partie interne des porte-moyeu et des freins.

Dans le but d’améliorer la sortie de l’air derrière le venturi, on formait des extracteurs en recourbant l’arrière des pontons vers le haut, à l’avant des roues arrière. Ainsi, les turbulences à haute pression étaient projetées vers l’arrière par le dessus du pneu. Cela permettait d’activer le flux à basse pression du venturi.

- Les jupes latérales :

En 1981, la Lotus 88 à effet de sol ne fut pas autorisée à courir. Il fut en effet jugé qu’elle utilisait des éléments aérodynamiques mobiles. Cependant, d’autres équipes profitaient de l’effet de sol, malgré les règles restrictives à propos de la garde au sol. En pratique, les voitures comportaient des systèmes leurs permettant d’avoir une garde au sol réglementaire à l’arrêt, mais la faisant diminuer en piste.

Les jupes latérales constituaient un élément essentiel des monoplaces à effet de sol. Originellement, elles pouvaient coulisser verticalement, dans le but d’épouser les irrégularités de la piste, en préservant constamment les basses pressions créées sous les pontons. Ainsi, l’air atmosphérique ne contaminait pas la zone dépressionnaire des venturis. Le coulissage de ces éléments était obtenu par roulement dans les flancs des pontons. Ainsi, on évitait un quelconque danger de grippage qui se serait traduit par une disparition instantanée des appuis aérodynamiques.

La manière de maintenir le contact entre les jupes et le sol fut l’objet de nombreuses recherches. Au cours de la saison 1981, la fédération posa une condition à l’utilisation de ces éléments. Ils devaient avoir une hauteur fixée, et ne plus pouvoir coulisser.

En 1982, le règlement changea de nouveau : la hauteur des jupes fut accrue, et des patins de frictions pouvaient leur être ajoutés. Les progrès effectués entre les premières voitures à effet de sol et celles-ci étaient impressionnants, les monoplaces étaient très performantes. Mais les pilotes se sont plaints de la dureté des suspensions, et firent pression sur la fédération qui décida, en 1983, d’interdire les voitures à effet de sol.

En revanche, un fond plat supprimant l’effet venturi était autorisé. Cela provoqua une diminution importante des appuis aérodynamiques. Les ingénieurs compensèrent alors cette

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perte par des ailerons de plus grande surface, et, avec les progrès effectués par ailleurs, les voitures retrouvèrent bien vite un niveau de performance très élevé… Il est difficile d’imaginer les performances que les voitures actuelles pourraient avoir si l’effet de sol était toujours autorisé…

Figure 28: Vue inférieure d'une voiture à fond plat [3]

2/ Les évolutions de 2009 :

Pour 2009, la FIA a décidé de nouveaux changements aérodynamiques. Mais cette fois-ci le but n’est pas seulement d’améliorer la sécurité. Bien que les performances des monoplaces seront réduites, d’autres facteurs entrent en ligne de compte. En effet, la fédération a décidé de s’attaquer au problème du manque de dépassements en F1. Le but d’améliorer le spectacle est louable, d’autant que des notions de réduction des coûts sont également au programme.

Depuis longtemps, les budgets des équipes de F1 atteignaient parfois des sommes inavouables, se comptant en dizaines, voire en centaines de millions de dollar. Il était donc urgent de faire quelque chose en ce sens. Le hasard a fait que la crise économique mondiale actuelle arrive en même temps que les premières mesures concrètes de réduction des coûts. Certaines équipes n’ont cependant pas attendu la saison 2009 pour déposer la clé sous la porte, à l’image de Honda, qui semblait pourtant devoir être compétitive…

Les études demandées par la FIA sur la question de l’amélioration des capacités des monoplaces à se dépasser les unes les autres ont abouti à des résultats forts à propos de l’aérodynamique. En effet, le comportement d’une monoplace dans le sillage d’une autre pose problème lors d’une tentative de dépassement.

Globalement, une F1 crée de la portance en déplaçant la masse d’air qu’elle reçoit vers le haut. Lorsque la voiture avance, cette importante quantité d’air mise en mouvement a tendance à suivre la monoplace. Cela s’explique par l’inertie et la viscosité de l’air. Bien que ce mouvement ralentisse rapidement, il pose problème lorsque deux monoplaces se suivent.

En fait, quand deux F1 se suivent à une distance de quelques mètres, plusieurs phénomènes se combinent. Le premier phénomène est connu sous le nom d’aspiration. Cela recouvre le fait que le passage dans l’air de la première voiture facilite le passage de la

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seconde. C’est comme si la voiture suiveuse bénéficiait alors d’un vent favorable. Cet effet est beaucoup utilisé par les pilotes lorsqu’ils veulent se dépasser en ligne droite.

Le second phénomène se nomme déventement. Lié au fait qu’un vent arrière diminue la portance, il provoque une diminution des appuis de la monoplace suiveuse. Cet effet est peu gênant en ligne droite, mais peux s’avérer décisif en courbe rapide.

Une monoplace qui tente d’en suivre une autre sera également sujette à d’autres perturbations. Ainsi, le flux d’air arrivant sur cette voiture sera très turbulent, et provoquera une baisse importante, et subite, de la déportance produite par l’aileron avant. En ne perdant pas de vue que l’efficacité aérodynamique globale d’une F1 dépend grandement de celle de ses éléments avant, on comprend mieux l’importance de ces effets…

C’est en partant de ces constatations scientifiques, que la FIA proposa des modifications qui se traduisent visuellement ainsi :

Figure 29: Comparatif Ferrari F60 & Ferrari F2008

Sur ce montage que j’ai réalisé, on voit nettement les différences entre les monoplaces 2009 et celles de 2008. Disponible en plus grand format en annexe, le schéma du milieu résume à lui seul la majorité des changements aérodynamiques que les équipes ont dû apporter, dans le but de satisfaire au niveau règlement.

En effet, l’aileron avant a dû être élargi de 40 cm, pour atteindre la largeur totale de la monoplace. On note également que sa hauteur par rapport à la piste a été réduite de moitié, passant de 15 à 7,5 cm. Mais l’une des évolutions les plus impressionnantes est le fait que la partie centrale de l’aileron, c’est-à-dire celle située à 25 cm de part et d’autre de l’axe longitudinal, est désormais commune à toutes les équipes.

Cette limitation est cependant compensée par l’existence d’une possibilité de réglage d’environ 6° des flaps pendant la course. C’est le pilote qui décidera de modifier ou non le niveau d’appui dont il dispose.

Au contraire de son homologue avant, l’aileron arrière est beaucoup plus étroit (75 cm contre 100), mais placé à une hauteur plus importante (95 cm au lieu de 80). On remarque également une disparition totale des éléments aérodynamiques situés autour de la zone des pontons et des suspensions.

Le rapprochement de l’aileron avant par rapport à la piste aura pour effet de le rendre moins sensible aux perturbations aérodynamiques produites par la voiture placée devant lui. Sa plus grande largeur compense la perte de charge due à la standardisation et la neutralité de sa partie centrale. Esthétiquement, le nouvel aileron arrière a réclamé un certain temps

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d’adaptation, mais il travaille désormais dans une zone nettement moins perturbée qu’auparavant.

Figure 30: Ferrari F60, vue de dessus [8]

En effet, par le passé, le flux d’air que recevait l’aileron arrière comportait des turbulences provoquées par le corps de la monoplace. On peut en revanche douter de l’intérêt de la décision de réduire le tunnel central de l’extracteur. Cela provoque, en effet, une importante perte d’appui aérodynamique qui ne se traduit pas par une réduction notable des turbulences provoquées par l’arrière de la voiture… Il eut été préférable d’améliorer le rendement du diffuseur, et plutôt réduire la violente traînée générée par l’aileron arrière. Seulement l’aspect commercial entrerait alors en ligne de compte : si la taille de l’aileron arrière est réduite au maximum, où placer les logos des sponsors ?

En regardant la monoplace par le haut, la largeur importante de l’aileron avant est évidente, de même que l’étroitesse de celui placé à l’arrière. En gardant à l’esprit l’allure des F1 de 2008, celles de 2009 apparaissent presque nues. On se souviendra certainement longtemps du florilège d’éléments aérodynamiques qui ornaient la voiture…

Cependant, certains de ses accessoires étaient également utiles à la mécanique de la monoplace. Les radiateurs évacuaient en fait leur air chaud par des cheminées, dont le rôle était aussi de guider le flux d’air. On remarque de même la disparition des diverses ouïes. Le flux d’air à haute température doit donc désormais circuler à l’intérieur des pontons et ne seulement ressortir qu’à l’arrière de la monoplace.

Une autre disparition notable est celle de l’imposant ensemble de déflecteurs à l’avant des pontons, qui a entraîné une baisse d’environ 15 % de la déportance totale, et une réduction non négligeable du travail en soufflerie. On peut toutefois imaginer que les concepteurs sauront trouver une importante marge d’interprétation à ce règlement.

En novembre 2008, les ingénieurs estimaient le challenge technique induit par ces nouvelles règles comme très motivant. La perte initiale de 50 % de la déportance avait déjà été en bonne partie retrouvée, mais les valeurs d’avant changement ne pourront pas être de nouveau atteintes avant longtemps.

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On peut imaginer qu’en 2009, chaque équipe proposera une idée originale, en pensant avoir trouvé la plus efficace de toutes. En revanche, en 2010, les solutions réellement intéressantes seront très certainement utilisées par la plupart des voitures.

Il est délicat de prédire l’apparition d’une nouvelle hiérarchie entre les monoplaces, même s’il est certain que les équipes disposant du plus gros budget seront, à terme, toujours les meilleures… D’un autre côté, un tel changement de règlement, qui ne touche d’ailleurs pas seulement à l’aérodynamique, peut permettre une redistribution initiale des rôles, suivant le travail effectué par chacun.

Quant à savoir si les dépassements seront effectivement facilités, les pilotes émettaient des avis très différents fin 2008. Selon certains, il ne faut pas s’attendre à un miracle. Il n’y aura en effet pas d’apparition subite de nouvelles trajectoires… Toutefois, d’autres reconnaissaient en effet qu’il sera plus simple de suivre une autre monoplace, et que les perturbations aérodynamiques seront effectivement plus faibles.

Dans ce domaine, rien ne remplace la confiance qu’a le pilote en sa machine, il est donc nécessaire d’attendre les premières courses de 2009 pour se faire une idée définitive… Mais rassurez-vous, elles arrivent bientôt !

Figure 31: La saison 2009 arrive ! [8]

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Conclusion Générale [6] :

Bien que sur l’image ci-dessous, modèle de série et F1 cohabitent ensemble sur une même piste, il n’existe que peu de liens aérodynamiques entre ces deux différents types de voitures.

Il n’est cependant pas interdit, pour une marque, d’utiliser son implication dans ce championnat mondial pour vendre un maximum de modèles. Les clients seront toujours sensibles à ce type d’argument phare, ne serait-ce que pour de sombres raisons d’apparence sociale…

Mais la collaboration entre les concepteurs de F1, et ceux de modèles plus courants, ne se limite pas qu’à l’aspect aérodynamique. Je pense par exemple aux systèmes de transmission. Certains constructeurs proposent en effet, et parfois depuis longtemps, une boîte de vitesse « type F1 » à commande séquentielle robotisée.

Il y a en fait de nombreux autres domaines où des liens plus étroits peuvent être trouvés…

Figure 32 : Ferrari F2008 contre Ferrari F430 Scude ria... [6]

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Bibliographie

• Ouvrage :

[1] HOWARD G. – Aérodynamique automobile : Théorie et pratique – Paris : Editions E.P.A., 1986 – 207 p.

[2] TROMBINI J. – Comprendre la Formule 1 – Boulogne-Billancourt : E-T-A-I, 2006 – 208 p.

[3] INCANDELA S., CROMBAC G. – Formule 1 : Anatomie et développement – Paris : Editions E.P.A., 1986 – 196 p.

• Article de périodique :

[4] SAMSON S. – Technique : Les tendances 2008 : Copier-coller – Sport-Auto, 2008, numéro 559, 114-115

[5] CAMUS P. – 2009 à la loupe : Demain sera un autre jour – Auto-Hebdo, 2008, numéro 1676, 16-27

[6] LORD B. – Dossier Spécial Ferrari : Technologie : de la piste à la route – F1 Racing, 2008, numéro 115, 38-41

• Sites Internet :

[7] NetCarShow, Car pictures and wallpapers. (Pages consultées le 10 décembre 2008). Page d’accueil, [En ligne]. http://www.netcarshow.com/

[8] Renault-F1.FR. (Pages consultées le 12 décembre 2009). Page d’accueil, [En ligne]. http://www.renault-f1.fr/

• Plaquettes Commerciales :

[9] Deux brochures Saab: « Saab 9-X Air: Notes sketches and open-minded ideas. »; « Saab Magazine », numéro 2, 2008.

[10] Brochure Lexus : « La gamme IS ».

[11] Brochure Mercedes-Benz : « TrueBlueSolutions : La voie vers une mobilité sans émission ».

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Annexes :

Annexe 1: Vue d'ensemble des éléments aérodynamique s de la Renault R28 [8]

Annexe 2: Imagination des F1 de 2009 en Novembre 20 08 [8]

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