III) Prototype de Formule 1
1. Présentation du prototype
Nous l'aurons compris, l'aérodynamisme d'une Formule 1 est un domaine particulièrement complexe. Plusieurs facteurs entrent en jeu, comme nous avons pu le voir précédemment, mais la conception d'une voiture de Formule 1 doit aussi répondre à des règles strictes et restrictives imposées par la FIA. Pour ces raisons, les véhicules d'aujourd'hui ne peuvent être dotés d'un aérodynamisme parfait, et le rôle des ingénieurs et concepteurs au sein des écuries est de s'en approcher au maximum.
Le travail et les recherches effectués pour notre TPE nous ont suggéré la conception d'un prototype de Formule 1, à l'aérodynamisme idéal. Nous nous sommes affranchis des règles imposées par la FIA, tout en nous attachant à conserver un véritable design de Formule 1. Grâce aux connaissances que nous avons acquises lors de notre étude, et avec l'aide de professionnels de l'aérodynamique que nous avons rencontrés, nous avons tenté de mettre en pratique les bases et les perfectionnements possibles pour la création de notre modèle. Nous nous sommes arrêtés sur un concept, représenté par une première série de croquis ci-dessous.
2. Les perfectionnements aérodynamiques opérés
Dans cette partie, nous décrirons chacune des améliorations établies à partir de notre modèle de base (Fig.1 et Fig.2), pour atteindre notre prototype final (figure ci-dessus).
En ce qui concerne le cockpit, nous avons choisi une structure fermée, en supprimant l'entrée d'air située au dessus de la tête du pilote. De façon évidente, l'aérodynamisme est amélioré. De plus, ce cockpit fermé renforcerait la sécurité du coureur. Dans l'Histoire de la Formule 1, de nombreux accidents au niveau de la tête du pilote sont à déplorer. Le dernier en date étant celui de Jules Bianchi lors du Grand Prix de Suzuka au Japon, en 2015.
Nous choisirons de recouvrir la carrosserie d'une "peau de requin", matière synthétique à mémoire de forme, qui permettrait au véhicule de retrouver sa forme initiale après un impact.
Pourquoi le choix de cette matière, "peau de requin" ? De quoi s'agit-il ?
Prototype final
Cockpit fermé
Coque solidifiée et
en "peau de requin"
Roues avant carénées
Entrée d'air
Panneaux photovoltaïques
Fig.1
Fig.2
Tests de cockpits de Formule 1
Le requin est l'une des espèces les plus aérodynamiques. La peau du requin est constituée de plusieurs milliers d'écailles microscopiques orientées vers l'arrière, et possédant chacune des micro-rainures, favorisant l'écoulement de l'eau contre la peau. En reproduisant de façon synthétique cet effet "peau de requin", ou effet "rible", on retrouve le même phénomène de facilitation de l'écoulement, cette fois-ci de l'air, au niveau de la carrosserie. Cette matière "peau de requin" est un exemple concret de biomimétisme appliqué au monde de l'industrie.
Concernant les roues avant, il nous a paru évident de procéder au carénage de ces dernières (flèches noires sur le dessin ci-contre), afin de réduire considérablement la plus importante des pertes aérodynamiques d'une voiture de Formule 1. En outre, sur les conseils de l'ingénieur-designer que nous avons rencontré, nous avons décidé de rajouter des entrées d'air (flèche bleue), de manière à éviter une surchauffe des pneumatiques, ce qui pourrait conduire à leur éclatement. La photo en caméra thermique ci-contre illustre parfaitement la considérable montée en température des pneumatiques lors de la course.
Par biomimétisme, en nous inspirant du modèle aérodynamique idéal qu'est la goutte d'eau en mouvement, nous décidons de rapprocher au maximum les roues avant de la partie centrale du véhicule.
Nous ajoutons une fourche sous le museau de notre prototype, pour guider l'air sous le fond plat de la voiture et diminuer ainsi les frottements au niveau des roues (voir évolution entre les figures 1 et 3).
Fig.3
En rattachant l'aileron arrière au corps de la voiture, nous gagnons en aérodynamisme, et améliorons également la déportance du véhicule. En effet, en supprimant la circulation de l'air sous l'aileron arrière, le risque de portance est fortement diminué.
Les pneus, quant à eux, seront constitués de trois disques différents et dissociables, qui permettront à notre monoplace de maintenir sa vitesse constante et élevée y compris lors des virages, sans risque de sortie de piste du véhicule, ni perte de contrôle.
Nous avons souhaité intégrer le facteur "écologie" à notre réflexion. Il s'agira de positionner trois panneaux photovoltaïques sur le véhicule, deux à l'arrière et un au centre.
L’intérêt est double :
- en devenant un véhicule hybride, composé d'un moteur essence et d'un moteur électrique, la consommation de carburant est réduite, et nous améliorons de façon indirecte les performances du véhicule qui, moins lourd, se déplacera plus rapidement ;
- nous prenons en considération la composante écologique, qui, aujourd'hui, doit être de façon permanente au cœur des réflexions du monde de l'industrie.