F1 Techniek | Mercedes en haar flexibele achtervleugel: sluw, slim of slordig?

Tijdens de Grand Prix van Brazilië werd door Red Bull voorafgaande aan de kwalificatie bewijsmateriaal voor mogelijke onregelmatigheden van de Mercedes-achtervleugel bij de FIA gedeponeerd. In Qatar werden vervolgens de achtervleugels van de deelnemers op een nieuwe manier getest door de FIA. Het was voor de F1-fans niet duidelijk waar het precies om ging, en de vele video’s op het internet leken dit ook niet te verduidelijken. Genoeg reden voor F1Maximaal om hier aandacht aan te besteden in F1 Techniek, om hopelijk een stuk inzichtelijker te maken wat er speelt.

Er zijn duidelijke voorschriften en regels voor de achtervleugel van een F1-raceauto. Zo’n vleugel, zie foto 1, bestaat uit een aantal onderdelen, te weten de zijdelingse draagarmen (1), een soort steunplank of steunbalk (2) die beide armen met elkaar verbindt en die voor stevigheid zorgt, een zogenaamde DRS-vleugel of DRS-klep (3) die in rust naar beneden staat, maar die omhoog geklapt kan worden, en een actuator-systeem dat deze klep bedient (4).

De DRS-vleugel kan alleen omhoog geklapt worden door de coureur als het DRS-detectiesysteem op het circuit dit aangeeft, dat wil zeggen, als de auto zich binnen een seconde van zijn voorganger bevindt op het detectiepunt, en de auto het begin van het DRS-traject net gepasseerd is. De coureur bedient de DRS handmatig, door via een knop op het stuur de DRS-klep te activeren als het vrijgegeven is door de systemen op het circuit.

Foto 1: achtervleugel Mercedes W12, uit studio-opname (Video/foto: Mercedes AMG F1)

Voor de DRS-klep en de hoogte waarop deze open kan en mag gaan, gelden zeer strikte regels. De opening tussen de steunplank en DRS-klep mag niet meer dan tien millimeter hoog zijn. Dit vormt dus een spleet tussen de DRS-klep en de steunplank, die op foto’s soms te zien is, met de juiste achtergrond en als deze foto vanuit de juiste hoek genomen is. In de foto hieronder (foto 2) is dat duidelijk. Het gras en de rode kerbs zijn nét zichtbaar in de foto tussen DRS-klep en steunplaat.

Foto 2: Hamilton met Mercedes W12, DRS inactief, Silverstone 2021 (Foto: Mercedes AMG F1)

De maximale opening van de DRS, de hoogte van het gat tussen DRS-klep en steunplaat is 85 millimeter. Dat is de eerdergenoemde tien millimeter voor de spleet in gesloten toestand, plus 75 millimeter voor de DRS-klep zelf. Een geopende DRS is goed te zien in de foto hieronder (foto 3). Dit lijkt niet heel veel, maar die 75 millimeter extra geeft op het eind van het rechte stuk een boost in snelheid van zo’n vijftien tot twintig kilometer per uur. Dat maakt met de acceleratie van deze auto’s alsof je met een raket je voorligger inhaalt.

Foto 3: Hamilton in W12 in GP Stiermarken, DRS geactiveerd, vleugel open (Foto: Mercedes AMG F1)

Achtervleugelcontroverse keert terug in Brazilië

Na de hele soap rond flexibele achtervleugels in de eerste helft van het seizoen, waar onder andere Red Bull en Alpine gebruik van maakten, had niemand verwacht dat er nog een controverse zou ontstaan met betrekking tot dit onderwerp. Maar in Brazilië plofte de zeepbel toch weer. Dit gebeurde nadat Adrian Newey en Paul Monaghan als vertegenwoordigers van Red Bull een grote hoeveelheid documentatie bij de FIA op tafel legde, na afloop van de vrije trainingen.

De FIA controleerde vervolgens na afloop van de kwalificatie alle auto’s met betrekking tot de maximale DRS-opening. Zoals we ondertussen weten, had dat een diskwalificatie tot gevolg voor Hamilton en diens auto, aangezien deze niet aan de eisen voldeed. Het is echter nog steeds niet duidelijk of dit een standaardtest was van de FIA, of dat deze test getriggerd werd door de documentatie van Red Bull. De FIA was niet bereid de achtervleugel na deze diskwalificatie al meteen terug te geven aan Mercedes. Het bleek later dat er twee schroeven los zaten aan één kant, die in principe de steunplaat bevestigen aan de ophangarmen. Dit was de kant waar de discrepantie gevonden was die tot de diskwalificatie leidde.

Foto 4: detail achtervleugel W12 Bahrein test (Foto: F1 Maximaal)

Het is over het algemeen erg moeilijk om goede beelden van een achtervleugel te vinden, maar de titelfoto en foto 4 geven een goed beeld van de gesloten achtervleugel van een Mercedes W12. Deze foto's dateren van de testweken in Bahrein van dit jaar. In de foto hieronder (foto 5) zijn de onderdelen aangegeven die van belang zijn voor deze discussie. De DRS-klep is aangegeven met een 1, de steunplaat met een 2, en de spleet tussen beide met een gele lijn en een 3. In Qatar kwam de FIA met een nieuwe test, waar (nog) geen straffen aan verbonden werden. Gewichten van 40 kg werden aan de vleugelbasis, de steunplaat dus, gehangen aan weerskanten om te zien hoe deze zich gedroeg ten opzichte van de rest van de structuur.

Zoals duidelijk te zien is in foto 1 zal door de kromming van de steunplaat een gewicht van 80 kilogram in totaal, een kleine 800 Newton (784 Newton om precies te zijn), te vergelijken zijn met ongeveer 1600 Newton aan druk door rijwind op de steunplaat, zo niet meer, gezien de kromming en hoek waarmee deze naar boven afloopt. Of dit voldoende is voor deze test is nog niet bekend, maar een TD (Technical Directive) van de FIA met betrekking tot dit onderwerp wordt verwacht in Saoedi-Arabië. Dat wil zeggen dat de FIA dus gaat komen met specifieke voorschriften voor de eisen die gesteld worden aan deze steunplaat, in aanvulling op de limieten van 85 millimeter en tien millimeter die al gelden voor de DRS-opening en spleet tussen steunplaat en DRS-klep.

Foto 5: onderdelen achtervleugel W12 Bahrein-test (Foto: F1 Maximaal)

Hoe Red Bull achter het Mercedes-geheim kwam

Red Bull had als onderdeel van haar onderzoek onder meer een fotograaf de opdracht gegeven om foto’s te maken van de achtervleugel van de Mercedes W12, en zij zijn bij monde van Christian Horner tot de conclusie gekomen dat de steunplaat van de achtervleugel van de Mercedes W12 flexibel is, en dat de spleet van tien millimeter aanzienlijk groter wordt bij snelheden vanaf ongeveer 260 kilometer per uur. Een foto van een onbekende fotograaf (mogelijkerwijs Steve Etherington van Motosport Images) deed naar aanleiding hiervan de ronde op het internet. Om duidelijker te maken wat er hier aan de hand is, hebben wij deze foto gebruikt, met dank aan de fotograaf, om uit te leggen wat er gebeurt.

Foto 6 toont vier plaatjes van de rechterachterkant van de achtervleugel van de Mercedes W12 in Brazilië. Dit is een achteraanzicht, en wat duidelijk te zien is, zijn de krassen of schaafplekken net onder of achter de top van de steunplaat, zie nummer 1 van de vier plaatjes. Deze vreemde plekken lijken te duiden op een steunplaat die kan bewegen. Hierdoor worden deze kras- en schaafplekken veroorzaakt, mede onder invloed van de trillingen van een op hoge snelheid rijdende raceauto. In plaatje 3 zijn deze plekken omcirkeld in groen, en is de spleet tussen steunplaat en DRS-klep aangegeven met een rode pijl. Deze spleet is hier smal, en lijkt te voldoen aan de maat die hiervoor staat, namelijk maximaal tien millimeter.

Foto 6: achtervleugelscenario’s (Foto: onbekend)

Als de steunplaat als het ware verbogen wordt conform de schaafplekken en krassen die zich op de ophangingsarm van de vleugel bevinden, dan vormt zich een ander beeld, zoals is aangegeven in plaatje 2. Het groen omcirkelde deel in plaatje 4 laat dan zien dat de schaafplekken dan volledig verdwijnen achter de steunplaat, maar ook dat dan de spleet tussen steunplaat en DRS-klep aanzienlijk groter wordt.

Dit is ook duidelijk in de vele video’s die de rondte doen op social media. Het lijkt erop dat de spleet zich dan verwijdt tot 20 millimeter of zelfs 25 millimeter, dit alles nog zonder DRS. Feitelijk wordt hier een soort mini-DRS gecreëerd, die altijd werkt vanaf snelheden van rond de 260 kilometer per uur. Voor de DRS zelf betekent dit ook nogal wat, omdat de DRS-opening nu gaat van een totaal van 85 millimeter naar 95 millimeter of zelfs 100 millimeter. Dit zou duidelijk in strijd zijn met de voorschriften.

Maken die tien of vijftien millimeter voor Mercedes echt zo’n verschil?

Zonder precieze waarden voor weerstandscoëfficiënt, downforce, oppervlaktedoorsnee (oppervlakte van het vooraanzicht van een auto), glijhoek (de hoek die de bovenkant van de auto maakt ten opzicht van de rijwind) en luchtdichtheid wordt het behoorlijk moeilijk om te berekenen wat de werkelijke winst is van wat ogenschijnlijk maar een paar luttele millimeter in DRS-openingshoogte lijken te zijn. Wat echter al gauw duidelijk wordt bij het bestuderen van wat literatuur op het internet is dat de toegestane DRS-opening tot wel 30 procent reductie in drag kan geven voor een F1-bolide. Als dit al zoveel verlaging van de drag geeft, zou die extra tien of vijftien millimeter dus best wel een significant verschil kunnen maken.

Verder hebben downforce en drag een lineaire relatie met elkaar, net als met wat effectief de autodoorsnede is als verder alles gelijk blijft. Drag en autosnelheid hebben een kwadratische relatie, aangezien drag namelijk kwadratisch toeneemt met de snelheid. We weten ook dat de dragreductie voor de standaard DRS-opening zo’n vijftien kilometer per uur kan schelen in topsnelheid. Met het idee hier toch aan te gaan rekenen en om een overzicht te krijgen van topsnelheden en verschillen daarin zijn in tabel 1 hieronder de topsnelheden aangegeven voor de laatste vier circuits van de coureurs in de teams die concurreren voor beide wereldkampioenschappen. De bedoeling is om een startpunt te vinden voor berekeningen en schattingen voor mogelijke snelheidswinsten bij veranderende DRS-openingen.

Tabel 1: topsnelheden in kilometer per uur van Red Bull en Mercedes van de laatste vier races.

Als we op basis van de tabel Brazilië dan even buiten beschouwing laten, omdat daar de snelheidsverschillen wel extreem hoog zijn, zien we dat de Red Bulls overal ongeveer dezelfde topsnelheid halen. Bottas heeft alleen in Mexico een ongeveer gelijke snelheid als Hamilton, en hij lijkt een probleem te hebben in Brazilië. In Austin, Texas, lopen de snelheden van beide teams niet echt ver uit elkaar, en met uitzondering van Hamilton lijkt dat ook het geval in Qatar. Aangezien de topsnelheden rond de 320 kilometer per uur liggen op de plekken waar het gelijk op gaat, lijkt dat een goede snelheid om onze schattingen mee te beginnen. Hierbij gaan we er voor de schattingen vanuit dat de winst in topsnelheid met DRS open dan als startpunt voor het gemak vijftien kilometer per uur hoger ligt.

Met behulp van de formule voor drag en wat algebraïsche bewerkingen kunnen we berekenen wat de verhoudingen zijn voor drag en downforce ten opzichte van een gesloten DRS-klep. De waarden die we aanhouden voor de opening zijn dan logischerwijs tien millimeter voor gesloten klep, 85 millimeter voor open klep, en twee extra waarden voor een beweegbare steunplaat, namelijk 95 millimeter en 100 millimeter, ofwel tien millimeter en vijftien millimeter meer.

De berekeningen voor de snelheidsfactor zijn zowel berekend vanuit lineair berekende snelheid, en uit drag. In beide gevallen natuurlijk wel als factor die gecorrigeerd is voor het kwadratisch aspect van de relatie tussen drag en snelheid. Dit resulteert in een bandbreedte waartussen de topsnelheden met grotere DRS-openingen zouden (kunnen) vallen. De berekende waarden en voorwaarden zijn weergegeven in de onderstaande tabel (tabel 2).

Tabel 2: geschatte topsnelheden met verschillende DRS-openingen (hoogtes).

Uit eerdere schattingen, zonder pen of papier dan wel rekenmachine, leek het er al op dat deze kleine extra opening al gauw zou kunnen resulteren in een kilometer of vijf aan extra topsnelheid. Feitelijk bevestigen deze schattingen dit, te weten tussen 3,7 en 6,9 kilometer per uur voor een tien millimeter grotere opening, en zelfs 7,5 tot 10,8 kilometer per uur voor een vijftien millimeter grotere opening. Dit laatste was best onverwacht.

Als Mercedes dit inderdaad heeft toegepast, dan verklaart dit ook waarom Red Bull hier mee naar de FIA is gestapt. Het was ook duidelijk in Qatar dat daar niet dezelfde vleugel gebruikt werd door Mercedes, en het leek daar ook niet voor te komen. Met de nieuwe tests en een mogelijke TD (Technical Directive) van de FIA is de verwachting dat dit ook definitief verleden tijd is, en dat het speelveld weer gelijk getrokken is, in ieder geval op dit gebied. De race naar het wereldkampioenschap lijkt hiermee weer helemaal open.