カテゴリー: F1マシン

2021年のF1世界選手権で実施された空力ルールの変更は、シーズン前の予想に反して勢力図に大きな変更を与えることになった。

新型コロナウイルスの影響を受け、F1は大幅なレギュレーション変更の導入を2022年に延期することを決定。2021年は基本的に2020年のシャシーをそのまま使用することになった、FIA（国際自動車連盟）はダウンフォースを制限するためにルール上で介入した。

リア周りのダウンフォースを制限するこれらのルール変更は、当初、そこまで競争力に影響はないと考えられていた。しかし、実際に2021年F1マシンがコース上を走ると王者メルセデスが大幅にパフォーマンスを低下させていることが判明。ライバルのレッドブル・ホンダがパフォーマンスを向上させていることから“レーキ角”を焦点に様々な議論を生んでいる、ここで改めて2021年のルール変更についておさらいする。

タイヤによる空力制限
2021年の技術変更の主な動機は、安定した技術ルールの下で毎年自然に発生するマシンの開発と性能の向上により、ピレリのタイヤが受けるメカニカル的なストレスを制限することにあった。

18インチのピレリのF1タイヤのデビューは2022年に延期されたため、F1は現在の13インチのタイヤを継続している。同じコンパウンドが過去2シーズンで使用されており、より大きなダウンフォースでは伝達される力を吸収することができなかっただろう。

これに加えて、新型コロナウイルスによって、ピレリは2020年の最初の6か月間、21本のタイヤの開発プログラムに適切に取り組むことができなかった。昨年後半で、ピレリはタイヤの構造を強化し、より高い応力に耐えられるように注意を払った。

昨年のシルバーストンでの2回のレースは、現在のF1マシンでタイヤがどれだけのストレスを経験しなければならないかを示す明確な例となった。レース優勝者のルイス・ハミルトンを含むいくつかのマシンがタイヤの故障に見舞われた。ハミルトンは3輪でラインを横切って勝利を収めました。これは、タイヤ酷使するサーキットでの高いタイヤ摩耗とブリスターによるものだった。

11月1日、FIAは2021年シーズンのピレリのタイヤを承認した。これは、以前にホモロゲートされたタイヤよりも大きなカーカスを備えている。それらはより大きなメカニカル的な力に対処するのにより効率的であり、より低い圧力でもブリスターが減少することが期待されている。

FIAはダウンフォースを10％削減することを目指した
タイヤへの介入にもかかわらず、FIAのニコラス・トンバジスは、全体的なダウンフォースを2020年と比較して約10％削減することを目的として、2021年の空力ルールを修正するために介入した。これは明らかに、新しいシーズンに向けてタイヤの安全マージンを維持することを目的としていた。

ダウンフォースを制限するために、FIAは当初、2019年以降、以前よりも広い面積を持つリアウイングによって生成されるダウンフォースを制限することによって介入することを考えていた。しかし、FIAの技術者は、代わりにフロア面積に介入することを決定し、後車軸（RWCL）に向かって斜めにカットすることで空力的影響を減らした。

フロアでのカットは、マシンの縦軸に直交するCC平面から正確に開始される。これは、エンジンマウントが配置されているフレームの後部と一致する（技術第3.7条に従って、フロントアクスルから1800mm）

フロアは2020年の構成と比較して約3分の1縮小される。これにより、リアタイヤへの空気の流れの影響を減らす複雑なスロットとエアチャネルが自動的に消える。様々なダクトは、マシンの空気力学が空気の流れを密閉するのに役立ち、シングルシーターのグラウンドエフェクトとリアディフューザーの効率を高める一種の“ミニスカート”を再現しえちた。

しかし、フロア面積の削減だけでは全体的なダウンフォースを目標の10％を達成するためには十分ではないため、技術会議で強い疑問を引き起こした。F1チームのテクニカルディレクターは、チームがパフォーマンス不足を迅速に回復できるという事実に強い疑問を表明していた。

したがって、FIAは、ディフューザーとリアブレーキダクトの制限に直接介入する空力ルールに2つの注記を追加した。

ディフューザーの場合、ルールにより、車の中心線から250mmの横方向のオフセットで抽出チャネルの内部エリアに制限が課されられる。2020年と比較すると、フィン（つまり、抽出チャネルの内部ドリフト）は、車の基準面から50mm未満である必要がある。これは、底部の中央部分の“段差”と実質的に一致する。これは、フロア斜めのカットとともに2021年マシンのリアダウンフォースを減らすのに役立ち、ディフューザーの効率を制限する。

一方、リアブレーキダクトの変更は、カンチレバーウィングレットに関係しているため、エンジニアによる極端な探求によって、マシンのこの領域が非常に複雑になり、マシンの最小要素からでも最大の空力効果を発揮していた。

何年もの間、フロントとリアの両方のブレーキダクトは、ブレーキシステムを冷却するという単一のタスクを実行しておらず、空力要素となっている。後部では、一連のカンリレバーフィンが可能な限り最大の荷重を後車軸に伝達し、コーナリング時に最高のトラクションと最大のグリップを実現しようとしている。ハブキャリアの背面図を表す下の図では、FIAが後輪軸から50mmの高さで、ウィングレットのカンチレバー延長を80mmに制限した様子を観察できる。黄色で強調表示するウィングレットは、ブレーキベルからブレーキグリップの後ろに突き出ている。

“ハイレーキ”と“ローレーキ”
現在のグリッドのF1マシンは、レッドブル・ホンダの“ハイレーキ＋ショートホイールベース”とメルセデスの“ローレーキ＋ロングホイールベース”を両端としてコンセプトが分かれる。

レッドブルの“ハイレーキ”とはフロントよりもリアの車高を高くして前傾姿勢を取らせることで、フロントを密封させてリアとの気圧の差を作り出し、マシン全体をディフューザーのように機能させてダウンフォースを発生させようというコンセプト。マシン側面から乱流がフロア下に入り込むとダウンフォース発生量に変化を及ぼすというデメリットがあった。

一方、メルセデスの“ローレーキ”は、前後の車高に変化をつけず、ロングホイールベースによってフロア面積を大きくとってフロアを地面に近することでダウンフォースを発生させるとコンセプトとなる。

2021年の空力ルールの変更は、両方のコンセプトに異なる影響を与えるが、現段階ではローレーキのマシンが打撃を受けていると考えられている。

フロア面積の縮小とそれに伴う複雑なスロットの制限は両方のコンセプトに影響を与えているが、最も影響が大きいのはディフューザーの寸歩の変更だと考えられている。

レッドブル・レーシングは、バーレーンでリアが非常に安定しており、リアのダウンフォースの損失が最も少ないように見える。これは、ダウンフォースだけでなく、タイヤの摩耗やオーバーヒートにも寄与する。

ハイレーキのコンセプトが魅力的な理由は、リアのギャップを大きくすることでディフューザーのパフォーマンスを向上させ、空気の流れを急速に拡大させ、強力な真空効果を生み出すことにある。

ハイレーキで非常に高い最低地上高を採用していたレッドブルは、すでに地面から離れたドリフトでディフューザーを操作することに慣れており、ライバルとは異なり、それがもたらす不利な点を克服することをすでに学んでいる。そのため、ディフューザーの寸法変更の影響が少なかったと考えられている。

Z字型のフロアデザインがトレンドに？
2021年のF1マシンは、空力ルールの変更に対応したフロアソリューションで2つの相反した設計トレンドを見せているが、最終的には“Z字型”のフロアが主流になっていきそうだ。

メルセデス、アストンマーティン、レッドブル、アルファタウリ、アルピーヌの5チームは、フロアが先細りになり始める場所から約200mm後方に斜めのカットアウトを作成した。この手法は、利用可能な総フロア面積の一部を放棄することになるが、フロアの形状に関してより柔軟性がある。

Z字型のフロアは、基本的にマシンの中心線に対して平行なフロアエッジを備えており、上記5チームは、斜めのエッジがリアへの気流に与える影響と考えたことを示唆している。

2021年のF1マシンは、空力ルールの変更に対応したフロアソリューションで2つの相反した設計トレンドを見せているが、最終的には“Z字型”のフロアが主流になっていきそうだ。

2021年のF1世界選手権では、ピレリのタイヤの耐久性を考慮して、ダウンフォースを10％削減するための空力ルール変更が適用された。ブレーキダクト、ディフューザーの寸法の規制に加え、フロア面積の削減が最も大きな変更となる。

開幕戦では、2つのフロアデザインに分かれた。フェラーリ、アルファロメオ、ハース、マクラーレン、ウィリアムズの5チームは、レギュレーションの意図したとおりに後部が細くなるフロアを備えている。彼らはフロアエッジに空力パーツを多用し、気流の変化を避けてきたチームだ。

一方、メルセデス、アストンマーティン、レッドブル、アルファタウリはプレシーズンテスト、アルピーヌは開幕戦からZ字型のエッジを備え、上記チームのフロアが先細りになり始めた場所から約200mm後方にセクションカットアウトを作成した。この手法は、利用可能な総フロア面積の一部を放棄することになるが、フロアの形状に関してより柔軟性がある。

Z字型のカットアウトを選択したチームは、基本的に、前の年と同様に、マシンの中心線に対して平行なフロアエッジを備えており、斜めのエッジがリアへの気流に与える影響に不満を持っていたことを示唆している。

とはいえ、全員が同じ道をたどったわけではなく、各チームのデザインには個性が見られる。特に、レッドブルは、メルセデスが選択したものと比較して、マシンの中心線と平行になるように、フロアのエッジをはるかに長く断面にする設計を選択した。

Z字型のエッジは、他の気流構造が壊れたり、意図した道から外れる可能性のあるフロア上のポイントに気流構造/渦を作成するのにも役立つ。Z字型のフロアを採用するチームは、フロア輪郭に沿って取り付けられたフィンでこれをさらに強調しており、アストンマーティンはおそらくこの点で最も積極的だ。

アストンマーティンは2列のフィンを備えており、サイドポッドの周りを移動する気流に影響を与えるポイントに配置される。ただし、その役割は、真っ直ぐなフロアのエッジを念頭に置いて流れ構造を再調整することにある。

F1マシンのこのエリアは、各チームが相互作用するフロー構造から段階的な利益を見つけ、それに応じて微調整するため、今シーズンの開発の発展を促すエリアになると考えられる。

たとえば、アルピーヌはこの点ですでに本格的に努力を払っている。バーレーンでZ字型フロア組みに加わっただけでなく、フィンとの組み合わて構成している。

アルピーヌのこの変更は、シーズンのこの早い段階でF1チームの関心がどこにあるかを強調しており、フロアが先細りする部分とリアタイヤ前の2つの重要な領域が最も開発が進められていく部分になると考えられる。

アルピーヌは、プレシーズンテストから開幕戦までに、フロアの前面だけで3ヴァージョン目、リアタイヤ前で4バージョン目のフィンの配列を投入している。開幕戦ではフロア前面には1つのフィン、リアタイヤ前には4つのストレーキを備えたものを投入した。

F1は、2025年に導入するレギュレーションで燃料消費量と車両重量の大幅な削減を計画しており、パフォーマンスを損なわないために“アクティブ・エアロダイナミスク”の導入に目を向けている。

今年2月、F1は2025年に“パワフルでエモーショナル”な次世代F1パワーユニットを導入する意向を発表。声明には、環境の持続可能性と社会的および自動車的な関連性、完全に持続可能な燃料、パワフルでエモーショナルなパワーユニットの作成、大幅なコスト削減、新しいパワーユニットメーカーにとっての魅力という5つの主要な目標が記載されいる。

F1の最高技術責任者を務めるパット・シモンズは、2025年の目標に沿って、パフォーマンスを損なうことなく燃料消費量を3分の1を削減したいと考えている。

またF1マシンの車両重量の増加にも計画している。最小重量制限は過去8年間で17％以上増加し、今年は752kgに達した。これには、各F1マシンがレースで使用できる最大110kgの燃料は含まれていない。

パット・シモンズは、従来のガソリンよりも1キログラムあたりのエネルギーを多く生成する合成燃料を導入することで、2025年から燃料を75kg未満に減らすことができることを示していると語る。

「我々はF1で大衆向けに戦っている。マシンは非常に重い」とマット・シモンズは RaceFans に語った。

「予選ラップで7.5kgの燃料ではなく2kgの燃料を搭載することが重大なことだと言えるか？　それは世界の終わりではない」

「しかし、エネルギー密度が半分しかないために100kgの燃料でレースを開始する場合、まだマシンは重い。だから、私はそこが重要だと思っている」

「このマシンで何をしたいのかを決めるときには、私はトップレベルの良い方向に向かうのであれば、マシンから同じパフォーマンスを望んでおり、使う燃料を3分の2にしたいと言った」

「同じスピード、ほぼ同じラップタイム、ほぼ同じ加速、ほぼ同じブレーキング能力、そして、ほぼ同じコーナリング能力にしたいと言った」

F1がどのように目標を達成するかについて、パット・シモンズは空力部門に目を向け、マシンのドラッグを減らすことが重要だと考えています。

「これらのマシンに非常に多くの燃料を使用している理由を理解するためにエンジニアである必要はないドラッグが高いからだ」とパット・シモンズは付け加えた。

「はるかに多くのハイブリッド化に移行しているという事実は別として、最初にやらなければならないことはドラッグを取り除くことだ」

「ドラッグを減らせる部分があるのは確かだ。しかし、そのドラッグの減少にはダウンフォースの減少が伴うため、コーナーをそれほど速く走ることはでない。したがって、それは実際にマシンにアクティブな空力を持たなければならないと言うことにつながる」

2021年のF1開幕戦は、空力規則の変更によってレッドブル・ホンダの“ハイレーキ”とメルセデスの“ローレーキ”がどのような影響を受けたかが話題のひとつとなった。F1ジャーナリストのマーク・ヒューズが The Race で考察した。

F1バーレーンGPでは、王者メルセデスF1の競争力の低下が話題となった。予選ではレッドブル・ホンダのマックス・フェルスタッペンがルイス・ハミルトンに0.4秒差をつけてポールポジションを獲得。昨年とは真逆の幕開けとなった。

新型コロナウイルスの影響によって18インチタイヤの導入が2022年に延期されたことで、2020年に新型タイヤの導入を不採用とされたピレリは、空力開発の発展をまったく見込んでいない設計のタイヤを供給することとなり、F1はリアタイヤへの負荷の増加を抑えるためにリアダウンフォースを10％削減することを目的とした技術規則の変更を行った。

結局、ピレリは2021年により強固なタイヤ構造を導入することが承認されたが、その理由はF1チームがより低いタイヤ圧で走ることが可能になるからだった。また、ダウンフォースを減らすという目的を達成するための方法は、F1チームに決定が任されていた。フロア面積のトリミングはF1チームが同意したものであり、ローレーキのチームも反対はしなかった。

フロア下のダウンフォースは、フロア面積あたりに生成される負圧量に総面積を賭けたものとなる。前傾姿勢をとったハイレーキのマシンは単位面積あたりでより多くの負圧を生成し、ローレーキはそれを補うためにホイールベースを長くして長いフロアを設けている。

だが、F1チームがレギュレーション変更に同意した当初は、フロア面積の削減と、フロアを密閉する渦を生成するスロットを禁止することにより、、多くの総床面積を失うことになるローレーキのマシンに影響がでるのか、それとも、非常に高いリアライドハイトで流れを維持するためにサイドのシーリング（密閉）に依存していたためハイレーキの方が影響が出るかは定かではなかった。

だが、F1バーレーンGPでは、ハイレーキのレッドブルが昨年比で1秒程度の遅れだったのに対し、ローレーキのメルセデスは2秒程度と大きく遅くなっており、レーキ哲学が勢力図の変化の要因であることを強く示唆した。

F1バーレーン予選でのメルセデスからレッドブルへの具体的な“1秒”の差はセクター2のターン5/6と9/10でついた。両方とも複合コーナーであり、ローレーキカーが負けていたメカニズムを強く示唆している。

それぞれのアプローチには常に賛否両論がある。しかし、ローレーキの主な欠点の1つは、フロア下の空力がうまく機能する速度粋のウィンドウが狭いことだ。

F1マシンは、低速ではアンダーステア、高速ではオーバーステアを望んでいる。また、高速で十分な安定性を維持するためにアンダーステアをセットアップに組み込む必要があり、単純にそれは低速でのアンダーステアを増加させる。

それを補う方法は、空気圧の中心点を低速コーナーで前進させることだ。これは、ハイレーキで自然に発生している。速度が下がるとレーキ角が増加し（ダウンフォースが速度とともに減少するほどリアが強く押し下げられなくなるため）、フロントウイング（およびフロアの前縁）が地面に近づき、よりアグレッシブな迎え角となることで低速でのアンダーステアを補うのに役立つ。

したがって、コーナーの速度差が大きいトラックは、ハイレーキにより有利となる（したがって、メルセデスF1にとって、ハンガロリングとセパンは他のトラックに比べて歴史的に困難となっている）。

バーレーンでのコーナースピードの差は極端ではないが、ターン5/6とターン9/10に共通しているのは、遅いコーナーに流れ込む速いコーナーであり、理想的に圧力の中心点を大きく変化する必要があると言う点だ、

ハイレーキのレッドブル・ホンダのバランスは、これらの2つの減速するシーケンスを通じて、メルセデスよりもはるかに一貫しているようだった。これは、事実上メルセデスのラップタイムの赤字のすべてを占めていた場所だった。マシンが通過する速度が一定の従来のコーナーでは、メルセデスはレッドブルと同じくらいの速さをみせていた。

したがって、レッドブルとメルセデスの差はダウンフォース量と言うわけではなく、複合コーナーでのバランスの変化ものだった。それは間違いなくローレーキに関連する制限となっているようだ。