01.06.2015
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Against the wind

Die Evolution der Aerodynamik

Neben den Reifen bietet die Aerodynamik in der Formel 1 die besten Möglichkeiten, entscheidende Zehntelsekunden zu gewinnen. Daher kämpfen die Konstrukteure mit enormem Aufwand darum, den Wind zu besiegen und den sogenannten Abtrieb zu erzeugen - seit 35 Jahren, als die ersten Heckflügel auf Formel-1-Rennwagen montiert wurden.

Höchstgeschwindigkeiten

928 Meter geradeaus, mit Tempo 310 vorbei an der gigantischen Palmenblatt- Tribüne, dann in die Haarnadel und zurück auf die Start-Ziel-Gerade. Der Blick auf das spektakulärste Teilstück des 1999 eingeweihten Sepang Circuit legt den Verdacht nahe, dass hier vor allem der Top-Speed entscheidet. Doch verfolgt der Zuschauer anschließend, wie sich die Autos durch langsame, mittelschnelle und nahezu mit Vollgas zu durchfahrende Kurven schlängeln, wird schnell klar: Diese Betrachtungsweise ist überholt. In der Formel 1 gibt es ohnehin keine einfachen Lösungen, und Sepang ist dafür das beste Beispiel: Es gilt, die Autos so zu formen und abzustimmen, dass sie auf den Geraden mithalten und zugleich den in den Kurven wirkenden seitlichen Fliehkräften bei möglichst hohem Tempo widerstehen können.

Jedes Rennen aufs Neue

Auf dem weiten Feld der Aerodynamik wird der gordische Knoten der Formel 1 geknüpft - bei jedem Rennen aufs Neue. Durchschlagen lässt er sich nicht, es gibt keine Abstimmung, die in allen Streckenabschnitten optimal wirkt.
Die größte Kunst der modernen Formel 1 besteht darin, dem Ideal näher zu kommen als die Konkurrenz. Am Computer, im Windkanal und auf der Rennstrecke wird die Form des Boliden geschärft, werden Flügel und Windabweiser ebenso geformt wie der Diffusor an der Unterseite des Hecks. Alles, um die Luftströmungen möglichst perfekt zu kanalisieren und möglichst viel Abtrieb zu erzeugen.

Aerodynamik heute, das heißt Millimeterarbeit, heißt Feilen am winzigsten Detail. Ein Luftleitblech zwischen Vorderrad und Seitenkasten kann mehr Tempo bringen als ein paar zusätzliche PS.
Die Aerodynamik ist einer der wichtigsten Faktoren bei der Konstruktion eines Formel-1-Autos. Der Weg zu dieser Erkenntnis war gesäumt von waghalsigen Versuchen, revolutionären Erfindungen und technologischen Weiterentwicklungen.
Dabei war der Begriff der Aerodynamik in den frühen Jahren des Motorsports eher ein Fremdwort: Die Front der Fahrzeuge war ein ,,unüber-windbares“ Hindernis, das Auto erzeugte Auf- statt Abtrieb. Und so wurde manche Konstruktion der frühen Jahre schlicht vom Winde verweht...

Die Anfänge

Am Anfang stand die Stehtribüne. So wurden die enorm hohen Heckflügel bezeichnet, die 1968 in der Formel 1 auftauchten. Die durch den Fahrtwind erzeugten Kräfte konnten damals noch nicht genau berechnet werden, so dass die Teams nach dem Try-and-Error-Verfahren vorgehen mussten.
In der Folge brachen die auf zierliche Stützen montierten Heck- und Frontflügel immer wieder ab. Die FIA reagierte, indem sie im darauf folgenden Jahr vorschrieb, dass die Flügel direkt am Heck befestigt sein mussten.

Keilform

Ein Geniestreich von Konstrukteur Colin Chapman wies 1972 der Formel 1 den Weg in die Zukunft. Chapman stattete den Lotus 72 mit einer spitzen Nase sowie einem flachen Bug in geschlossener Keilform aus, die Kühler wurden in Seitenkästen versteckt. Diese sorgten zudem dafür, dass sich der Schwerpunkt des Autos nach hinten verlagerte.
Prompt gewann Lotus sowohl die Fahrer- als auch die Konstrukteurs-WM. Dank der revolutionären Aerodynamik fuhr der Lotus auf der Geraden bei gleicher Motorleistung 15 km/h schneller als das Vorgängermodell.

Flugzeugflügel

Colin Chapman war es auch, der 1977/78 eine weitere wegweisende Erfindung machte. Beim mit Hilfe eines Windkanals entwickelten Lotus 78 erzeugten umgekehrte Flugzeugflügel Abtrieb, das Auto wurde daher ,,Wing Car“ genannt.
Die Dichtleisten an der Seite des Lotus schlossen praktisch mit dem Asphalt ab. So entstand ein Unterdruck, der das Auto auf die Fahrbahn presste und enorm hohe Kurvengeschwindigkeiten erlaubte. Der Erfolg ließ nicht lange auf sich warten: 1978 holte sich Lotus -Pilot Mario Andretti den WM-Titel.

Windgeschützte Benzinpumpen

Die so genannte ,,Ground -Effect-Ära“ dauerte bis 1982. Bereits vor der Saison 1981 hatte die FIA aus Sicherheitsgründen den Einsatz beweglicher Schürzen an der Unterseite der Formel-1-Autos verboten, um die Bodenfreiheit zu erhöhen und das Tempo in den Kurven wieder zu verringern.
1983 trat dann die Flachboden-Vorschrift in Kraft, die alle aerodynamischen Hilfsmittel verbot, die Abtrieb am Unterboden erzeugten. Daraufhin wurden die Autos wieder schmaler konstruiert. Jetzt begannen die Entwickler damit, an kleinen Aerodynamik-Details zu feilen. So wurden etwa Benzinpumpen in windgeschützten Bereichen am Heck angebracht.

Aerodynamik im Zentrum

In den 90er Jahren wurde die Aerodynamik endgültig zum zentralen Thema der Formel-1-Entwicklung.
Zu den wichtigsten Innovationen zählt etwa die Frontpartie des Tyrrell von 1990: Harvey Postlethwaite gelang es dabei, die Luft wesentlich besser um Unterboden und Kühler zu lenken. 1993 führte Williams die aktive Radaufhängung ein, sie sorgte für einen unveränderten und damit optimalen Anströmwinkel.
Die FIA reagierte auf den Erfindungsgeist der Ingenieure mit weiteren Einschränkungen, um durch die Verringerung der aerodynamischen Effizienz für niedrigere Kurvengeschwindigkeiten und damit für mehr Sicherheit zu sorgen. So wurden 1994 alle elektronischen Hilfen verboten, darunter auch die aktive Radaufhängung. Doch die Designer schaffen es immer wieder, dass die Einschränkungen durch Innovationen und verbesserte Berechnungen kompensiert werden.

Luftleitbleche

Im Jahr darauf sah man erstmals Luftleitbleche in der Formel 1. Sie verringerten die durch die Frontflügel verursachten Turbulenzen.
Bis 1998 wurde außerdem mit zahlreichen Flügelvarianten experimentiert, so fanden sich bei Tyrrell die so genannten X-Flügel und viele Teams führten die Winglets ein, kleine Zusatzflügel an den Außenseiten der Heckflügel. Die FIA sorgte wiederum durch einschneidende Änderungen am Reglement (schmalere Autos, Rillenreifen) dafür, dass die Aerodynamiker neue Wege im Kampf gegen den Wind finden mussten.

Laser im Windkanal

Die meisten Teams besitzen mittlerweile eine n eigenen Windkanal, in denen an rund 3600 Stunden im Jahr gearbeitet wird - das entspricht 150 Tagen.
In den modernen Windkanälen werden die Luftströmungen per Laser sichtbar gemacht. Es gilt mehr denn je, das Auto in Balance zu bringen - und zwar mit einem Setup für alle Gegebenheiten der jeweiligen Strecke. ,,Die Konstruktion muss dafür sorgen, dass jederzeit möglichst viel Abtrieb garantiert ist“, sagt Max Nightingale, Chef des Bereiches Fahrdynamik bei Williams, ,,eine Art dynamischer Abtrieb ist wichtig, um das Fahrzeug immer in Balance zu halten - ob auf schnellen Geraden, schnellen oder in langsamen Kurven.“

Kampf um Hundertstel

Was die Saison 2003 angeht, wurde auf den Teststrecken der eine oder andere ungewöhnliche Flügel gesichtet.
Beim aktuellen Stand der Technik sind umwälzende Neuerungen wie in den 60er oder 70er Jahren allerdings nicht zu erwarten. Der gordische Knoten hält nach wie vor, die modernen Aerodynamiker setzen auf Evolution statt auf Revolution. Denn sie wissen, dass es in der Formel 1 auch zum Sieg reichen kann, wenn man nur ein paar Hundertstelsekunden pro Runde findet.

Serienfahrzeug

Im Gegensatz zur Formel 1 geht es im Serienfahrzeugbau nicht darum, das Auto um den Bruchteil von Sekunden schneller zu machen.
Und doch steht auch im Fokus der Aerodynamiker im Serienfahrzeugbau vor allem der Luftwiderstand. In der Tat hängen die Fahrleistungen eines Autos vom Luftwiderstand ab: Er beeinflusst Verbrauch, Höchstgeschwindigkeit und in geringerem Ausmaß das Beschleunigungsvermögen. Alles also kaufentscheidende Merkmale.
Gerade in Puncto Sicherheit können aber die Serienautos durchaus von der Formel 1 lernen. Sicherheitsexperte Dr. Christoph Lauterwasser vom Allianz Zentrum für Technik: ,,Generell nimmt die Fahrstabilität mit zunehmender Geschwindigkeit ab. Aus der Luftströmung an Ober- und Unterseite der Karosserie resultiert eine Kraft senkrecht zur Fahrtrichtung, die als Auftrieb bezeichnet wird. In der Regel ist dieser Auftrieb beim Serienfahrzeug positiv, weist also nach oben und hat das Bestreben, das Fahrzeug anzuheben und damit die Räder zu entlasten. Das ist für die Stabilität der Fahrtrichtung von Nachteil.
Leicht beherrschbar bleibt ein Fahrzeug mit wenig Auftrieb und ausgeglichener Auftriebsverteilung. Aerodynamische Anbauteile wie die Bug- und Heckspoiler können, wenn sie richtig auf das Fahrzeug abgestimmt sind, zu besserer Fahrstabilität beitragen und sogar teilweise den Luftwiderstand verringern.“

Serienmäßig finden sich Spoiler oder Flügel vor allem bei Supersportwagen, deren meist flaches und relativ breites Design zu deutlichem Abtrieb führen kann, jedoch auf Kosten des Luftwiderstands. Ein hoher Abtrieb ist ein wesentlicher Sicherheitsaspekt. Besonders auf kurvigen Streckenabschnitten wird so die Straßenlage stabilisiert. Aber auch für „zivilere“ Fahrzeuge bieten die Autohersteller Ausstattungspakete zu aerodynamischen Optimierung an. Dazu gehören Front- und Heckschürzen, Seitenschweller oder Heckspoiler.

Geringerer Verbrauch, mehr Sicherheit: Diese entscheidenden Vorteile einer guten Aerodynamik haben dazu geführt, dass im modernen Design von Serienautos der überflüssige Zierrat kaum Chancen hat. Elemente wie die in den 60er Jahren vor allem in den USA, aber auch in Europa verbreiteten Heckflossen sind Geschichte.
In den Entwicklungsabteilungen der Automobilhersteller wird im Gegenteil versucht, immer geringere cw-Werte zu erreichen. Schon liegen Design-Studien vor, bei denen nur noch 0,16 cw gemessen werden - ein Luftwiderstand, nur noch halb so groß wie bei aktuellen Personenwagen. Zum Wohle des Kunden werden also die Autos der Zukunft noch weniger Luftwiderstand für einen geringeren Verbrauch haben. Außerdem werden sie eine Abtrieb erzeugende Gesamtaerodynamik für eine höhere Fahrstabilität und höhere Sicherheit besitzen.

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