Quelle est la technologie dérivée des fusées cachée dans les pontons extraordinaires de Mercedes ? · Fans de course
Mercedes a surpris le paddock en révélant il y a une semaine aujourd’hui un nouveau design spectaculaire de ponton pour le deuxième test de pré-saison.
Alors que les avantages aérodynamiques des pontons rétrécis ont suscité de nombreux commentaires, le différenciateur technologique clé dans leur conception semble résider dans le refroidissement de la voiture. La nouvelle technologie de transfert de chaleur développée dans l’industrie aérospatiale pourrait être la clé qui a ouvert cette opportunité pour Mercedes d’emballer sa voiture plus étroitement que la plupart sur la grille.
Au cours du test, le directeur de la technologie de la Formule 1, Pat Symonds, a fait référence à une société avec laquelle, selon lui, Mercedes a travaillé sur le développement de son refroidisseur intermédiaire.
«Je pense que le refroidisseur intermédiaire vient de Reaction Engines dans l’Oxfordshire, des gens qui fabriquent ce genre de moteur-fusée à respiration d’air. Les retombées de cela ont été cette technologie d’échangeur de chaleur vraiment extrêmement efficace et je pense que c’est en partie la raison pour laquelle ils ont pu produire la voiture comme ils l’ont fait.
Mercedes a rencontré des problèmes de refroidissement dans le passé, notamment lors du Grand Prix d’Autriche en 2019. Leur chemin de développement ultérieur semble les avoir conduits à des solutions de pointe.
Comment garder une voiture de Formule 1 au frais
Le but ultime en Formule 1 est d’être la voiture la plus rapide et de terminer la course en premier. Afin d’avoir le temps le plus rapide sur la planche, les équipes doivent équilibrer quatre facteurs clés : la puissance, l’adhérence, la traînée et le poids.
Le refroidissement joue un rôle clé dans trois d’entre eux. Un meilleur refroidissement peut conduire à plus de puissance, que ce soit en pointe ou pendant la course ; un refroidissement plus efficace peut réduire la traînée ; et une conception de refroidissement innovante peut conduire à un ensemble plus léger.
Il y a plusieurs composants clés qui doivent être refroidis dans une voiture de F1. Ceux-ci incluent l’air d’admission après avoir été comprimé par le turbocompresseur (également appelé « air de suralimentation »), le système hybride, le moteur V6 et divers composants électroniques basse tension (tels que l’ECU).
La majorité des systèmes de transmission tels que les moteurs électriques (MGU-K et MGU-H), les onduleurs, la batterie haute tension ERS et le moteur à combustion interne utilisent un refroidissement liquide. Le liquide de refroidissement éloigne la chaleur des composants chauds du groupe motopropulseur et s’écoule à travers les canaux d’un radiateur, est refroidi par l’air qui le traverse et est renvoyé vers les composants.
Plus les composants du groupe motopropulseur peuvent être conservés au frais, plus ils peuvent fonctionner à chaud et plus longtemps, ce qui améliore les performances et la fiabilité. Ce système de refroidissement est conceptuellement le même que celui que vous trouveriez dans une voiture de route standard.
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Le refroidisseur intermédiaire
Le seul milieu qui est refroidi pour obtenir des performances directes est l’air de suralimentation qui alimente le moteur. Si la compression de l’air à l’aide du turbocompresseur le rend plus dense pour la combustion, elle élève également sa température. Comme la température d’admission est essentielle aux performances d’un moteur, l’air de suralimentation passe à travers un échangeur de chaleur appelé refroidisseur intermédiaire.
L’idée de base est que lorsque l’air de suralimentation chaud traverse les canaux du refroidisseur intermédiaire, un fluide plus froid, généralement de l’air ambiant, passe sur le refroidisseur intermédiaire et la chaleur de l’air de suralimentation est transférée à l’air ambiant. C’est ce qu’on appelle un refroidisseur intermédiaire «air à air» et il est courant dans les voitures de tous les jours.
Un autre type de refroidisseur intermédiaire est un refroidisseur intermédiaire « air-eau ». Dans ce cas, la même admission comprimée chaude va dans le refroidisseur intermédiaire mais est refroidie par de l’eau. L’eau est ensuite refroidie par un radiateur secondaire par l’air ambiant.
Cette conception a des compromis. D’une part, le refroidisseur intermédiaire est moins affecté par la vitesse du véhicule car l’eau peut retenir la chaleur et agir comme un «condensateur» de chaleur pendant une courte période. Ceci est particulièrement utile aux départs de course où vous avez un tour de formation relativement lent et restez assis sur la grille pendant quelques minutes.
Un refroidisseur intermédiaire « air-air » normal aurait très peu de refroidissement car la voiture ne se déplace pas sur la grille et les voitures de F1 n’ont pas de ventilateurs sur les refroidisseurs intermédiaires ou les radiateurs. Mais d’un autre côté, ce système « air-eau » nécessite une boucle de refroidissement secondaire pour refroidir l’eau, ce qui entraîne une conception plus complexe et un poids supplémentaire.
Optimisation du refroidissement
L’optimisation du refroidissement sur une voiture est un acte d’équilibre entre les températures de fonctionnement idéales des composants, la traînée aérodynamique et le poids de la conception. Ceci est particulièrement difficile sur une voiture de course car la vitesse du véhicule fluctue considérablement autour d’un circuit et la conception du refroidissement doit fonctionner pour les pistes les plus chaudes dans la chaleur estivale, mais aussi être suffisamment légère pour ne pas entraîner une pénalité de poids trop importante sur les pistes les plus froides. De plus, le système doit être capable de faire face à des cycles d’accélération brusques où la chaleur est générée très rapidement et également de fonctionner tout en suivant d’autres véhicules où le débit d’air est réduit.
Pour optimiser le refroidissement, les ingénieurs doivent jouer avec plusieurs dimensions telles que la surface du radiateur, l’espacement des ailettes, le diamètre du tube, le taux d’expansion, le débit et le nombre de passages du liquide de refroidissement. Tous ces différents paramètres de conception affectent les caractéristiques clés des radiateurs, à savoir la traînée et le rejet de chaleur. Le but de cet exercice d’optimisation est de trouver la traînée la plus faible tout en maintenant une quantité acceptable de rejet de chaleur dans tous les types de conditions de fonctionnement.
Un facteur essentiel à la conception du refroidissement est l’efficacité de l’échangeur de chaleur (radiateur). Il s’agit du rapport entre la quantité réelle mesurée de chaleur échangée entre les fluides chaud et froid et le maximum théorique. Plus ce rapport est proche de 100 %, plus le système d’échangeur de chaleur est efficace et plus la conception de l’échangeur de chaleur peut être petite et moins dense.
Selon la conception du radiateur, ce rendement peut également fluctuer avec la différence de température entre les fluides chaud et froid, la vitesse de passage de l’air dans le radiateur et le débit du liquide de refroidissement. De nouveaux matériaux, de nouvelles conceptions de canaux de refroidissement et d’ailettes et des méthodes de fabrication pionnières sont autant de moyens par lesquels les ingénieurs essaient d’atteindre une efficacité maximale et de maintenir des rendements élevés sur une large plage de fonctionnement.
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Innovations dans la technologie de refroidissement
De tout nouveaux secteurs sur le marché de l’aérospatiale tels que la propulsion à hydrogène, le vol supersonique de passagers et le décollage et l’atterrissage verticaux électriques repoussent actuellement les limites de la technologie de refroidissement. Dans l’aérospatiale, comme le sport automobile, il est essentiel d’avoir des solutions de conception légères, aérodynamiques, fiables et durables. Reaction Engines est une entreprise qui fait la une des journaux avec sa technologie de refroidissement.
Reaction Engines a été fondée en 1989 par trois ingénieurs de propulsion de Rolls-Royce pour concevoir et construire SABRE, un moteur-fusée à respiration synergétique. Ce moteur en cours de développement vise à propulser un avion de zéro à cinq fois la vitesse de vol atmosphérique du son – et jusqu’à Mach 25 pour l’espace – avec un seul étage.
Pour y parvenir, Reaction Engines a développé un pré-refroidisseur innovant à haut rendement qui prend l’air chaud et comprimé à des températures qui feraient fondre le moteur, et le surrefroidit pour alimenter la chambre de combustion de la fusée où il est allumé avec stocké. hydrogène liquide.
En 2019, l’équipe a testé avec succès cette technologie de pré-refroidisseur et a pu éteindre (refroidir rapidement) l’air de 1 000 °C aux températures d’entrée du moteur en 0,05 seconde. Reaction Engines a développé cette technologie innovante et mis en place un département Applied Technologies pour « appliquer notre expertise en gestion thermique à une gamme d’industries », y compris le sport automobile. De tels sauts dans l’efficacité des échangeurs de chaleur seraient un énorme avantage pour les équipes de Formule 1 pour leurs conceptions de refroidissement.
D’autres sociétés telles que HiETA Technologies utilisent des capacités avancées de fabrication additive (impression 3D métallique) pour concevoir des échangeurs de chaleur uniques, légers et efficaces. La fabrication additive permet des conceptions innovantes qui ne pourraient pas être produites à l’aide de méthodes d’usinage ou de coulée traditionnelles. L’une de leurs applications innovantes est un refroidisseur d’air de suralimentation à eau. HiETA affirme que leur « refroidisseur d’air de suralimentation est une pièce monocomposant qui peut fournir une diminution de température allant jusqu’à 150°C en utilisant deux étapes de refroidissement ». Une solution aussi légère et efficace serait très attrayante pour les équipes de Formule 1 et les fabricants de groupes motopropulseurs.
Le design audacieux « pas si nouveau » de Mercedes
La nouvelle Mercedes W13 qui est apparue à Bahreïn avec peu ou pas de pontons est l’aboutissement d’années de développement. Ce n’est un secret pour personne que Mercedes a déplacé tout son système de refroidissement vers le milieu de sa voiture, ses pontons devenant de plus en plus étroits et la moitié arrière du châssis devenant plus étroite au fil des ans.
Les pontons de cette année sont certainement un grand pas dans cette direction, mais ce n’est pas quelque chose qui a été réalisé du jour au lendemain. Une conception comme celle-ci nécessite une intégration étroite du châssis, du bloc d’alimentation, de l’ensemble aérodynamique et, surtout, du refroidissement.
Le directeur technique d’AlphaTauri, Jody Egginton, soupçonne que Mercedes a trouvé une nouvelle technique de refroidissement « très nouvelle ». « Il se peut que leur solution, combinée à leur PU [power unit] conditions de fonctionnement, signifie qu’ils pourraient proposer une solution très nouvelle et raffinée. Cela pourrait donc les amener à avoir un peu plus de liberté quant à la façon dont ils distribuent leur ligne centrale de refroidissement aux pontons.
«Chaque équipe essaie d’emballer son refroidissement du mieux qu’elle peut. Mais je suis sûr que c’est une décision consciente de la part de Mercedes d’emballer de manière à leur donner cette liberté. »
L’équipe d’Egginton utilise une unité d’alimentation Red Bull développée par Honda qui a un ensemble de refroidissement différent. «Nous avons notre approche du refroidissement et nous sommes évidemment avec le même bloc d’alimentation que nous avons depuis plusieurs années maintenant. Nous sommes assez convaincus qu’il s’agit d’une solution d’emballage étanche, mais il est très probable que nous utilisions différentes technologies pour différents fabricants de PU. Cela signifie que notre répartition du refroidissement et la manière dont les technologies sont utilisées sont différentes. »
Mercedes s’efforcera bien sûr d’empêcher les détails les plus fins de leur système d’émerger. Mais l’autre question importante sans réponse est de savoir quels gains de performances les sidepods offrent. Après les tests, Mercedes a insisté sur le fait qu’ils n’étaient pas dans une forme aussi compétitive que Red Bull ou Ferrari à l’approche de la nouvelle saison, des affirmations qui ont été accueillies avec scepticisme par leurs rivaux.
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