INTRODUCTION
"Formule Libre", "voitures illimitées", ces mots sont de la musique pour les oreilles et un rêve pour tous les ingénieurs du sport automobile du monde entier! Avec plus de vingt ans d'expérience dans le sport automobile en tant qu'ingénieur, principalement en Formule 1 et en Endurance (Prototypes Le Mans), je ne fais pas exception.
Je suis passionné par la riche histoire du sport automobile et j'ai une fascination, en particulier, pour la période du sport automobile des années 1960/1970, qui a vu apparaitre les plus grandes innovations techniques, appendices aérodynamiques mobiles, effet de sol, voitures "aspirateur", turbines à gaz ou voitures à six roues, etc... C'était une époque de liberté technique où la conception des voitures de course était un art d'expérimentations pratiques plutôt que la science qu'elle est devenue aujourd'hui. En tant qu'ingénieur en compétition automobile, une question m'a toujours obnubilé depuis que j'ai commencé ma carrière. Quelles seraient les performances, à quoi ressemblerait une voiture de course spécialement conçue pour les circuits si le règlement technique était entièrement libre de toutes contraintes, à l'exception de conserver tous les dispositifs de sécurité actuels (halo, monocoques renforcées et homologuées, installation du réservoir d'essence, etc...), avec pour objectif évident de réaliser les temps au tour les plus rapides jamais vus sur les circuits de course automobile contemporains?
LE PINACLE est une tentative de réponse
à cette question. Si vous deviez demander à dix ingénieurs différents,
vous recevriez dix réponses différentes, ce qui rend les choses
encore plus fascinantes. Notamment parce qu'avec tant de libertés,
ce serait un challenge très difficile de couvrir tous les concepts possibles,
même avec les outils de simulation
les plus avancés dont nous disposons aujourd'hui. Il est même possible qu'il n'y ait jamais de réel
vainqueur d'une telle compétition car elle repousserait les limites physiques des pilotes
aux frontières des capacités humaines. A cet égard, je dois rendre hommage
à l'article de Peter Wright, "A Christmas Reverie/Une rêverie de Noël"
publié en 1998, qui partage sa propre vision d'une voiture de course illimitée
et qui a été une grande source d'inspiration pour moi. Peter
Wright était l'un des ingénieurs ayant participé à la conception des voitures à effet de sol du Team Lotus de Formule 1
à la fin des années 1970, je recommande fortement cette lecture!
Dans cette page, je vais vous expliquer
la logique et les choix techniques derrière le concept. j'éspère que vous
apprécierez certaines des caractéristiques uniques de la voiture. Bien que
mes partenaires et moi-même ayons apporté de sérieuses et solides contributions
techniques, y compris des études CFD, dans le projet, la voiture doit être
prise pour ce qu'elle est, il s'agit d'un concept préliminaire de voiture de course de records et avec plus
de ressources allouées à son développement, il continuerait à évoluer.
Tout ce qui est présenté ici est basé sur
des technologies contemporaines (ou passées/interdites), ce n'est ni de la fantaisie, ni de la science-fiction.
"J'éspère que vous apprécierez le voyage."
Sébastien LAMOUR - 30/03/2023
o 
1
2
3
4
5
6
7
GROUPE MOTOPROPULSEUR
Parlons de chevaux
Pour la définition des paramètres clés et des objectifs d'une voiture illimitée, il est très tentant d'essayer d'avoir le plus de puissance moteur possible. Cependant, il y a une limite pratique à la façon dont cette puissance et ce couple peuvent être exploités, dans la quête des performances ultimes sur un circuit.
Nous avons effectué des simulations de temps au tour (y compris simulateur de pilotage avec pilotes dans la boucle) pour évaluer ce que serait la puissance optimale pour une voiture de records de temps au tour sur circuit. Augmenter la puissance du moteur a beaucoup d'impact sur la conception d'une voiture. Cela nécessite un moteur, et ses composants associés, dimensionnés à la hausse (radiateurs plus gros, transmission plus résistante, etc...), ce qui en retour se traduit par plus de poids et des pertes aérodynamiques.
Nos études m'ont permis de conclure que la puissance optimale est atteinte aux environs de 1600 ch, ce qui m'a conduit à deux candidats possibles quant à l'architecture du moteur: moteur à pistons compact et turbocompressé ou turbine à gaz.
Moteur et transmission
En terme de rapport poids/puissance, il n'y a pas de concurrence pour les turbines à gaz telles qu'elles sont utilisées sur les hélicoptères par exemple. Elles sont très puissantes (bien que cela s'accompagne d'une consommation de carburant très élevée), très fiables et légères. Cependant, elles sont conçues et construites pour offrir leur puissance maximale à une vitesse de rotation constante, ce qui signifie qu'elles ne conviennent à une application de voiture de course compétitive, seulement lorsqu'elles sont couplées avec une boîte de vitesses de type CVT (transmission à variation continue). Avec des ressources R&D illimitées, une turbine à gaz et une transmission CVT seraient la combinaison parfaite.
J'ai décidé d'adopter une approche plus réaliste. Le concept a été développé autour d'un moteur V6 de 1,6 L de cylindrée, couplé à deux turbos. Il s'agit d'une architecture similaire aux spécifications des moteurs de Formule 1 actuels, mais sans la partie hybride/éléctrique et sans aucune limitations sur la pression de suralimentation ou le débit de carburant (et un turbocompresseur supplémentaire). Ce moteur sur mesure devrait nous permettre d'atteindre notre objectif de puissance (avec une pression de suralimentation élevée) dans un ensemble très compact et léger.
La voiture a été conçue comme une propulsion. L'objectif étant les records de temps au tour sur circuit, il est clair que de tels objectifs ne peuvent uniquement être atteints que dans des conditions de piste sèche et la voiture a été pensée autour de cette idée. Tout couple distribué aux roues avants provoque un sous-virage et nos simulations n'ont pas montré d'avantages nets qui justifieraient le poids et la complexité supplémentaire d'une quatre roues motrices. Pour la même raison, j'ai exclu toute forme de groupe motopropulseur hybride ou électrique. Toutefois, j'aime l'idée de pouvoir utiliser un carburant synthétique, dont les derniers développements se révèlent équivalents à leurs homologues à base de carburants fossiles en terme d'efficacité.
La transmission est assurée par une boîte de vitesses séquentielle à 8 rapports avec la possibilité de changements de rapports automatiques pour aider le pilote à s'adapter aux temps de réponse plus courts requis, eu égard aux performances de la voiture. Délivrer 1600 ch au sol au moyen des seules roues arrières va nécessiter beaucoup d'adhérence à basse vitesse, ce qui sera obtenue grâce à notre configuration aérodynamique unique.
AÉRODYNAMIQUE
Encore une voiture "aspirateur"?
Quand on pense à une voiture de course illimitée, les voitures "aspirateur" viennent en premier à l'esprit. Est-ce le cas ici? La réponse est oui mais pas seulement!
Les ventilateurs sont un moyen très efficace de créer une énorme quantité d'appui à partir de 0 kilomètre à l'heure, en créant le vide sous la voiture. Cependant, le niveau d'appui généré par les ventilateurs reste constant quelle que soit la vitesse. Avec l'aérodynamique conventionnelle (ailerons, diffuseurs, etc...), l'appui augmente proportionellement au carré de la vitesse. Par conséquent, il existe une vitesse pour laquelle l'appui aérodynamique généré par l'effet de sol dépasse l'appui généré par le ventilateur. Lors de nos études, j'ai pu observé que cette vitesse est atteinte à environ 150 kilomètres à l'heure, ce qui signifie que le ventilateur sera plus efficace dans les virages à faible vitesse et l'aérodynamique à effet de sol prendra le dessus dans les virages à vitesse moyenne-élevée.
Produire des niveaux élevés d'appuis à basse vitesse est essentiel au succès de notre configuration de propulsion. Atteindre encore plus d'appuis à des vitesses plus élevées est tout aussi important pour que la voiture atteigne ses objectifs de performances. J'ai décidé d'obtenir le meilleur des deux technologies, en combinant les deux caractéristiques grâce à un arrangement unique et innovant de dispositifs aérodynamiques actifs. Le concept est une voiture à effet de sol avec jupes d'étanchéité latérales combinée avec l'utilisation d'un ventilateur monté à l'arrière du diffuseur. Ainsi, la voiture fonctionne selon deux modes, un mode ventilateur et un mode effet de sol. Le passage d'un mode à l'autre s'effectue en ligne droite (comme avec les systèmes DRS), pour éviter les changements brusques d'appuis aérodynamiques et d'adhérence, donc les instabilités. Le ventilateur est entrainé par la boîte de vitesses et est donc propulsé directement par le moteur, ce qui nécessite une augmentation de puissance d'environ 150 ch lorsqu'il est activé.
En mode "aspirateur", le dessous de la voiture
doit être entièrement étanche pour que l'air pompé et extrait du dessous de la voiture
puisse créer le vide. Deux panneaux mobiles, un positionné à l'entrée du diffuseur et
un autre positionné à la sortie du diffuseur, se ferment (mode "aspirateur")
ou s'ouvrent (mode effet de sol). Ces volets
sont actionnés hydrauliquement par des pistons de façon similaire au fonctionnement des systèmes DRS.
L'étanchéité latérale du dessous de la voiture s'appuie sur la flexibilité et l'aéroélasticité de ses éléments, qui a été
spécialement conçue pour.
Des jupes, en Kevlar, sont directement intégrées dans les extrémités latérales du diffuseur.
De plus, les aubes du ventilateur peuvent pivoter grâce à un
actionneur hydraulique afin de réduire leur blocage en mode effet de sol.
Aérodynamique active
Les autres dispositifs aérodynamiques actifs comprennent un DRS (système de réduction de traînée) qui actionne hydrauliquement le deuxième élément de l'aileron arrière en ligne droite.
Les entrées d'air des pontons ont un dessin unique comportant une rampe avec trois entrées de forme oblongue, dans le but d'alimenter en air les systèmes de refroidissement de la voiture. Pour les trois entrées (de chaque côté de la voiture), la conception a été faite pour permettre à deux volets de se fermer ou s'ouvrir. Ils sont actionnés par de petits moteurs électriques. Cela permet un large éventail de stratégies et combinaisons possibles : réduire la traînée aérodynamique en ligne droite pour obtenir quelques kilomètres à l'heure supplémentaires, compromis plus optimal entre la traînée et le refroidissement dans les lignes droites et les virages, etc...
Il est très tentant dans une formule illimitée
d'avoir de nombreux éléments actifs et mobiles. Cependant, chaque actionneur hydraulique ou électriques
génèrent plus de poids, plus de complexité (à travers leurs moteurs, leurs unités de contrôle, leurs câbles, etc...)
et je voulais obtenir le juste équilibre sur cet aspect. Par ailleurs, l'utilisation de l'aéroélasticité dans la conception
d'appendices aérodynamiques offre également de nombreuses opportunités pour rendre des éléments mobiles, sans être pénalisé par le poids.
Où est l'aileron avant ?
La voiture n'a pas d'aileron avant
comme nous les connaissons sur les monoplaces contemporaines. En effet,
avec une liberté totale sur la conception du dessous de la voiture, nous avons pu atteindre
notre objectif de balance et centrage aérodynamique (qui pour des raisons de stabilité doit
être légèrement en arrière du centre de gravité de l'auto) sans utiliser un aileron avant complet.
Cependant, notre configuration avant avec les carénages de roues nous permet d'ajouter des appendices
aérodynamiques pour ajuster l'équilibre
de la voiture, si nécessaire, en fonction du profil de chaque circuit. Cette solution offre également l'avantage
de pouvoir fixer ces dispositifs aérodynamiques directement sur les
masses non suspendues de la voiture.
Roues carénées
Pour la plupart d'entre nous, les roues découvertes sont la signature des voitures de formules monoplaces. Pendant une très longue période dans l'histoire du sport automobile, le compromis a été de ne pas couvrir les roues afin de gagner du poids compte tenu que les carrosseries étaient alors réalisées en aluminium et que l'aérodynamique était une préoccupation secondaire.
Il y a eu cependant quelques exceptions et
certaines machines de Grand Prix entièrement carénées (y compris les roues)
ont été vues dans le passé sur des pistes à grande vitesse. La dernière Formule 1
entièrement carénée ayant pris part à une course était une Vanwall lors du Grand Prix de France 1957.
Vous avez peut-être remarqué que le concept LE PINACLE porte le numéro 57!
Les roues carénées ont ensuite été interdites,
ce qui a définitivement figé dans l'esprit des gens, ce à quoi une monoplace
devait ressembler. Cela n'a plus beaucoup de sens de nos jours.
Aujourd'hui, la technologie de la fibre de carbone offre la possibilité de construire
des pièces de carrosserie extrêmement légères. De plus, la pénalité aérodynamique due à la traînée des
roues découvertes est importante, l'utilisation de pneus larges étant un standard en Formule 1 depuis des décennies maintenant.
Cela nous a amené à opter pour l'adoption de carénages de roues. Ils ont principalement deux fonctions : réduire la traînée et évacuer le sillage et les perturbations aérodynamiqes générées par la rotation des roues avants vers les côtés de la voiture, ceci afin d'éviter que ce flux d'air "sale" n'interfère de manière négative avec le flux d'air alimentant l'arrière de la voiture et en particulier l'aileron arrière. Les carénages de roues arrières réduisent également la traînée et servent aussi à évacuer le sillage des roues arrières, dans une moindre mesure par rapport aux roues avants. Nous avons laissé quelques zones ouvertes au-dessus des pneus à l'avant et à l'arrière, dans le but d'atteindre le compromis optimal entre l'aérodynamisme et le poids (le sillage et les perturbations aérodynamiques dues à la rotation des roues se créent sur la partie arrière des pneus, qui est la partie que nous avons gardé couverte).
Les carénages sont directement attachés aux assemblages des roues et ils font partie de la masse non suspendue de la voiture. Cela leur permet d'être aussi compacts que possible, en tenant seulement compte de la centrifugation des pneus sans avoir à prendre en considération les déplacements verticaux des roues sous charge ou leur braquage. Ils intégrent les conduits de refroidissement des freins ainsi qu'un carénage de la partie extèrieure des roues grâce à un panneau de carrosserie séparé. Ces panneaux extérieurs sont montés directement sur les assemblages de porte-moyeu des roues, de la même manière que les enjoliveurs statiques vus pour la dernière fois en Formule 1 en 2009. Ils sont attachés aux carénages de roues principaux grâce à des grenouillères pour un retrait rapide des roues (veuillez noter encore une fois qu'il s'agit d'une voiture de records et il n'y a pas la contrainte d'arrêts rapides aux stands).
Et le refroidissement alors!
Développer une voiture avec 1600 ch n'est pas sans incidence
sur les aspects du refroidissement. Même si la voiture
a été conçue comme une voiture de records, sans la
nécessité d'aller au bout d'un Grand Prix de deux heures, nous voulions toujours
être en mesure d'effectuer une série de tours avec une fiabilité satisfaisante.
Aussi parce qu'on ne bat pas des records
sur des séries de tours uniques. Il est nécessaire
que le pilote s'adapte à la voiture et en exploite les limites.
Par ailleurs, aucune équipe technique ne veut reconstruire une voiture ou un moteur après chaque tour.
L'installation des systèmes de refroidissement est assez conventionnelle, à travers des faisceaux de radiateurs constitués de tubes et d'ailettes. Les faisceaux ont une forme torsadée pour un packaging optimal. Par ailleurs, les côtés des radiateurs sont directement exposés à l'écoulement d'air externe de la voiture, dans le but d'obtenir un peu plus de refroidissement de surface tout en économisant un peu de poids sur la carrosserie, qui est ajourée en conséquence (l'idée du concept consiste à repousser toutes les limites possibles en terme de recherche de performances).
CHÂSSIS
La sécurité d'abord!
Le châssis a été conçu en tenant compte des dernières normes de sécurité en monoplaces, ce qui signifie que la voiture a été dessinée autour d'une monocoque en carbone dotée d'une structure Halo. Les verrières telles qu'on les trouve sur les avions de chasse ont été exclues car elles relèvent plus de la science-fiction pour le moment. Il y a eu beaucoup de recherches autour de ce genre de concepts ces dernières années mais il s'est avéré très difficile de les adapter aux monoplaces de compétition automobile notamment quand il s'agit de cocher toutes les cases concernant le poids, la résistance et la capacité du pilote à s'extraire rapidement de l'habitacle.
Dynamique du véhicule pour 7Gs en virages
Lors de nos essais avec simulateur sur notre piste de référence, le circuit de Catalogne à proximité de Barcelone en Espagne, LE PINACLE est plus de 10 secondes plus rapide que les voitures actuelles de Formule 1 en qualifications, avec des accélérations latérales pouvant atteindre jusqu'à 7Gs. Cela s'accompagne d'une vitesse de pointe supérieure à 400 km/h dans la ligne droite principale. Cela se situe juste aux limites des capacités humaines. Des combinaisons anti-G pourraient s'avérer nécessaires pour aider les pilotes à supporter des G aussi élevés. Dans ce cas, nous n'opterions pas pour celles utilisées par les militaires dans les avions de chasse car elles sont très lourdes mais pour une conception sur mesure, un équipement similaire aux combinaisons anti-G utilisées dans le Championnat du monde de voltige aérienne "Red Bull Air Race" par exemple (leur poids est d'environ 7 kg).
La voiture a été architecturée autour d'un réservoir d'essence plus petit par rapport aux voitures de Formule 1 actuelles car, même si la consommation de carburant va être beaucoup plus élevée avec ce concept, la voiture n'a pas besoin d'avoir l'autonomie d'un Grand Prix complet de deux heures. Cela nous a permis de concevoir la voiture en fonction d'un rapport empattement sur voies beaucoup plus favorable à ce que nous connaissons sur les machines de Formule 1 contemporaines. La voiture est conçue autour de voies avant et arrière généreuses, dans le but de maximiser les performances dynamiques, en virages, de la voiture. Cela a également pour effet d'augmenter la surface projetée du dessous de la voiture, ce qui favorise l'effet de sol et augmente aussi la force d'appui générée par le ventilateur (qui dépend directement de la surface et du volume étanche sous l'auto).
Retour de la suspension active!
Etant donné que les performances aérodynamiques de la voiture s'appuient principalement sur un effet de sol massif (en mode "aspirateur" aussi bien qu'en mode effet de sol), les suspensions actives sont le seul moyen d'obtenir une performance aérodynamique constante et optimale en veillant à ce que les hauteurs de caisse de la voiture soient toujours sous contrôle. Il s'agit aussi d'une question de sécurité pour éviter des phénomènes tels que les rebonds qui sont un problème récurrent sur les véhicules à effet de sol roulant à de très faibles hauteurs de caisse. Et enfin, cela garantie un minimum de confort de conduite du point de vue du pilote. Dans le cas contraire, une suspension conventionnelle à combinés ressorts/amortisseurs aurait nécessité une configuration extrêmement rigide pour supporter ce niveau de charges aérodynamiques au détriment de la maniabilité.
La technologie de suspension active a été envisagée comme très similaire aux technologies introduites en Formule 1 au début des années 1990 avant leur interdiction. Ce sera un système de suspension active avec contrôle complet des hauteurs de caisse et de l'amortissement, activé par des actionneurs hydrauliques sur chaque roue (allongement ou raccourcissement des poussants ou tirants) et géré par un calculateur électronique en fonction de la charge aux roues.
En ligne droite, le système de suspension ajustera également les hauteurs de caisse pour minimiser la traînée aérodynamique, en supplément de l'activation du DRS.
Mixage des pneus
Les pneus constituant le seul lien d'une voiture avec le sol, ils sont les éléments essentiels de la dynamique d'un véhicule. Des G élevés génèrent beaucoup d'énergie dans les pneus, les faisant surchauffer. C'est pourquoi des structures et des composés de gomme spécifiques sont nécessaires.
J'ai choisi d'opter pour des roues de 18 pouces à l'avant, de taille similaire à celles de la nouvelle génération de Formule 1 2022. Cela offrira des pneus plus rigides à l'avant tout en permettant à la suspension active de supporter des charges aérodynamiques élevées et à maintenir les hauteurs de caisse et l'assiette de la voiture de manière optimale. Cependant, j'ai décidé de nous en tenir à des roues de 13 pouces à l'arrière, de taille similaire aux roues de Formule 1 de la génération précédente (2017-2021). Les pneus plus souples à l'arrière permettront une meilleure traction, compte tenu de l'énorme quantité de couple que les roues arrières doivent transmettre au sol (s'agissant d'une propulsion).
De plus, ce sera une économie de poids bienvenue par rapport à l'utilisation de roues de 18 pouces sur les quatre coins.
L'énergie introduite dans les pneus est fonction de la masse de la voiture, des niveaux de G et des angles de dérapage auxquels les pneus sont soumis. L'objectif étant d'atteindre les plus hauts G possibles et sachant que les angles de dérapage ne peuvent pas être trop faibles pour des questions de maniabilité, il convient donc d'agir sur la masse qui doit être la plus basse possible pour extraire le maximum de performance et de durabilité des pneus.
"Light is right/La légèreté est bonne"
La voiture a été conceptualisée comme utilisant les dernières technologies composites et de matériaux en fibres de carbone pour sa construction.
L'intention est également de faire une utilisation intensive des technologies modernes d'impression 3D et en particulier l'impression 3D métal (aluminium et titane) qui permet d'optimiser la conception et le poids des pièces à des niveaux inégalés. Notre vitrine pour cette approche est notre conception organique de l'arceau de sécurité. Une conception que nous offrons aux yeux du public à travers un carénage de lexan transparent (le lexan étant par ailleurs plus léger que le carbone).
Des thermoplastiques renforcés de fibres de carbone seront aussi utilisés. Ce matériau, dans sa forme composée de longues fibres, est interdite en Formule 1 bien qu'il soit largement utilisé dans l'industrie aérospatiale, aéronautique et la défense. Des composants tels que les porte-moyeux ou les jantes pourraient bénéficier de cette technologie pour un gain de poid substantiel.
En conséquence et sur la base de nos calculs, nous avons pour objectif une voiture qui pèserait moins de 720 kg, pilote inclus.
SPÉCIFICATIONS TECHNIQUES
Châssis: Monocoque en composites de carbone avec structure Halo
Moteur: V6 biturbo 1.6L (1600 ch, extra boost de 150 ch pour l'activation du ventilateur),
carburant synthétique (neutre en carbone)
Transmission: Boîte de vitesses séquentielle longitudinale à 8 rapports (double embrayage).
Passages automatiques ou semi-automatiques des rapports possibles (palettes au volant).
Poids ciblé : < 720 kg pilote inclus (distribution des masses avant/arrière: 45/55 %)
Dimensions: Empattement 3,300m
Voie Avant: 1,77m ; Arrière: 1,78m
Longueur: 5,14m
Largeur: 2,33m
Hauteur: 1,02m
Freins: Disques et plaquettes en carbone sur mesure. Étriers très légérs en aluminium sur mesure
(6 pistons avant/4 pistons arrière).
Aérodynamique: - Pontons en forme d'aile inversée sur toute la longueur, jupes d'étanchéité latérales aéroélastiques
- Ventilateur de 390 mm de diamètre entrainé par la boîte de vitesses (pas variable actionné hydrauliquement)
- Panneaux d'étanchéité du diffuseur avant et arrière (actionnés hydrauliquement en mode "aspirateur")
- DRS (Système de Réduction de Trainée) sur le second élément de l'aileron arrière (actuateur hydraulique)
- Entrées d'air de refroidissement des pontons variables (volets actionnés par de petits moteurs électriques)
- Appuis aéros : 4500kg à 300km/h ; Balance aérodynamique avant/arrière: 40/60 %
Suspensions: Double triangles avant/arrière. Système de suspension entièrement actif avec contrôle complet des hauteurs de caisse et
de l'amortissement (actionné hydrauliquement par des poussants à l'avant et des tirants à l'arrière).
Roues et pneus: Roues Avant: jantes 18 pouces ; Arrière: jantes 13 pouces
Pneus Avant: Diam. 710mm, Larg. 390mm ; Arrière: Diam. 660mm, Larg. 450mm