Special Issue
〜第2章〜
SUPER FORMULA TECHNOLOGY LABORATORY Chapter 2
両角岳彦
マシンは空気を「押しのけて」走ってゆく
「自動車競技を戦うテクノロジーと、それを仕立てる技術人間たち」について、一段と「深い話」を始める前に、今日の競争自動車における「速さ」の基本について少し語っておこう。ここがわかっていないと「お仕事」の中身が見えてこないから。
いま、サーキット競技専用レーシングマシンの「速さ」の決める最大のポイントは「エアロダイナミックス(空気力学、略して空力)」だ。
どうしてか?
マシンが空気を押し分けて走ってゆく。その時、車体のまわりに空気の「流れ」が生まれる。車体が通りすぎた所では、押しのけられた空気が元の場所に戻ろうとして一気に動き回り、そこに「渦」が生まれる。こうした車体を包み込む空気の動きをうまく利用して、車体を下に、路面に向けて押す方向の力を生み出すようにすれば、それがタイヤを路面に押し付ける。
ここでもっと原点に戻って考えると、クルマが「走る」という運動、よく言われる「走る、曲がる、止まる」は、タイヤと路面の間の摩擦による力によって生み出されてゆく。このタイヤの摩擦力、俗に言う「グリップ」は、基本的に路面に向けて押し付ける力、専門的には「荷重」が大きくなるほど増える。そう簡単には言い切れないのだけれど、空力の効果でマシンが速く走れるのはなぜか。タイヤという「黒くて、丸くて、専門家にとってもよく分からないもの」の特性次第なのだが、ここでは「荷重が増えれば、グリップが増す」という大原則に沿って考えれば大丈夫。
ふつうのクルマであれば、タイヤを路面に押し付ける力として働くのは、ほぼ車体の重量だけ。しかし競技専用車両では、その車体を包む空気の動き(流れ)によって「下向きの力」が発生するようにデザインされ、この力、すなわち「空力的ダウンフォース」がタイヤへの荷重となって自重に上乗せされる形で追加される。こういう物理現象の中では「力」と「重さ」は同じ働き方をするからだ。
ドライビングを「加速度=G」でイメージしてみよう
SF13のような最新の純レーシングマシンの場合、走る速度が時速200km前後に達すると、自重の倍以上の空力的ダウンフォースを発生する。これがマシンの重さと一体になってタイヤを路面に押し付ける。しかも競技専用のタイヤは路面と接する表面(接地面)が発熱によって溶け、路面の細かい凹凸に食い込んで粘りつく。この相乗効果で、タイヤが発生する摩擦力は、4本合わせて自重の4倍ぐらいにも達するのだ。それだけ強い力を生ずる「運動」を生み出すことができる。
クルマに乗っていて加速すれば、身体は後ろに持って行かれる。ブレーキングでは前に引っ張られる。コーナーを旋回すれば外側に向かって押される。「運動」の中で物体(人間の身体も含めて)には、こうした力が働く。
その運動による力がどのくらいのものなのか。それを表すのが「加速度」であり、さらに「質量(重量)」×「加速度」で、重さや力を表すことができる。例えば我々が地球表面に静止している時、その身体には地球の重力が働いている。つまり体重は「身体の質量」×「地球の引力による加速度(重力加速度)」で表される重さであり、立っている時には、それを受け止め支える力を、足の裏で感じている。この、地球表面で物体に作用する加速度の大きさを「1G」と表している。
もちろんレーシングマシンであっても、走り、曲がり、止まる中でクルマ全体に(ドライバー自身も含めて)その運動による力が加わる。それを作り、受け止めるのがタイヤの摩擦力。その大きさが、とりわけブレーキング開始の瞬間や中高速コーナーの旋回の中では自重の4倍に達するということは、それだけ強烈な運動が生まれるわけだ。これを「G」という単位で表せば「4G」。もちろんこの加速度はドライバーの全身にも満遍なく加わっている。ふだん、ふつうのクルマで道を走っている中で、「今のブレーキング、コーナーリングはちょっときつかったな…」と感じるような運動、その瞬間の加速度のほぼ10倍…。
空気流が生む力は「速度の2乗に比例」する
というわけで、今日の純レーシングマシンの「速さ」をここまで高いレベルに押し上げているのは、まさしく空力的ダウンフォースの効果なのである。
ただし、ここにはひとつ厄介なことがある。空気(や液体などの「流体」)の流れによって生まれる力は、「移動速度(流速)の2乗に比例する」。これが自然界の原理。
つまり時速200kmで走っている時に自重の倍の空力的ダウンフォースを発生するマシンがあったとして、速度がその半分、時速100kmまで落ちた時のダウンフォースは1/4、つまり自重の半分にまで減ってしまう。このケースでは、時速200kmから100kmまで減速する中で、タイヤを押し付ける力(荷重)は自重そのものも加わって、その3倍から1.5倍に、つまり半分にまで変化し、それに伴って摩擦力も一気に減少する。
そこでドライバーは、あるスピードでタイヤの摩擦力を限界まで使ってブレーキングを開始し、そこからグリップがみるみる減ってゆくのを感覚でとらえながら、ブレーキペダルを踏む力を抜いてゆかないと、タイヤは簡単にロックして滑ってしまう。つまり「空力マシン」では、ふつうのクルマではありえないようなドライビング・テクニックの「引き出し」を、身体に染み込ませることが求められるのだ。
「空力」をセッティングするには
一方、そうしたマシン(とタイヤ)の速さをぎりぎりまで引き出すことを求められる人々、とくにトラック・エンジニアの「お仕事」においても、セッティングを煮詰めるプロセスは、それぞれのマシンの「空力特性」を考えることから始まる。
最近のレーシングマシンは、もちろん開発段階から空力が最重要ポイントであり、車両(一般的には縮尺模型)のほうを固定しておいて、その周辺に空気を流し、その気流と同じ速さで路面も動かす「ムービングベルト方式の『風洞』」を使って、その造形をどうするかの実験が繰り返される。その結果、最終的に完成したマシンがどんな「空力特性」を持っているか、調整可能な部分のどこをどう動かすと、空力特性がどう変化するか、そのデータを数値やグラフで詳しく説明した資料が作られ、それを実戦で走らせるチームに提供される。これは俗に「エアロマップ」と呼ばれ、マシンの空力特性を、エンジンの制御内容などと同じように、いくつかのファクター(どこを変えるか)を組み合わせて整理したデータである。
トラック・エンジニアは、まずこのエアロマップの数字を読み解いて、それぞれのコースの特性に合わせた空力セッティングを編み出す必要がある。
それもただ「高速コース」「低速コース」といった分類ですむほど単純なものではない。サーキットによって、それぞれのコーナーがどのくらいのタイム短縮につながるか。とくに重要なコーナーの通過速度はどのくらいで、そこできっちりダウンフォースを効かせるセッティングはどうなるだろうか。まずはそこから。
しかしそれが低速寄りのコーナーであって、そこでダウンフォースを強めようとすると、空気抵抗(ドラッグ)も増える。そのサーキットの直線はどのくらいあって、そこでの最高到達速度はどのくらいになるか。そこで追い抜きはしやすいか。レースを戦う中で、それで順位が変わるようであれば、ダウンフォースと最高速の妥協点をどこかに設定するか。あるいは、1周のタイムを削ることが重要な予選アタック用と、決勝レース用でセッティングを分けるか…。
というように、しかしこうやって書き連ねたぐらいではとても語りきれないほどの要素に目を配り、それらを組み合わせ、様々に考えを巡らせるところから、戦いは始まってゆく。
空気の力は現実の走行の中でどう働くのか
とはいえ、実際にマシンを開発・製造するコンストラクターから配布されるエアロマップをそのまま受け入れて、セッティングを進めていけるわけではない。そして「風洞」は壁で囲まれた流路の中に巨大な扇風機で作った風を流し、その中に縮尺模型を置いて実験する装置だから、リアルワールド＝つまり現実の走行と、風洞実験で起きる現象・現れる空力効果がぴたりと合うことは難しい。
計測の条件が安定している中で色々な組み合わせを試し、それがどんな傾向として現れるかを整理できるのが「実験装置」としての風洞の利点。それが現実のマシンと、現実のレーシングコースで、実際にどのくらいのダウンフォースやドラッグとなって現れるか。それを確認した上で、実戦のためのセッティングを詰めてゆかなければならない。
そこで、新しいマシンを手にしたチーム、トラック・エンジニアは、その基本特性の確認から始める。滑らかな路面の直線を、速度を変えて走り、その時にサスペンションのとくにスプリングがどのくらい縮んでいたかがわかれば、ダウンフォースの大きさが推定できる。つまりスプリング(バネ)は力を加えた分だけ縮むので、ある速度でどこまで縮んでいるかがわかれば、その時、バネに加わっていた荷重がわかる。それが速度で変化した分が、車体を押し下げる方向に働いた「空力荷重」、つまりダウンフォースの大きさ、という計算が成り立つわけだ。
今日の競争自動車には、走行中にそれぞれの要素がどう機能していたか、その状況を刻々と記録する装置が搭載されている。これが「データロガー」である。その記録の中から、ここでは直接的にはレーザーなどで車体と路面との距離(車高)を直接測るセンサー、間接的にはサスペンション・ストローク(伸縮)のセンサーのデータを読み取る。と書くと簡単そうだが、現実の路面は大小の凹凸が連続し、そこを高速で走るマシンのサスペンションは激しい振動を続けている。だからセンサーからの「生」データは当然、ビリビリと往復する波を描くものになるので、その中から「空力的ダウンフォースによる地上高の変化」だけを読み取るのは、なかなかに難しい。ここでも「絶対に確かなもの」という数値は得られない。
現実に競争自動車をセットアップするというプロセスは、そういう「幅のある数値」を受け入れて、でもひとつのレースに向けて「最速のマシン」に仕立てるべく、マシンの様々な部分の仕様設定を決めてゆく作業だともいえる。だからこそ、スーパーフォーミュラにおけるトラック・エンジニアたちの「知的競争」のレベルはきわめて高い。
セッティングの出発点は「地上高」にある
そのレベルの高さ、シビアさを垣間見るという意味も含めて、エアロダイナミックスについてもう少し「深く掘って」みよう。
今日の純レーシングマシンが、もちろんSF13も含めて、空力的ダウンフォースをどのように発生させているかといえば、マシンの底面にその鍵がある。とくにSF13はコックピットの両側に張り出した「サイドポンツーン」の下面からリアタイヤの間に伸びる底面に「ディフューザー」と呼ばれる幅広い溝状の窪みが通っている。その中でどのように「下向きの力」が生ずるのかを語り始めると、それだけで1冊の本になるぐらいの話なのだが、ここでは「前から後ろに向けて断面が広がってゆく空間の中を空気が高速で流れると、圧力が低下する。車体上面に働いている空気の圧力対して、ディフューザー(“流れを拡散させる部分”という意味)を設けた下面の圧力のほうが低くなるので、車体は下(路面)に向かって押し付けられる」という説明に止めておこう。文章だけではわかりにくいと思うけれども。
そしてこのダウンフォース、すなわち車体下面側の圧力低下、それを生み出す空気の流れは、底面全体と路面との間隙(地上高。競技車両のセッティングではこれを「車高」と言うことが多い)が変化すると変わってしまう。つまりダウンフォースが変動する。それをできるだけダウンフォースが大きくて安定して生ずる状態に保つ。これが今日の競争自動車が「空力効果で速く走る」ための鍵を握っている。
つまりマシンの底面と路面の間隙、三次元的な位置関係はできるだけ動かないようにしたい。とくに空気が流入してくる底面前端と路面の距離が動くと、そこから後方の底面全体の空力効果が、すなわちダウフォースが大きく変動してしまう。だから今日のレーシングマシンは、フロント・サスペンションがほとんど伸縮しないように見えるほど硬くセッティングされたものが多いのである。
もちろん空力的ダウンフォースは速度が上がるとその2乗に比例して増える。だから高速になるほど、スプリングを押し縮める力は急激に強まる。最高速でも縮み切ってしまわないように、極端に硬い(力を加えても縮みが小さい)スプリングを組み込む。しかし例えばカートのようにサスペンション機構がない(その分、カートはフレーム全体がしなっているのだが)クルマにしてしまうと、タイヤが路面のちょっとした凹凸を踏んだだけでも跳ね、グリップが急変する。そういう時にはしなやかに反応する「脚」にしておかないといけないから、やっぱりサスペンションは必要だ。
「エアロダイナミックスこそが速さを決める」と語ってきたけれど、それは全体像としてであって、じつはサスペンションがその小さな伸縮ストロークの中でいかにしなやかに、正確に動いてくれるか。これがタイヤのグリップをフルに使いこなすための「鍵」を握っている。
だから空力セッティングの基本が固まったら、そこから先はサスペンションの仕上げの勝負。とくに伸縮する動きの速さとデリカシーに最も大きく影響するのはダンパーだ。つまりレーシングマシンといえども、自動車が自動車らしく走るための「原理原則」から踏み出すことはないし、エンジニアが頭脳で戦う競争も、そこまで掘り下げてやっと、「速さ」という結果に結びつくのである。
脳内シミュレーション
SF13のような底面空力をフルに活用したレーシングマシンで、例えば富士スピードウェイの100R、鈴鹿サーキットのデグナー、スプーン、130Rなどのように、ダウンフォースが速さに直結するコーナーで底面前端の地上高をどのくらい変えるとラップタイムに影響が現れるのか。つまりダウンフォースの増減が目に見える量になるのか。あるエンジニアの言によれば「2mm!」だという。
基本的には地上高は低いほど、つまり空力効果を生む底面を路面に近づけるほどダウンフォースは増える。底面中央部に固定されていて路面と最初に擦れ合う『スキッドブロック』が、レースを走りきる中で規定以上に磨り減ることは許されないから、そうならない範囲でどこまで車体を下げることができるか。それが空力セッティングの出発点となる。
この地上高の設定ひとつ取っても、トラック・エンジニアはコーナーでの速度とその時のダウンフォースの発生量を推定し、サスペションのバネの硬さから基礎的な計算をしてみるところから始める(はず)。データロガーから「見えた」状況などを組み合わせて推測もする。しかしタイヤも荷重によって変形する(たわむ)し、しかもコーナーの中では外側の方が大きな荷重を受けるから、サスペンションは縮み、タイヤもつぶれて、地上高は下がる。ガソリンも100リッターで約75kgの重さがあるから、その搭載量によっても地上高が変わり、もちろんレースの中で消費してゆくにつれて地上高は上がってゆく。考えれば考えるほど、地上高をmm単位で変化させる要素は次々に出てくる。
結局は、マシンが走っている状況とその中でそれぞれのメカニズムがどう動くかを、トラック・エンジニアが自らの脳みそをフルに活動させて「シミュレーション」するしかない。
肉体の延長のように動くマシンに仕立てる
さらに、そこに「ドライバー」という要素が加わる。ドライビングのリズム、マシンが向きを変える動きをどう組み立てるかには、それぞれに個性がある。もちろん、タイヤの摩擦力がクルマの運動を生み出す。その基本を外してしまうと決して速くは走れないので、ブレーキ、操舵、アクセルそれぞれの操作のタイミングや強さ、それをどう重なり合わせるかの微妙な違いなのだが、そのリズム、すなわちドライビングの個性に対するマシンの反応がちょうど良いものになるかどうか。ひとつひとつのコーナーで100分の何秒を競う中では、ここが勝負の分かれ目となる。
とりわけフォーミュラカーは、そのコックピットに収まるドライバーにとって自分自身の筋肉・神経がそのままタイヤまでつながっている感覚で、思い描いた動きがそのまま現れるような「スポーツの道具」に仕立てることが求められるし、それが可能なだけの技術的組み合わせや精度を持って作られている。そこにこの「ドライビングの個性」に応じたファイン・チューニングとなると、これはもうトラック・エンジニアの脳内シミュレーション、その時に運転操作のタイミングと量に対してマシンがどう反応し、挙動が現れるかをイメージするところにかかっている。
レースという交響曲演奏の「指揮者」として
そのほかのトラック・エンジニアの「お仕事」については、たとえばエンジンの出力特性と、それに基づくトランスミッションのギアレシオ、すなわち『変速比』の選定(風向きによっても変更、組み換えることがある)、燃費の確認と、それに基づくレースを走り切るための燃料搭載量とピットイン時の補給量の設定、レースを走る中でその修正計算(だからレース中も電卓は手離せない)などがあり、知れば知るほどレースを観戦しつつ状況を理解し、読み解くのが面白くなることは、まだまだいくらでもある。
今のレースでは無線交信を介して走っているドライバーとコミュニケーションを取る。ほとんどのチームでは基本的にトラック・エンジニアと、そして監督だけがドライバーとの交信が可能。メカニック他のスタッフはこの交信は聞くだけで、相互の会話のみ可能、というシステムを取っている。だからトラック・エンジニアは、ドライバーには走り方、とくにエンジン制御マップの設定の指示などを状況に応じて刻々と伝える。それだけでなく、時として監督とともにメンタル面を支える言葉まで語りかける。
当然ながら予選からレースへの戦略立案に始まり、実際にスタートしてからのレース展開、自分たちのポジションなどを考え合わせた臨機応変の修正、時にギャンブルにも踏み込む計算と判断、メカニックへの作業指示まで、戦いの現場での司令塔としての役割を受け持つのも、日本ではトラック・エンジニアである。
こうしたテスト(最近は少なくなったが)と実戦を積み重ねて、同じマシンを特定のコースで走らせる機会が多いほど記録されるデータも増えるし、それぞれのコースでどんなことが起こるか、戦い方のバリエーションはどのくらいあるか、というノウハウも積み重ねられてゆく。
そうすると、何をどうしたら、どうなるか、というセッティングも、そしてレースを戦う戦略も、大枠ではなかなか差がつかず、いかに細かな所まで踏み込んで考え、仕上げるかが結果に現れるようになる。スーパーフォーミュラの「自動車競技」としての緻密さは、この「知恵の戦い」のレベルの高さによるところが大きい。
本連載記事は、下記にご案内するイベントツアーと連動して、そこで見聞するものを今まで以上に「深く」理解してもらえるように、と書き進めている。この『予習』を踏まえて、ファクトリーとサーキットを見学して頂ければ、そこに「見える」ものがきっと変わってくると思う。できるだけ多くの方々に参加していただいて、この「面白い世界」を共有できれば幸いである。
『SUPER FORMULA TECHNOLOGY LABORATORY』――自動車競争の舞台裏・見学ツアー
※募集は締切りました。
SUPER FORMULA TECHNOLOGY LABORATORY
〜第1章〜 スーパーフォーミュラは「世界で最もシビアな自動車競争」だ。
〜第2章〜 この人たちの頭脳に、レースを戦う「知恵」が凝縮されている。
〜第3章〜 モータースポーツでも勝負の流れは「事前準備」で決まる。
〜第4章〜 さあ、今年はどう走らせよう? 戦おう?