Kui Tallinna tudengivormelitiimi ehk Formula Student Team Tallinna ehk FSTT juhendaja Kristjan Maruste nägi videot, mille Red Bulli vormel 1 tiim tänavuse hooaja sissejuhatuseks internetti üles riputas, tulid talle mitmed asjad tuttavad ette. „Meil on ka auto samamoodi seinale pandud, kasutame konstrueerimisel samu tehnoloogiaid. Ja me tegime käigukasti ussvõlli täpselt samamoodi kergemaks nagu nemadki.“
Nojaa, aga kuulge, sõbrad – Formula Student pole ju mingi vormel 1! See oleks umbes nagu siga ja kägu võrrelda. Autod näevad nii erinevad välja, et tavaline tossukulutaja, kes vormeleid vaid televiisorist näinud, ei oskaks tudengivormelit üldse „päris“ vormeliks pidada. Tegelikult on aga vahe vaid vormis, mitte sisus. Tallinnas, ühes Uue Maailma tagahoovis, konstrueeritakse võidusõiduautosid samadel põhimõtetel kui Milton Keynesis, Wokingis või Maranellos. Ka nii-öelda taktikaline lähenemine on sama – optimeerida detaile selliselt, et mass väheneks, aga omadused ei halveneks. Ent miks siis tulemus ikkagi nii erinev välja näeb?
Kristjan Maruste võtab riiulist paksu kollase kausta ja koputab selle kaanele. „Üks põhjus on siin – meie reeglistik. Teine põhjus on rajad – meie sõidame umbes kolm korda aeglasemalt kui vormel 1“. Muidugi on vahe ka eelarves, mida auto projekteerimiseks ja ehitamiseks kasutada saab, aga see pole põhjus, vaid pigem tagajärg. Samas jätavad Formula Studenti reeglid auto loojatele tohutult rohkem vabadust kui vormel 1 äärmiselt ranged ja üksikasjalikud tehnilised tingimused.
Lisaks on veel üks parameeter, mida auto konstrueerimise alguses tuleb arvestada – sõitja. Ta peab autosse ära mahtuma ja tal peab seal suhteliselt mugav olema. Seepärast alustasidki FSTT poisid oma auto loomist vana hea modelleerimisega.
„Andsime Jürile rooli kätte, panime ta maha istuma, umbes nii, nagu ta vormelis peaks istuma,“ selgitab Maruste protseduuri käiku. „Ta sättis ennast nii, et enam-vähem mugav oleks, ja meie tegime sellest foto. Pildi sisestasime omakorda CAD-i keskkonda, ja alustasime selle ümber raami joonistamist.“
Jüri on Jüri Oleitšuk, FSTT esipiloot juba mitu head aastat, ja seetõttu on temalt mõõtu võetud ainult üks kord. Ent raami „juurdelõikamisel“ peab arvestama ka vedrustusega – selle kinnituspunktid pannakse paika omaette arvutiprogrammis. Praktikas näeb tegevus välja nii, et „raamimees“ ja „vedrumees“ istuvad korra nädalas kokku ning püüavad leida mõistliku kompromissi teineteise vajadustest-võimalustest lähtuvalt. Kui see käes, lüüakse raam ja vedrustus „lukku“. Kuna ühe, ka pisikese muudatuse tegemine võib ahelreaktsioonina kaasa tuua vajaduse kogu masin ümber projekteerida, on väiksematel sõlmedel ka nõrgem tähtsus. Näiteks peab pedaalikarbi projekteerija igal juhul kohendama oma loomingut raami järgi, mitte vastupidi.
Tänavu ehitab FSTT oma esimest elektrivormelit ning sellel on mitmed täiesti uued trikid, mida projekteerimise varajases staadiumis tuleb arvestada. Kuna tudengivormelite sõidud on üsna lühikesed (umbes 20 km) ja tankimine käib kiiresti, pole sisepõlemismootoriga autol ilmtingimata tarvis muretseda kütuse kaalu ega mahu pärast (ehkki võistlusel saab vähese kütusekulu eest lisapunkte).
Elektrivormeliga on teine lugu. Kaasaveetava energia hulgaga tuleb väga täpselt arvestada. Näiteks kui tagatiib seada nii, et see tekitab palju surujõudu, tõuseb küll auto kiirus kurvides, ent õhutakistus suureneb ja energiat kulub rohkem.
Lisaks kõigele on akud kobakad ja rasked. Üks esimesi põhimõttelisi küsimusi, mida FSTT pidi lahendama, puudutaski akupakkide asukohta. Esimene võimalus oli panna need küljekarpidesse difuusori peale – siis poleks aerodünaamika kannatanud, kuid auto raskuskese oleks tõusnud. Aga kaaluti ka difuusori eemaldamist ja akupakkide paigutamist võimalikult maapinna lähedale.
Omad head ja vead on mõlemal, ent kumb kumma üles kaalub? Siin astuski areenile arvutisimulatsioon ehk programm nimega IPG Carmaker. FSTT poiste põhiline katsepolügoon, Rapla kardirada on ammu programmi sisestatud ja seal virtuaalvormelitega tuhandeid ringe läbitud. Nüüd tuli vaid kahe uue autoversiooni andmed masinasse toksida, simulatsiooniprogramm lasi kummalgi kümme minutit virtuaalset rada nühkida ja oligi võrdlusmaterjal käes. Selgus, et difuusorist loobumine on halvem variant, pigem võivad akud asuda natuke kõrgemal. Vahe polnud suur, aga siiski olemas.
Enam-vähem samasugune dilemma on ka akude mahutavusega. Mida rohkem energiat saab kaasa vedada, seda enam mootorist võimsust kätte saab. Kuid suurema mahutavusega akud kaaluvad rohkem ja seetõttu läheb osa lisaenergiast paratamatult aku enese liigutamiseks. Seega tuleb otsustada, kas teha auto võimas ja raske või mitte nii võimas ja kerge. Kuldse kesktee aitab jällegi leida IPG.
Programm on uskumatult nutikas. Võiks ju arvata, et pole mingit mõtet lasta autol arvutis kümme minutit sõita, tulemus peaks ju paugupealt selge olema. Tegelikult arvestab IPG ka auto parameetrite muutumist ajas, näiteks rehvide soojenemist, ning ringiajad ei tule sugugi kõik ühesugused. Arvuti elimineerib juhi vead ja väsimise, ent vajadusel saab virtuaalse juhi sõidumaneeri – agressiivne, rahulik jne –ette anda.
Paraku, nagu Murphy tehnikaseaduste kogus kirjas, „on eksimine inimlik, aga asjade tõeliselt vussi keeramiseks läheb tarvis arvutit“. Loomulikult kehtib see ka simuleerimisel. Kui ikka eeldused on vildakad, läheb tulemuski lootusetult puusse. Seega on oluline omada võimalikult rohkem ja võimalikult täpseid algandmeid. Vahe F1-ga on põhiliselt andmehulgas – näiteks ainuüksi rehvil on seal üle saja numbrilise parameetri – samuti lubab superarvutite võimsus suuremat arvutustäpsust. Tudengivormelit seevastu „jooksutatakse“ tavalises sülearvutis, kus ta läbib ringe kiiremini kui päriselus.
Sedasama simulatsioonitarkvara saab kasutada ka muul eesmärgil. Jüri Oleitšuk „ehitas“ just IPG abil valmis Rally Estonia publikukatse kunstliku trampliini. Ülesande tegi keeruliseks trampliini asukoht – ideaalis peaks maandumine toimuma allamäge, aga Otepääl asus trampliin hoopis tõusul. Oleitšuk jõudis lõpuks sellise lahenduseni, et täishooga üle trampliini kihutav auto pidi ilusti neljale rattale maanduma. Kes hoogu maha võttis, pidi ninali prantsatama.
„Esimest korda elus käisin ma rallit vaatamas, et näha, kas meie arvutused paika pidasid,“ räägib ka Maruste. Pidasid – kes gaasi julges peal hoida, maandus neljale rattale, kes mitte, kukkus nina peale.
Ent sugugi mitte kõik simulatsioonid ei käi nii kiiresti nagu virtuaalvormeli ringid Rapla kardirajal. CFD ehk Computational Fluid Dynamics ehk arvuti-hüdrodünaamika on vormel 1-s juba aastaid imepärane vahend aerodünaamika timmimisel. Sedasama tehnoloogiat kasutab ka FSTT, ehkki tudengite käsutuses olev riist- ja tarkvara pole mõistagi nii vinge kui proffidel. Samuti ei käi nad oma autoga tuuletunnelis mõõtmisi tegemas. Sellel on hulk põhjusi, mis laias laastus koonduvad sõnapaari „kole kallis“.
Tallinna tudengid on CFD-d kasutanud juba mitu aastat, kuid tänavusel hooajal jõuti uuele tasemele. Varem arvutati auto aerodünaamikat sirgjoonelisel liikumisel, nüüd aga on tiivad optimeeritud töötama 15-kraadise nurga all. Ehk surujõud saavutab tipu just kurvi sisenemisel, kus seda kõige enam tarvis, mitte sirgel. Arvutused on muidugi keerulisemad ja võtavad kauem aega, kuid ka tulemus tuleb „õigem“.
CFD leiab samuti rakendust sisse- ja väljalaskekollektorite projekteerimisel, kus samuti tegemist gaaside liikumisega. Võiks arvata, et autokerega võrreldes on paari kokkukeevitatud torujupi käitumist üsna lihtne läbi arvutada, aga võta näpust. Väljalaskekollektori „läbipuhumiseks“ pannakse arvuti õhtul tööle ja kibe rehkendamine käib hommikuni välja.
Üksikute detailide kavandamisel kasutatakse masinprojekteerimist. CAD ehk computer-aided design on tänapäeval väga võimas tööriist. Mõned tunnustatud F1-konstruktorid pidavat siiamaani oma tööd joonestuslaua ja pliiatsiga tegema, aga Maruste arvates on see pigem müüt. CAD teeb paari minuti jooksul ära töö, millega tavavahenditega kuluks nädalaid.
CAD-projekteerimine algab tavaliselt sellest, et arvutisse joonistatakse ruut, siis „kistakse“ see kolmemõõtmeliseks ehk kuubiks ning edasi hakatakse kuubist aretama vajaliku kujuga detaili. Arvuti ise midagi ei projekteeri, vaid tõesti abistab, nagu tehnoloogia nimetuski ütleb. Konstruktor ise peab hoolitsema, et algandmed oleksid õiged.
Võtame näiteks piduripedaali. Sõitja vajutab jalaga pedaali ülaossa, pedaal pöördub seepeale alaosas asuva telje ümber ja annab jõu edasi piduri peasilindrile, mis on ühendatud enam-vähem pedaali keskkohta. Põhimõtteliselt on tegu kangiga, mis edastab sõitja jalalihase tekitatud liikumise piduri peasilindrile.
Laias laastus on siin algandmeteks raami kuju, kasutatava pidurisilindri omadused ja sõitja soovid. Ning loomulikult üritatakse detail teha nii kerge kui vähegi võimalik. Kui pedaal on arvutis valmis „joonistatud“, hakatakse seda sealsamas katsetama. Pedaali ülaosale rakendatakse soovitud pidurdusrõhu tekitamiseks vajalikku jõudu ning arvuti kalkuleerib, kuidas pedaal paindub ja millised pinged selles tekivad. Graafiliselt kujutatakse seda detaili kolmemõõtmelisel kujutisel eri värvidega – mida punasem on värvitoon, seda suuremad pinged. Saadud tulemusi võrreldakse materjali voolavuspiiriga (ehk tugevusega) ning detailis tekkivad pinged peavad jääma kolm-neli korda sellest väiksemaks (seda nimetatakse varuteguriks).
Masinprojekteeritud detailidel on veel see tore omadus, et neid kirjeldavaid faile saab suhteliselt kerge vaevaga arvjuhtimispinkidele söödavaks muuta, kus siis vilunud operaatori abiga šedöövrid valmivad. Edasi on kõik teoreetiliselt juba väga lihtne – kruvi ainult tükid vormeliks kokku ja löö hääl sisse. Ning hakka võistlusi võitma. Õnneks või kahjuks on elu palju keerulisem ning paberil ... õigemini arvutis hiilgavad lahendused ei pruugi vabas looduses sugugi nii hiilgavad olla. Üllatused võivad ühtviisi tabada nii esimest aastat tegutsevat Formula Studenti tiimi kui ka teenekat vormel 1 meeskonda. Aga just see muudabki võidusõidu põnevaks.
