Aerodynamic Influence Over Leading and Pursuing Motorcycles Equipped With Downforce-Generation Wings

本研究は数値シミュレーションを用いて、先導するオートバイの空力翼が生成する乱流後流とコヒーレント渦が、揚力とホイールアップ傾向を変化させることで追走するオートバイを独立してかつ著しく不安定化させることを示し、安全性の向上のため競技統括団体はこのようなダウンフォースを発生させる付属品の禁止を検討すべきであることを示唆している。

要約

2 人のオートバイレーサーが高速道路を並走している様子を想像してください。前方を走る者を「リーダー」、追走する者を「チャサー」と呼びます。長年にわたり、レーサーたちは、チャサーがリーダーの直後にぴったりと位置すれば、無料で加速できることを知っていました。リーダーが空気を押し退けることで、背後に低圧の「気泡」またはスリップストリームが形成されます。チャサーはこの気泡の中に位置し、風圧抵抗が減少するため、より速く走り、エネルギーを節約できます。これは、大型ボートの航跡を泳ぐようなもので、水は穏やかになり、あなたは力なく滑ることができます。

しかし、この論文は現代的な転換点を調査しています：リーダーのオートバイに、より良いグリップを得るためにバイクをトラックに押し付けるように設計された「翼」（レーシングカーの小さな翼に類似）が装備された場合、何が起こるのでしょうか？

目に見えない綱引き

研究者たちは、これらの翼がチャサーにとっての空気をどのように変化させるかを見るために、強力なコンピュータシミュレーションを使用しました。彼らは、これらの翼がリーダーの背後に、通常のバイクの単純なスリップストリームとは異なるように作用する 2 つの明確な「気象パターン」を生成することを発見しました。

1. 乱れた航跡（従来の方法）: 翼がなくても、バイクは背後に無秩序で混沌とした空気の痕跡を残します。これがチャサーを加速させる古典的なスリップストリームです。
2. 翼端渦（新しい方法）: リーダーの翼は、ジェットエンジンの排気煙のように背後に尾を引く、強力に回転する空気の管（渦）を生成します。これらは組織化され、強く、持続的です。

「上昇気流」対「下降気流」

論文は、チャサーの経験が、これらの回転する空気管に対する彼らの位置に完全に依存すると説明しています。

• 「上昇気流」の罠（危険区域）: チャサーがリーダーの真後ろ、翼と一直線に位置する場合、彼らは「上昇気流」に襲われます。これは、空気を「上」に吹き上げる巨大な扇風機の真下に立っているようなものです。この上向きの押し上げは、チャサーのバイクの前輪を持ち上げます。レースにおいて、前輪を持ち上げることは悪です。それはバイクを軽く不安定に感じさせ、強くブレーキするために必要なグリップを減少させます。論文は、これらの翼によって生成された渦が、実際には有益な「スリップストリーム」効果を相殺し、チャサーがブレーキを失っているように感じさせる可能性があることを発見しました。
• 「下降気流」の恩恵（安全区域）: チャサーがわずかに横に移動（横方向のオフセット）した場合、彼らは渦の外縁からの「下降気流」を捉えるかもしれません。これは、空気を「下」に吹き出す扇風機の真下に立っているようなものです。これはチャサーの前輪を道路にしっかりと押し付け、グリップと安定性を高めます。この特定の位置では、リーダーの翼は実際にはチャサーが接地した状態を保つのを助けます。

「ゴースト」効果

最も驚くべき発見の一つは、これらの翼によって生成された空気のパターンは単に消滅しないということです。それらは下流へと遠くまで移動します。チャサーが数台分の距離離れていても、これらの組織化された渦は依然として存在し、バイクの挙動に影響を与えます。それらは、レーサーがどれだけ離れていようと、バイクを押し下げる（ブレーキに有利）か持ち上げる（ブレーキに不利）かのどちらかを行う、目に見えない手のように作用します。

現実世界への帰結

著者たちは、これを現実のレースでの災害と結びつけています。彼らは、あるライダーが他者を追い越そうとしたが、ブレーキをかけようとした際、前輪が持ち上がり、停止できなかった特定のクラッシュに言及しています。論文は、これがチャサーがリーダーの翼によって作られた「上昇気流」ゾーンを走行していたため、減速するために必要なダウンフォース（グリップ）を奪われた結果であると示唆しています。

結論

この論文は、これらの翼がリーダーのバイクをより速く、より安定させる一方で、追走する者にとっては「危険な気象システム」を生み出すと結論付けています。翼付きバイクの背後の空気は、もはや単なる有益なスリップストリームではなく、ある瞬間にバイクを不安定にする可能性のある、有益で有害な力の複雑な混合体です。

著者たちは、レース主催者がルールを再考する必要があると提案しています。彼らは、現在の設計が追走するライダーにとって予測不可能な空力的な罠を作っているため、おそらく翼を小さくするか、完全に除去してレースをより安全にするべきだと提案しています。彼らは、その技術がパフォーマンスを向上させる一方で、スポーツを必要以上に危険にする隠れたリスクをもたらすと主張しています。

技術概要

技術概要：ダウンフォース発生用ウィングを装備した先行および追走モーターサイクルへの空力影響

問題定義
ブレーキ性能とコーナリング安定性の向上を目的として、ダウンフォースを発生させるように設計されたフロントウィングなどの空力付加物の統合は、MotoGP や WSBK などの現代のモーターサイクルレースにおいて標準的な特徴となっている。しかし、これらのウィングを装備した先行モーターサイクルと追走モーターサイクルとの間の空力相互作用については、未だ十分に理解されていない。標準的な乱流後流による「ドラフティング」効果（抗力低減）はよく知られているが、ダウンフォース装置によって生成されるコヒーレントなウィングチップ渦の存在は、複雑な流れのダイナミクスをもたらす。本研究の中心課題は、アップウォッシュとダウンウォッシュの速度成分を特徴とするこれらの特定の流れ構造が、追走モーターサイクルの安定性、揚力、抗力、ピッチングモーメントにどのように影響し、追い抜き操作や集団走行中に潜在的な危険な状態を創出する可能性があるかという点にある。

手法
本研究では、空力環境をシミュレートするために、レイノルズ平均ナビエ - ストークス（RANS）アプローチを用いた計算流体力学（CFD）を採用した。

• 数値フレームワーク: シミュレーションは、有限体積法を用いた OpenFOAM（v2112）により実施された。乱流モデルには $k$-$\omega$ シアストレス輸送（SST）モデルが使用された。
• 幾何形状: 基本幾何形状は、公道走行用の特徴（ミラー、信号灯）を除去し、ライダーを寝かせた姿勢（タック）を含めるように変更されたヤマハ YZF-R1 の市販スポーツバイクである。ダウンフォース発生装置を模擬するため、フロントフェアリングに -40°の迎え角を持つ簡略化された翼型（Selig-1223 翼型）の翼プロファイルが追加された。
• シミュレーションケース: 縦方向（5 cm から 7 m）および横方向（0 cm から 60 cm）の相対位置の範囲において、3 つの主要なシナリオが分析された。
  1. ケース 1: 先行および追走の両方のモーターサイクルがウィングなし。
  2. ケース 2: 先行モーターサイクルにウィングあり、追走モーターサイクルはウィングなし。
  3. ケース 3: 両方のモーターサイクルにウィング装備。
• メッシュと収束: メッシュは 1,200 万から 2,500 万の制御体積の範囲であり、境界層と後流構造を捉えるためにモーターサイクル周囲にリファインメントボックスが設定された。収束は 1,000 から 2,000 反復後に達成され、空力係数（$C_D$、$C_L$、$C_M$）は最終半分の反復期間で平均化された。
• 運転条件: シミュレーションは、速度 70 m/s（252 km/h）における非圧縮流れを仮定し、これにより約 $6.99 \times 10^6$ のレイノルズ数が得られた。

主要な結果
本研究は、ウィング装備の先行車による空力影響が、主にコヒーレントなウィングチップ渦の持続性により、標準的な鈍体後流とは明確に異なることを明らかにした。

• ケース 1（ウィングなし - ウィングなし）: 予想通り、追走モーターサイクルは低圧の乱流後流により、抗力、揚力、ピッチングモーメントの減少を経験する。この減少は追い抜きを容易にし、ホイールアップ（前輪浮き）の傾向を減らすことで安定性を向上させる。これらの効果は、縦方向距離の増加および横方向オフセットの増大に伴い漸近的に減少する。
• ケース 2（ウィング装備の先行車、ウィングなしの追走車）: 先行ウィングの存在は流れ場を著しく変化させる。
  • 縦方向効果: 大きな縦方向距離において、追走モーターサイクルはウィングなしのシナリオと比較して、増加した揚力とピッチングモーメントを経験する。これは、先行ウィングから下流へ輸送されるアップウォッシュ速度成分に起因し、これが追走バイクの有効迎え角を増加させるため、前輪が浮き上がる（ホイールアップする）傾向を強め、安定性を損なう。
  • 横方向効果: 横方向位置は決定的である。追走バイクがウィングチップ渦の核心と整列している場合、揚力係数は負方向（不利な方向）に増加する。しかし、特定の横方向オフセット（約 25 cm から 60 cm）では、ダウンウォッシュ成分が支配的となり、揚力とホイールアップの傾向を減少させ、安定性の利益をもたらす。
• ケース 3（ウィング装備 - ウィング装備）: 両方のバイクにウィングがある場合、追走ウィングの性能は先行車の後流の影響を強く受ける。
  • ダウンフォースの損失: 追走ウィングは、特にアップウォッシュ成分により先行車に近接している場合、ダウンフォース発生能力が著しく低下する。このフロントタイヤへの荷重の減少は、レース状況におけるブレーキ性能の低下の主要な原因として特定された。
  • 抗力の回復: ドラフティングにより抗力は減少するが、ダウンフォースの損失がいくつかの性能上の利益を相殺し、バイクが高速であるにもかかわらず安定性が低くブレーキがかけにくいという「危険な走行状態」を生み出す。

意義と主張
本論文は、ダウンフォースウィングによって生成されるコヒーレントな渦対が、乱流後流とは独立して追走モーターサイクルに影響を与え、試験されたすべての相対距離にわたって持続すると主張している。これは、ドラフティングが普遍的に有益であるという仮定に挑戦するものである。ウィング装備のモーターサイクルの文脈において、後流は追走車の安定性とブレーキ性能を能動的に劣化させる可能性がある。

著者らは、ウィングを車両パッケージ全体に統合する現在の設計哲学が、安全性のパラドックスを生み出していると指摘している。すなわち、ウィングは先行車の性能を向上させる一方で、追走車に対して予測不可能かつ潜在的に危険な空力条件をもたらすのである。特定のレース事故（2023 年のバレンシア戦および 2024 年のオーストラリアグランプリのクラッシュ）を引用し、本論文は、ウィング装備の先行車の後流における空力ダウンフォースの損失が、ニアミスやクラッシュの状況に寄与する要因であると示唆している。

したがって、本研究は、ウィングの完全な除去が現在の車両ダイナミクスを混乱させる可能性があるものの、安全性を向上させるために、モーターサイクル競技統括団体は、許可されるウィング形状の段階的な削減、あるいは最終的な排除を検討すべきであると結論付けている。これらの知見は、単一車両の性能には有益である現在の空力付加物が、レース集団全体の安全マージンを損なっていることを示唆している。