- Aéro quoi ?
Aérodynamique... "Qui a trait à l'étude de l'air en mouvement. Permet d'évaluer les forces nées de l'action de l'air sur les différentes parties de l'avion et d'en déduire les efforts de traction, de compression et de torsion correspondants. Elle donne en particulier les valeurs de portance, de déportance et de traînée."
Voilà, en deux phrases, la définition encyclopédique de cette science offerte par le Larrousse universel de 1948. Autant vous dire que l'automobile ne semble pas très concernée ! Pourtant, quelques années plus tard, un homme se battait pour faire admettre l'existence de ces forces au niveau de la voiture. Ce que certains pensaient être un art, un exercice de style pour carrossier, Charles Deutsch le considérait comme science exacte. Au même titre que l'avion, l'automobile se déplace dans l'air et ce déplacement entraîne des réactions complexes non seulement au niveau du fluide, l'air, mais également sur le solide, la voiture.
Forces longitudinales (la traînée) et verticales (portance et déportance) et latérales. Pour une voiture de compétition ces phénomènes sont capitaux puisqu'ils conditionnent tenue de route et performances tandis que la voiture de série en souffrira au niveau de la stabilité et, surtout, de la consommation d'essence. Le Gaspi ne vit que par trois facteurs : l'énergie consommée en accélération (aussitôt perdue dans les freinages), la résistance au roulement et la traînée. Le fameux Cx.
Or, s'il est relativement aisé de calculer la portance d'un avion en fonction de conditions données, il est quasi impossible de quantifier les forces soumises à une carrosserie à cause de la complexité de ses formes, des conditions de roulage jamais parfaites ni reproductibles à 100 % et de l'existence d'une masse d'air peu concernée par la voiture en mouvement mais néanmoins néfaste : celle qui glisse sous le plancher et que l'on appelle la couche limite. Dès lors, rien ne vaut la soufflerie et les essais routiers.
Aujourd'hui, c'est décidé. Grâce, ou à cause de Chapman et de ses "wing-cars", l'automobile a droit de cité dans le domaine aérodynamique et chacun, petit artisan vivant de la course, géant de la série ou scientifique aguerri, va essayer de résoudre au mieux le problème n° 1 : parvenir à ce que la combinaison des forces dégagées par l'air avec les réactions du sol favorise la stabilité de la voiture en mouvement.
- Accusé de tous les maux de la terre durant sa vie, l'effet de sol vient de mourir de sa belle mort.
Rendons-lui un dernier hommage, ne serait-ce que pour ceux qui furent à son origine.
C'est bien connu, le plus mauvais des hommes devient un saint dès son dernier souffle ! Admiré à sa naissance, critiqué le jour où il s'est imposé, l'effet de sol, n'a pas survécu à la grogne des pilotes et au raz de marée de J.-M. Balestre le réformateur. A cause de lui, l'effet de sol pas Balestre, les temps au tour du circuit Paul-Ricard ont chuté de 15 secondes en dix ans. A cause de lui, les F1 avaient gagné 28 km/h de moyenne sur un tour, alors que leur vitesse de pointe restait la même. La belle invention ! Adieu courbes rapides, virages et dérives.., tout se passait pied au plancher en vertu d'une adhérence démoniaque.
Par quel miracle en étions-nous arrivés là ?
Nous sommes dans la première moitié des années 70 et il faut bien reconnaître que les ingénieurs automobiles se trouvent confrontés à un problème épineux : est-ce la peine d'augmenter la puissance d'un moteur dans la mesure où la voiture ne permet pas de l'exploiter ?
Accélérations, freinages, dérive.., les pneus n'en peuvent plus de glisser et de transformer les chevaux-vapeur en fumée bleutée. La question resta posée longtemps, et les monoplaces continuèrent à évoluer dans le cadre d'un compromis à cette époque favorable à la puissance que les pilotes avaient de plus en plus de mal à maîtriser. Jusqu'au jour où... L'on savait qu'une automobile, à fortiori de course, était soumise à des forces verticales et transversales plus ou moins élevées, mais dont la plus néfaste était la "portance", cette force perpendiculaire au sens de la vitesse, dont la première conséquence était de délester la voiture. La direction devient légère, la stabilité en ligne droite fait défaut et la plus petite bosse fait figure de dangereux tremplin.
Que faire pour gagner en adhérence ?
Augmenter les appuis. Pour cela, deux solutions : augmenter le poids de masse (châssis, moteur, lest...), ce qui est très gênant pour les performances, notamment en virage, ou augmenter le poids adhérent. Cette notion fut introduite par les ailerons, puis par les carrosseries en coin. Le résultat escompté était bien là, mais à quel prix Les 120 kg d'appui d'un aileron se payant par une traînée (le Cx) limitant la vitesse de pointe à une valeur ridiculement basse.
- Quelque chose pour rien
Au château de Ketteringham Hall, repère discret, mais non dépourvu d'allure des bureaux d'études Lotus, quelques cerveaux effervescents tentaient de résoudre le problème. Chapman, Southgate et Wright (en consultant extérieur) planchent sur un cahier des charges bien particulier et intitulé "Quelque chose pour rien".
March 701, Espagne 1970 (Jackie Stewart)
Ce Peter n'en est pas à son coup d'essai. Déjà, en 68/70, il avait imaginé la March 701 avec des structures inférieures capables d'augmenter les appuis, mais l'expérience n'était guère concluante. Pourtant, cette idée de réservoirs latéraux carrossés en aile d'avion inversée était la bonne...
Il n'y manquait que les jupes pour rendre le travail de cette aile totalement indépendant de l'air extérieur Dans un premier temps, l'on borda le ponton de crin, puis de jupes en Lexan pour en arriver aux vraies jupes rigides doublées de patins en tungstène.
Lotus 79, Belgique 1978 (Mario Andretti)
Avec sa Lotus 79, Chapman venait de créer la première des wing-cars. Une carrosserie fine, un carénage moteur-boïte, des suspensions à basculeurs, la 79 allait dominer la saison de la tête et des épaules. Désormais, à appui identique, il est possible de régler les ailerons avec moins d'incidence, diminuant d'autant la traînée et augmentant d'autant la vitesse de pointe.
1 - Moustaches avant en angle delta, le nez est plus court et plus étroit que sur la 80.
2 - Accélérateur de flux dans le tunnel Venturi.
3 - Les pontons latéraux sont formés par deux ailes s'arrêtant en avant des roues arrière,
ce qui fait que le flux d'air est perturbé par la suspension arrière (4), les amortisseurs (5), les disques et la boîte de vitesses (6).
7 - Aileron arrière conventionnel.
1 - L'échancrure dans la calandre. On distingue les deux flux d'air existants grâce aux deux jupes rigides (2)
qui travaillent suivant les même principes que sur les pontons latéraux d'une wing-car.
3 - Flap central au milieu de l'échancrure.
4 - La partie inférieure est entièrement carénée.
Il y a de vraies ailes latérales comme sur la 79, l'air est dégagé vers l'arrière et le carénage en forme divergente.
5 - Ouverture pour les porte-moyeux, aménagée de telle sorte que la voiture ne subit aucune turbulence due aux pneus.
6 - Flap arrière pour contrôler la dépression comme un spoiler.
"Quelque chose pour rien" disait Chapman. "Rien pour beaucoup" dirions-nous.
De quelle façon Wright était-il venu à assimiler cette notion de déportance "gratuite" ? En observant une aile d'avion. Dès 200 km/h, une aile d'avion subit deux phénomènes aérodynamiques majeurs : sur sa face supérieure (l'extrados), l'air accélère et créé une dépression ; sur sa face inférieure (l'intrados), l'air ralentit et créé une surpression. Or, la force engendrée par la dépression est pratiquement double de celle engendrée par la surpression.
Bilan : l'aile d'avion est aspirée à 75 % par la surface supérieure de ses ailes et porté à 25 % par la surface inférieure.
Retournons cette aile. Les forces demeurent identiques mais s'inversent : l'extrados va aspirer l'avion vers le sol et plus l'on rapproche ce profil du sol plus le flux d'air inférieur accélère et plus la dépression s'accroît.
L'origine de la déportance, donc de l'effet de sol et son fonctionnement, sont analogues à ceux d'une aile d'avion placée à l'envers.
Extrados = dépression = déportance ; Intrados = surpression = portance.
La dépression crée une force double de celle provoquée par la surpression. Un avion est donc aspiré dans l'air et non porté.
Ceci est valable pour les pontons mais également pour les pontons avant et arrière qui ne sont pas poussés vers le sol mais aspirés.
Rapprocher l'aile inversée du sol augmente l'accélération du flux d'air sur l'extrados et accroît la dépression.
Coupons donc une tranche d'aile et collons-la de part et d'autre d'un châssis. Oui mais voilà... 50 cm d'aile d'avion, ça ne sert strictement à rien sinon à créer d'énormes turbulences. Une aile d'avion n'a d'efficacité que grâce à sa grande longueur qui parvient à maintenir bien séparés la dépression du dessus et la pression du dessous. Au-delà de cette partie efficace c'est l'anarchie, le tourbillon marginal que l'on peut observer quelques fois lors du décollage d'un avion. Or, greffer un moignon d'aile inversée revient à ne conserver que la partie inefficace !
A moins de porter ces moignons d'aile à 4 mètres, il fallait donc trouver un système d'étanchéité et Chapman a parfaitement compris que sa tranche d'aile d'avion avait tout simplement besoin de deux plaques pour empêcher les dépressions inférieures d'être comblées par les surpressions supérieures. Le cloisonnement par les jupes était né.
La vitesse atteinte par l'air ainsi prisonnier peut dépasser les 500 km/h. Sur ce schéma, l'air est canalisé par les jupes.
Pourquoi les jupes ? Parce que la surpression de l'intrados a la fâcheuse manie de vouloir combler la dépression de l'extrades.
Sur une aile d'avion le phénomène est limité grâce à la grande longueur du profil mais existe sur les bords extérieurs.
Une tranche d'aile de 45 cm fonctionnant comme ce bord, il a fallu séparer les trajectoires des deux flux.
Ce que Chapman a réalisé avec les jupes. Sans elles, c'est l'anarchie et seulement 35 % d'effet de sol.
Le même système est appliqué sur l'aileron arrière dont les "tôles" latérales sont appelées fences.
Un fond plat à proximité du sol et isolé par des jupes est également déporteur si on le dispose en position "piqueuse" vers l'avant.
Sans jupe, le phénomène est amoindri dans une grande proportion.
Dès lors, le phénomène allait être perfectionné, peaufiné et les dépressions capables d'entraîner un effet de succion représentant 2 500 kg à 300 km/h. Le Cz passant de - 0.5 à - 1.7 à seulement 180 km/h. Plus qu'il n'en faut pour qu'un avion ne décolle !
"Et ceci compte tenu des variations d'assiette", rectifie Sylvain Crosnier. "Roulis, cabrage, plongée... entraînaient des cassures dans l'étanchéité et les valeurs de crêtes obtenues en conditions idéales pouvaient atteindre 3 000 kg."
Soit, avec la voiture, l'essence et le pilote, une masse totale de 4 000 kg ! De quoi rêver, mais aussi de s'effrayer.
"Au début", poursuit Gilles Schaffer, "nous avons assisté à ce que j'appellerai des gags : direction qui se bloquait, couples de coques qui se criquaient, pontons qui s'affaissaient... Je me souviens d'un constructeur qui m 'avait traité de plaisantin lorsque je lui ai annoncé 600 kg d'appui par profil de ponton. Cette année, nous en étions à 1 250 ! Au fil des années, ils ont, malgré tout, compris, et prenaient conscience des véritables problèmes."
Ces problèmes, c'étaient surtout les accélérations transversales subies par les pilotes. Des forces proches de 3 G. C'était des contraintes mécaniques multipliées par cinq sur des éléments de suspension dont le matériaux était resté le même qu'à l'époque des 600 kg d'appui. C'était également de brusques changements d'adhérence lorsque les conditions de roulage n'étaient pas excellentes. Un peu trop de roulis et la jupe intérieure se lève, perdant son rôle d'étanchéité. Dans ce cas, le Cz diminue de 5 à 10 % et la dérive prend des proportions inquiétantes.
Qu'importe ! Course après course, séance de soufflerie après séance de soufflerie, les ingénieurs réussissaient à parfaire leur science à tel point que les bonnes F1 de 1982 avaient pratiquement perdu 70 % de leurs appuis extérieurs pour n'obtenir de tenue de route que par ce puissant effet de sol. Au bout du compte, la wing-car devenait quasi parfaite, le seul point noir restant les mouvements de caisse parasites.
Jusqu'au jour où les forces verticales devinrent si importantes que les ingénieurs butèrent sur une nouvelle difficulté : le pompage. Soit du fait d'un léger accident de terrain, soit du fait de la croissance de la charge aérodynamique, les suspensions s'écrasent, fléchissent, entraînent les profils à fleur de bitume et le beau phénomène de succion se transforme en vilain tourbillon l'espace de quelques dixièmes de seconde. Les filets d'air inférieurs décrochent, soulagent la voiture de leurs contraintes et la caisse remonte de quelques centimètres. De là, la déportance reprend, les suspensions s'écrasent, ramenant l'aile trop près du bitume, d'où nouveau décrochage... La piste prenait des allures de tôle ondulée plus qu'inconfortable. Que faire ? Supprimer toute possibilité de variation de hauteur de caisse ; c'est l'apparition des suspensions en béton et des colonnes vertébrales en coton. Une solution techniquement peu élégante dans la mesure où elle engendre d'importantes fluctuations d'adhérence sur sol irrégulier.
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Correcteur d'assiette hydraulique Renault
Pour sa part, Renault détenait peut-être le remède miracle en étudiant un correcteur d'assiette hydraulique fixant la garde au sol à environ 8 cm.
- Et demain ?
Evidemment, tout ne va jamais pour le mieux, même dans le meilleur des mondes et l'effet de sol fut longtemps la bête noire de certains constructeurs. Si quelques-uns avaient compris la nécessité d'études en soufflerie très approfondies, d'autres, sans moyens, jouaient de la tôle et du rivet pop. Or, pour bien fonctionner, ce phénomène ne souffrait aucune improvisation. Suspension avant et arrière très dégagée, aile sans rivet, excellente étanchéité des pontons, freins dans les roues, échappements spéciaux, carénage moteur-boîte intégral, etc. la perfection.
Brabham BT 48, Belgique 1979
L'idée première de Chapman, puis plus tard de quelques-uns de ses adversaires, était la réalisation d'une monoplace totalement démunie d'appendices extérieurs, moustaches, ailerons et l'apparition de la Brabham 48, de la Lotus 80, puis de l'Arrows A3 laissait entrevoir une telle issue. Pourtant, personne n'y parviendra, et encore moins les auteurs de la JS19. Ceci pour plusieurs raisons.
La première réside dans le fait que l'aileron arrière, aussi peu cambré soit-il, joue non seulement un rôle "d'équilibreur" aérodynamique, mais également celui d'un amortisseur aérien que les pontons déporteurs ne proposent pas.
La seconde raison se situe dans un accord parfait et naturel entre flux supérieur et inférieur. En remplaçant l'aileron classique par un bavolet intégré le risque était grand de voir disparaître cet accord obtenu avec difficulté.
Une troisième raison
nous est apportée par la situation précise de la charge verticale provoquée par l'effet de sol : entre le premier tiers avant et le milieu de l'empattement. Il était donc obligatoire d'apporter une correction de charge et une modification de la répartition des masses afin de limiter le survirage. Bien sûr, l'on chercha à modifier la position du centre de pression en reculant les pontons, mais le flux d'air butait sur d'inébranlables obstacles tels que les arbres de transmission et les triangles arrière inférieurs.
Pouvait-on alors envisager une amélioration de l'effet de sol ? Pourquoi pas. L'industrie aéronautique existe depuis soixante ans, et les équipes de recherches se complètent de jour en jour. Le peaufinage du matériel existant était largement envisageable, mais aussi de nouvelles idées. C'est ainsi que des chercheurs se sont aperçus qu'un avion pouvait décoller sur une plus courte distance dès lors que les réacteurs crachaient sur les ailes.
"Tout progrès est question de temps, de mise au point et d'argent", précise Crosnier, "et la S.E.R.A. possédait bien quelques petites recettes dans ses cartons."
A commencer par les "soufflages" dans les profils de ponton : la surface de l'aile interne est coupée pour permettre un passage d'air complémentaire. Ce que l'on voit sur la plupart des avions modernes et sur quelques ailerons arrière.
"En voyant beaucoup plus loin", poursuit l'ingénieur Schaeffer, "et compte tenu d'une certaine stabilité des règlements techniques, on pouvait réaménager totalement la Formule 1 en fonction de son aérodynamique."
En effet, étant donné le site avancé des appuis verticaux, pourquoi ne pas imaginer le profil déporteur ailleurs qu'entre les roues ? Puisque les lois physiques sont immuables, modifions ce qu'il y a autour, c'est-à-dire la voiture tout entière. Déplaçons le centre de gravité, abandonnons le moteur central arrière pour le moteur central, ou avant, pour exploiter une déportance phénoménale et obtenir une répartition des masses de 50/50 au lieu de 35/65 telle qu'elle était. Une idée comme une autre, comme il en vient tous les quinze ans... mais les contraintes de la F1 moderne interdisent désormais tout caprice. Voyez la 6 roues Williams, le double châssis de Chapman.
"La F1 est un sport de risques pour les pilotes, mais aussi pour les ingénieurs. Aujourd'hui l'on pense d'abord aux résultats, donc aux solutions techniques éprouvées".
Pas sûr. Avec la suppression des jupes, les ingénieurs se retrouvent aujourd'hui dans un cul de sac dont ils vont devoir sortir d'ici six mois. Si, dans un premier temps, le championnat du monde se courra avec matériel recyclé, il n'y a plus aucune raison de conserver les bases techniques actuelles : suspensions dures, carrosseries carrées, coques étroites... Le Cz est divisé par trois, le Cx va regrimper vers des sommets vertigineux, la vie recommence sous une autre forme.
Sera-t-il judicieux de conserver des solutions envisagées sous le règne de l'effet de sol ?
Non, et les domaines devenus mineurs par la force des choses sont devenus majeurs.
Tout ce que l'on a sacrifié pour les jupes sera reconsidéré, jusqu'aux moteurs en V, atmosphériques ou turbo, conçus pour le seul dieu Eole. Non, le turbo n'est pas condamné à mort dans la mesure où son surplus de cavalerie servira toujours à tirer un aileron plus cambré que celui d'un Cosworth, mais le rapport des forces a bigrement changé. Quelques bons vieux 12 cylindres à plat doivent y songer...
En fait, il faudra rechercher une nouvelle voie et celui qui voudra à tout prix obtenir autant d'appui avec un fond plat qu'avec les jupes le paiera par un Cx catastrophique. Le résultat de l'opération sera donc nul, autant se dire que les pontons sans jupe ne servent que de coffres à échangeurs ou à injection électronique.
"La seule chose qu'il est nécessaire de garder à l'esprit est la possibilité de récupérer de la déportance dès lors que le plancher d'une F1 est en défilement par rapport au sol. Il faut connaître ce phénomène, mais pas obligatoirement l'exploiter. En outre, ce nouveau règlement nous paraît relativement bien écrit, c'est-à-dire difficilement contournable. Mais vous savez, c'est un règlement... Trois personnes ont mis trois mois à le concevoir, cinquante ingénieurs mettront cinq ans à le démolir ! Les interprétations possibles sont limités au maximum profiter de l'arrondi de 5 cm de rayon pour caréner l'arrière du fond plat en forme d'aile inversée ou disposer le fond plat en position "piqueuse" par rapport au sol. C'est peu et en tout cas bien insuffisant pour ceux qui pensent retrouver les appuis d'antan."
Et pourtant, les puissants moteurs suralimentés vont bien devoir en retrouver de la déportance, sinon à quoi bon posséder 6 ou 700 ch si on ne peut les transmettre à la piste. Rien que pour cela, le recours aux gros ailerons, ou à une carrosserie en angle très ouvert sera obligatoire. Techniquement nous sommes face à un retour en arrière magistral, mais aussi à un regroupement inespéré de toutes les voitures constituant le plateau d'un grand prix.
Lors de ses récents essais privés, Lotus nous a permis de voir un fond plat incliné vers l'avant et il est vrai que cette solution autorise une légère déportance, mais à une condition : que le plancher soit suffisamment large pour empêcher le flux inférieur de se transformer en gigantesque turbulence de "bout d'aile". Les jupes ne sont plus là pour l'étanchéité !
Qui dit plancher large dit ponton... mais à quoi bon les conserver, à moins d'être turbo ?
Les monoplaces à moteur atmosphérique vont donc changer d'esthétique et prendre des allures de guêpes, un peu à la mode 75/76/77. Il faut remarquer qu'à cette époque l'aérodynamique n'était pas le souci majeur des ingénieurs, les lignes 83/84 seront donc plus fines, plus efficaces. Dans une certaine mesure contraints de conserver leurs pontons "because manque de place", les turbos auront la possibilité d'exploiter le fond plat "piqueur" et obtiendront une déportance supérieure à celle d'une voiture à taille fine.
Deux voies peuvent se dessiner. Soit l'intégralité du plancher est plane et un correcteur d'assiette hydraulique (merci Renault) se chargera de maintenir une position piqueuse en toute occasion, soit l'intégralité du fond plat, y compris l'ensemble moteur-boîte, est inclinée vers l'avant. Dans ce cas, les pilotes peuvent se réjouir de la suppression des jupes puisque la position piqueuse ne pourra être maintenue en permanence que grâce à... l'absence de suspension ! Vous le voyez, rien n'est simple, ni parfait.
Pour Michel Têtu, l'ingénieur de développement châssis de la régie, le correcteur hydraulique sera de toute évidence une bonne chose.
"Cabrage à l'accélération, plongée en freinage, changement d'adhérence en courbe, le manque d'effet de sol nous provoque un déséquilibre complet qui affecte non seulement la motricité, mais aussi la stabilité du train avant. La correction hydraulique fixant la hauteur de caisse de façon permanente limitera ces transferts de masse très sensiblement."
Les ingénieurs n'ont pourtant guère à parier sur un amortissement nul, pertes d'adhérence, mauvais contrôle de retombée de la voiture sur les inégalités de la piste, etc. tout pour une motricité déplorable. L'effet de sol n'étant plus là pour écraser les pneus au sol, il ne reste plus qu'à assouplir les débattements de suspension.
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Des ailerons pour plaquer la voiture ? Certes, mais le "chasse-neige" de De Angelis ne dépassait pas les 260 km/h sur la ligne droite du Mistral !
Alors, peu de Cz pour peu de Cx ou beaucoup de Cz pour beaucoup de Cx? Non non, ne cherchez pas. La F1 83 marque le début d'une nouvelle cuisine, aux ingénieurs de déterminer les meilleurs ingrédients.
Les études en soufflerie demeureront-elles rentables ? Certainement pas et les modestes constructeurs ne se sentiront plus obligés d'y sacrifier les trois sous qu'il leur restait en poche.
"Les grosses améliorations de performances ne viendront plus de nous", conclut l'équipe de la S.E.R.A. "Pour nous, la suppression des jupes revient à mettre au placard des années d'études et d'expérimentation. C'est désagréable et stimulant à la fois."
Mais n'est-ce donc pas l'officialisation de leurs recherches, la reconnaissance de leur science fantastique et de leurs talents ?
- Deux variantes légales pour récupérer une partie de la déportance disparue et diminuer le Cx causé par un gros aileron arrière.
Dans les deux cas, l'effet de venturi fonctionnera d'autant mieux que le plancher sera large, faute d'étanchéité latérale.
A utiliser pour des monoplaces contraintes de conserver les pontons actuels, donc les turbos.
a) Fond plat avec caisse en position (piqueuse).
b) Fond plat jusqu'à l'aplomb avant des roues arrière. Ensemble moteur-boîte relevé vers l'arrière avec carénage inférieur en aile inversée.
Sur ce schéma, nous avons matérialisé les filets d'air.
Le flux supérieur lèche la carrosserie, est perturbé par les ailerons constitue, à l'arrière, la traînée.
Le flux inférieur, prisonnier du ponton, subit une accélération (plus de 500 km/b), puis une détente.
1. Aile inversée
2. Jupe et panneaux d'étanchéité pour éviter aux forces positives de contrarier les forces négatives.
3. Les forces positives, la portance, sur ce schéma, égales au tiers des forces négatives, seront majoritaires sur une F1 à fond plat.
D'où la nécessité d'ailerons très cambrés. La traînée (Cx) en sera d'autant augmentée.
4. Zone de turbulences provoquée par les formes de la carrosserie, la portance des ailerons et, dans une moindre mesure,
la traînée induite de l'effet de sol. A 300 km/h, cette résistance à l'avancement absorbe 510 ch.
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