Формула самовозки

Максимальная скорость болидов «Формулы-1» на прямых не сильно превосходит другие гоночные серии, но вот в поворотах она значительно выше. Это достигается благодаря высокой прижимной силе, которую генерируют аэродинамические элементы, в первую очередь переднее и заднее антикрылья, а также корпус машины. Инженеры, проектирующие болиды, здесь вынуждены идти на компромисс: вместе с прижимной силой аэродинамические элементы создают и лобовое сопротивление, снижая тем самым максимально достижимую скорость. Трассы «Формулы-1», как правило, содержат и «быстрые» — состоящие из прямых, — и «медленные» — с большим количеством поворотов — секции, и под каждый гоночный уикенд командам необходимо найти оптимальное соотношение прижимной силы и лобового сопротивления.

Первые антикрылья (по сути, это крылья, которые тянут не вверх, а вниз) стали появляться на машинах «Формулы-1» в 1968 году, а уже на следующий год в целях безопасности технический регламент запретил их подвижность и ограничивал их максимальный размер.

Подвижные элементы кажутся очевидным решением: в «быстрой» секции убираем лобовое сопротивление, а в «медленной» добавляем прижимной силы. Однако большую часть истории по соображениям безопасности они были запрещены (просто потому что подвижный элемент с большей вероятностью может отвалиться), а в тех случаях, когда их применение было разрешено, оно жестко регламентировалось.

В чем трюк? Одним из способов решить проблему лобового сопротивления оказались гибкие крылья: когда машина разгоняется до определенной скорости, прижимная сила на крыле оказывается настолько большой, что крыло изгибается и уменьшает лобовое сопротивление.

Любой материал обладает определенной гибкостью, однако в технический регламент включена процедура ее измерения: к антикрылу в определенных точках прикладывается нагрузка — если крыло отклоняется на величину, большую, чем задано в регламенте, машина не допускается к гонке.

В 2011 году на первой гонке сезона люди в паддоке (да и на трибунах) заметили, что переднее антикрыло на болидах «Ред Булла» отклоняется куда сильнее, чем на других машинах. Другие команды подали протест: отклонение крыла не только снижало лобовое сопротивление на прямых, но, похоже, еще и оптимизировало воздушный поток, точнее направляя его на другие аэродинамические элементы и под днище машины. Международная Автомобильная Федерация (FIA) назначила повторную техническую инспекцию машины «быков», и та прошла ее без нареканий.

Как это работало. Секрет крыла заключался в материале. Оно, как большая часть корпуса современных болидов, изготовлено из композитного углепластика. Его гибкость можно запрограммировать, изменяя взаимную ориентацию углеродных волокон в слоях материала. Совместная сдвиговая деформация нескольких слоев под нормальной нагрузкой со стороны воздушного потока приводит к тому, что крыло не только прогибается, но и скручивается. Подобрав форму, инженеры «научили» крыло по-разному вести себя при разных нагрузках. Под относительно небольшим давлением во время инспекций (в то время крылья должны были гнуться не больше чем на 20 миллиметров под нагрузкой 1000 ньютонов, приложенной в определенной точке) отклонение крыла росло линейно, однако под бо́льшими нагрузками — в условиях гонки — росло уже нелинейно. Со временем процедуры измерения гибкости крыла менялись, а в «Ред Булле» нашли новый способ обойти ограничения: теперь под действием воздушного потока гнулось не все крыло, а отдельные его сегменты.

В 2019 году регламент значительно упростил допустимый дизайн переднего крыла, положив конец экспериментам с гибкостью, — но через два года «Ред Булл» обвинили уже в махинациях с задним антикрылом, и регламент вновь ужесточили.

Жесткость подвески болида обусловлена необходимостью обеспечивать стабильный дорожный просвет, так как он влияет на значительную часть прижимной силы, генерируемую болидом. Прижимная сила обеспечивает хорошее сцепление колес с трассой и управляемость машины. Когда машина наезжает на неровность асфальта или поребрик, изменяется дорожный просвет, а, значит, прижимная сила и сцепление колес с трассой. Меняющеюся сцепление затрудняет управление и вынуждает гонщика проходить повороты медленнее. С середины восьмидесятых до середины девяностых в «Формуле-1» применялась активная подвеска: датчики измеряли крен машины, электронный блок рассчитывал действие, необходимое для компенсации крена, и посылал сигнал на гидравлическую подвеску, практически мгновенно выправляя машину. В 1994 году все электронные системы помощи гонщику были запрещены, а с ними и активная подвеска.

В чем трюк. В 2005 году команда «Рено» установила в нос своего болида демпфер массы — инерционный гаситель вибраций. Он представлял собой заполненный маслом цилиндр, внутри которого на пружинах был подвешен груз.

Как это работает. При наезде на неровность возникают вертикальное колебание болида, а подвешенный груз благодаря инерции стремится остаться на месте — так на пружинах возникает усилие, противодействующее вертикальному движению машины. Из-за этого амплитуда вертикального движения снижается, а колебания затухают намного быстрее.

Подобные устройства используются в высотном строительстве: демпферы массы противодействуют колебаниям конструкции, возникающим из-за ветровой нагрузки или землетрясений. Собственные частоты колебаний зданий рассчитываются еще на этапе проектирования, и параметры демпфера массы выбираются таким образом, чтобы эффективно компенсировать резонанс — опасное усиление колебаний на этих частотах под внешней нагрузкой.

«Рено» построили испытательный стенд для подбора параметров своего демпфера масс, а кроме этого массу гасителя немного меняли от трассы к трассе. Вскоре и другие команды стали копировать усовершенствовать эту систему, однако Международная Автомобильная Федерация (FIA) была озабочена тем, что все более тяжелые и сложные гасители вибраций могут представлять опасность и запретила подобные системы, аргументируя это тем, что раз они используются для оптимизации прижимной силы, то относятся к подвижным (а значит, запрещенным) аэродинамическим элементам.

Антикрыло болида создает одновременно прижимную силу и лобовое сопротивление. Но оно эффективно работает, только если его обтекает ламинарный поток воздуха — такой, где слои воздуха не перемешиваются и не завихряются. Если воздух на поверхности крыла возмущен, прижимная сила падает. Но с ней падает и лобовое сопротивление.

В чем трюк. В 2010 году команда «Макларен» установила на своей машине специальный воздуховод, проходящий через кокпит (кабину пилота) и соединяющий небольшой воздухозаборник на носовом обтекателе машины, с основным (который находится позади гонщика, наверху «горба» болида). В воздуховоде было отверстие, выходящее в кокпит под левой ногой пилота. На прямых гонщик снимал левую ногу с педали тормоза и ей закрывал отверстие, а перед поворотом возвращал на место, и поток снова направлялся в кокпит.

Как это работало. Если отверстие было открыто, то воздухозаборник в носу машины просто направлял воздух в кокпит. А при закрытии отверстия воздух достигал камеры бо́льшего воздухозаборника и отклонял поток воздуха в нем, направляя его в специальные каналы, которые вели на поверхность заднего антикрыла. Это делало поток воздуха, проходящий по крылу, турбулентным. Таким образом, закрывая отверстие в кокпите, гонщик мог снизить прижимную силу и лобовое сопротивление заднего антикрыла.

По разным оценкам, F-Duct обеспечивал прибавку скорости на 10-15 километров в час на прямых, и многие другие команды попытались скопировать его по ходу сезона. Однако внести большие изменения в уже спроектированные машины было нелегко, поэтому в решениях других команд воздуховоды пришлось размещать в верхней части кокпита, и гонщики закрывали их, снимая руку с руля (посмотрите, как это выглядело).

Неудивительно, что вскоре «аэродинамические элементы, активируемые движениями пилота», были запрещены по соображениям безопасности.

К концу нулевых количество обгонов в гонках «Формулы-1» снижалось из сезона в сезон — и это, естественно, тревожило организаторов гонок и Международную Автомобильную Федерацию (FIA). Проблема заключалась в том, что гоночный болид оставляет за собой поток турбулентного воздуха. Поэтому, когда один гонщик близко преследует другого, его машина в потоке «грязного» воздуха теряет часть прижимной силы и не может проходить повороты так эффективно, как машина впереди. Кульминацией этой проблемы стала финальная гонка 2010 года, когда претендент на чемпионский титул Фернандо Алонсо на «Феррари» в течении 40 кругов не мог обогнать Виталия Петрова, чья «Рено» была настроена на минимальное лобовое сопротивление. На прямых Алонсо не мог подобраться к Петрову для обгона, а в медленных секциях машина испанца, при прочих равных способная проходить повороты быстрее «Рено», теряла свое преимущество из-за возмущенного воздуха позади Петрова.

FIA давно пыталась решить эту проблему, каждый год внося небольшие изменения в регламент на аэродинамические элементы, но это не приносило ожидаемого результата.

В 2011 году к запрету на подвижные аэродинамические элементы было добавлено исключение — система DRS (drag reduction system, система снижения лобового сопротивления). Заднее антикрыло стали делать из двух частей, верхняя из которых могла смещаться, уменьшая угол атаки. Гонщик, активировав систему, может снизить лобовое сопротивление (и прижимную силу) своей машины и получить преимущество для обгона. Возможность активировать систему гонщик получает только на определенных участках трассы и при условии, что он отстает от впереди идущей машины меньше, чем на секунду.

В чем трюк? На следующий год команда «Мерседес» спроектировала свою машину так, что при активации DRS заднее антикрыло смещалось, освобождая входные отверстия специальных воздуховодов, — это дополнительно увеличивало их скорость на прямой.

Как это работало. Воздуховоды шли через всю машину и доставляли воздух из зоны заднего крыла к переднему. Воздушная струя срывала с антикрыла ламинарный поток и тем самым снижала лобовое сопротивление не только на заднем, но и переднем крыле — это и обеспечивало дополнительную прибавку к скорости.

Соперники не могли быстро скопировать решение, потому что для этого нужно было провести воздуховоды через всю машину. Поэтому они протестовали, утверждая, что переднее крыло команды «Мерседес» — это аэродинамический элемент, управляемый движениями гонщика, а значит должен быть запрещен. FIA отклонила протест, однако в регламент на следующий год были внесены изменения, не позволяющие реализовать подобную систему.

С того момента, как стала ясна важность прижимной силы в гонках, инженеры искали всевозможные способы ее увеличить. Помимо антикрыльев, этого можно было достичь уменьшением давления воздуха под машиной. Первой реализацией такого подхода была вообще не «формульная» машина — Chaparral_2J, большая часть корпуса которой была закрыта кожухом, практически примыкавшим к земле, а сзади установлены вытяжные вентиляторы. Они буквально присасывали автомобиль к трассе.

В 1978 году схожий концепт в попыталась использовать команда «Брэбэм». Она установила большой вытяжной вентилятор на корме болида, объяснив это необходимостью охлаждать двигатель. Машина получила большое преимущество за счет разрежения воздуха под днищем, создаваемого вентилятором. «Прилипший» к дороге автомобиль с легкостью выиграл гонку, а подобные системы были тут же запрещены.

В чем трюк? Граунд-эффект основан на законе Бернулли, который гласит, что если скорость непрерывного потока газа или жидкости возрастает, то давление в нем убывает, и наоборот. Пространство между днищем автомобиля и дорожным полотном можно рассматривать как трубу с воздухом. Если создать в ней узкое место (например, сделав дно машины выпуклым), то поток воздуха, проходя через сужение, будет ускоряться, а его давление снижаться. Это увеличит прижимную силу машины.

Как это работало. Прижим, создаваемый граунд-эффектом, практически не создает дополнительного лобового сопротивления по сравнению с антикрыльями. Правда, он очень чувствителен к высоте зазора между днищем автомобиля и дорожным полотном. В «Формуле-1» граунд-эффектом в 1978 году воспользовалась команда «Лотус» , вскоре за ней последовали и другие команды. Для усиления эффекта по бортам машин устанавливали резиновые или пластиковые юбки, почти касавшиеся земли и «запечатывающие» трубу с боков. А чтобы увеличить стабильность дорожного просвета, подвески стали делать все более жесткими.

Проблема заключалась в том, что, несмотря на все ухищрения, граунд-эффект оставался непредсказуемым. Когда гонщик наезжал на неровность на трассе или излишне агрессивно атаковал поребрик, прижимная сила резко падала, что часто приводило к авариям. А на прямых величина прижима и точка его приложения к машине изменялась с высотой дорожного просвета, скоростью потока воздуха и продольным наклоном машины. Комбинация этих факторов и жесткой подвески приводила к продольной раскачке болида: машина клевала носом, повторяя движение дельфина, выпрыгивающего из воды.

Чем лучше машина использовала граунд-эффект, тем опаснее были последствия от его пропажи. В целях безопасности с начала восьмидесятых регламент изменили так, чтобы использовать его было невозможно: боковые юбки запретили, минимальный дорожный просвет увеличили, а в 90-х на днище стали устанавливать деревянную доску. Если в конце гонке она была стесана больше чем на миллиметр, машину дисквалифицировали.

Однако в 2022 году граунд-эффект возвращается в «Формулу-1». На эту меру пошли, чтобы сократить эффект потери прижимной силы в возмущенном воздухе за преследуемым болидом и увеличить количество обгонов. Причем практически все команды неожиданно для себя столкнулись с проблемой из 70-х — и пока что ее не решили.

Несмотря на запрет граунд-эффекта, долго действовавший в «Формуле-1», инженеры все равно создавали прижимную силу с помощью потока воздуха, проходящего под днищем машины. Для это использовали диффузор — расширяющийся зазор в задней части днища болида. Проходя под днищем болида, поток воздуха попадает в диффузор, расширяется и потому замедляется. На выходе из диффузора скорость и давление воздуха приближаются к скорости и давлению свободного потока — это создает градиент давления, который высасывает воздух из-под днища автомобиля. Сам по себе диффузор не создает прижимной силы, однако за счет ускорения потока воздуха под днищем он создает некое подобие граунд-эффекта. Эффективность диффузора определяется отношением площадей входного и выходного отверстий, а перегородки внутри не дают перемешиваться потокам воздуха с разной скоростью. Несмотря на то, что параметры диффузора довольно жестко ограничены регламентом, команды прикладывали много усилий, чтобы получить максимальную отдачу от этого элемента.

В чем трюк? В 2009 году команда «Браун» (до этого бывшая заводской командой японского автоконцерна «Хонда») нашла лазейку в техническом регламенте. Согласно документу, днище болида должно было состоять из основной плоскости, проходящей по центральной оси машины, на которой была закреплена деревянная планка, и двух приподнятых плоскостей слева и справа. Регламент говорил, что днище должно быть плоской и непрерывной поверхностью (за исключением переходов между центральным и боковыми элементами), однако разрешал размещение в нем отверстий при условии, что при взгляде снизу через эти отверстия не будут видны другие части машины.

Как это работало. Эта оговорка позволила инженерам «Брауна» сделать отверстия в именно в точках перехода между боковыми и центральной плоскостями днища и использовать их как входы для второго диффузора, который разместили над «традиционным» — и добились значительного увеличения прижимной силы машины. Скопировать это решение другим командам было нелегко: такие элементы было трудно внедрить в уже существующее болиды без перепроектирования элементов подвески и корпуса коробки передач.

Против двойного диффузора были поданы протесты, которые дошли по апелляционного суда FIA, однако он был признан легальным, и в следующем году подобные конструкции появились во многих командах.

В 2010 году сразу несколько команд переосмыслили так называемый выдувной диффузор, по принципу действия напоминающий струйный насос: они направили выхлоп двигателя внутрь диффузора. Поток газов увлекал с собой еще больше воздуха из-под днища. Выдувной диффузор сам по себе не был новинкой и использовался в том или ином виде еще с 80-х годов. Однако эффективность выдувного диффузора падала как раз тогда, когда он был нужен, — в медленных поворотах, где гонщик снимал ногу с педали газа. Теперь же команды изменили режим работы двигателей таким образом, что, когда гонщик снимал ногу с педали газа, топливо все еще подавалось в двигатель, однако момент зажигания был смещен так, что смесь сгорала в выхлопной системе, создавая поток выхлопных газов, необходимый для работы выдувного диффузора.

Такой режим работы двигателя позволял проходить повороты быстрее и раньше начинать разгон на выходе из них, однако к 2012 году регламент запретил и двойной, и выдувной диффузор, а настройки двигателя, позволяющие жечь топливо для усиления выхлопа на неполной мощности, приравняли к подвижным элементам, влияющим на аэродинамику, — и запретили.