Как устроена скорость

Даже на экране телевизора заметно, насколько внешне разнятся болиды двух последних лет. И это не случайно. В прошедшем межсезонье аэродинамические характеристики новых машин стали настоящей «головной болью» для всех без исключения конструкторов Формулы-1. Зауженные, в соответствии с новым техническим регламентом, машины не позволяли аэродинамикам в полной мере применить накопленный годами опыт. Первые тестовые модели были на редкость капризны и неустойчивы на трассе. Срыв воздушной струи, особенно в поворотах, шел во всех направлениях, и машины рыскали на виражах из стороны в сторону. Конструкторам потребовалось огромное количество испытаний в аэродинамической трубе, прежде чем удалось вновь заставить воздух работать на себя. Стремясь увеличить прижимную силу, некоторые дизайнеры стали навешивать на свои машины дополнительные антикрылья. Уже в Австралии у Ferrari появились маленькие крылышки (1) между рычагами передней подвески «а-ля McLaren и Sauber ’97», а в Испании Scuderia презентовала систему вывода выхлопных газов под заднее антикрыло. Ник Виртс снабдил Benetton крыльями-опорами крохотных вертикальных дефлекторов перед радиаторами.

Tyrrell, а за ним Prost, Jordan, Sauber и Ferrari вернулись было к идее боковых крыльев — изобретению Майка Гаскойна начала прошлого года. Но после Гран При Сан-Марино FIA, напуганная уродством машин с «канделябрами», запретила их, признав небезопасными.

Впрочем, начало сезона показало, что аэродинамические излишества не всегда являются залогом успеха. Эдриан Ньюи своим новым творением — великолепным McLaren МР4/13 лишний раз доказал расхожую истину о том, что все гениальное -просто. В аэродинамике McLaren нет ничего революционного. Самым необычным элементом в «оперении» МР 4/13 являются огромных размеров боковые дефлекторы позади оси передних колес.

А что же скрывается под аэродинамическими шедеврами инженерной мысли? Давайте заглянем под блестящие обтекатели машин Формулы-1. По сути, современная структура гоночного автомобиля сформировалась уже более трех десятков лет назад, когда вслед за переходом в конце 50-х годов к центральному расположению мотора конструктор команды Lotus Колин Чепмен в 1962 г. вместо трубчатой рамы предложил использовать несущий кузов — монокок.

Монокок (2) выступает не только несущим элементом машины, но и основной защитной конструкцией для гонщика в случае аварии. Поэтому требования, предъявляемые к его жесткости, очень велики. Перед началом сезона каждая команда в обязательном порядке предоставляет свои шасси в FIA для крэш-тестов на фронтальный и боковой удары.

Современный монокок имеет матричную конструкцию, напоминающую слоеный пирог из углеволокнистых структур и алюминиевых сот. Основой его прочности является термическая обработка. Практически все ведущие гоночные «конюшни» имеют на своих заводах специальные печи — автоклавы для «выпечки» монококов. Происходит этот технологический процесс при строго фиксированном температурном режиме (как правило, 130-160 °С) и давлении.

Непосредственно на несущем кузове, под обтекателями, располагаются элементы передней подвески машины: пружины и амортизаторы (3), соединенные со стойкой-коромыслом и толкающей тягой. Некоторые команды, в частности McLaren и Williams, вместо пружин в качестве упругих элементов передней подвески используют торсионы. Применение последних немного упрощает процесс настройки и адаптации машины к особенностям той или иной трассы, но решающего преимущества не дает.

Сбоку к несущему кузову крепятся треугольные рычаги подвески (4) передних колес. Так же как и тяги-толкатели, для уменьшения массы они изготавливаются из композитных материалов с титановыми наконечниками в местах крепления к монококу и ступице колеса. Последние два года, пытаясь достичь максимальной жесткости рычагов, их делают все более широкими, что позволяет конструкторам при желании спрятать рулевые тяги (5) внутрь трубчатой подвески. Однако большинство инженеров по-прежнему остаются сторонниками традиционного и более простого в эксплуатации «открытого» расположения рулевых тяг.

Во фронтальной части монокока находятся тормозные цилиндры (6). Там же стоят и чудо-передатчики фирмы TAG-Heuer, позволяющие фиксировать время прохождения машиной каждого круга вплоть до тысячных долей секунды. Венчает же эту конструкцию носовой обтекатель (7), имеющий специальную ударопоглощающую структуру. Снизу на небольших усах-опорах к обтекателю крепится антикрыло (8), создающее прижимающее усилие на передние колеса. Несмотря на внешнюю идентичность и простоту этих конструкций особенности передних крыльев оказывают огромное влияние на поведение машины на трассе, поскольку в значительной степени определяют не только прижимную силу, но и степень турбулентности воздушных потоков в зоне передних колес.

Заканчивая рассказ о носовой части машины Формулы-1, нельзя не сказать пару слов о самом кокпите (9) пилота. В целях экономии места и улучшения аэродинамических характеристик шасси, гонщик посажен так низко, что практически лежит в болиде. Причем, втиснуться в этот углепластиковый ящик можно только сняв предварительно руль. Это, естественно, очень неудобно. Зато по своему техническому оснащению кокпит Формулы-1 практически ничем не уступает кабинам современных реактивных самолетов. Сиденье выплавляется строго по фигуре каждого пилота, а панель приборов постепенно перекочевывает на рулевое колесо (10).

Конструкторы Ferrari умудрились вынести на руль практически весь пульт управления машиной. Помимо тахометра, шести (!) информационных мини-дисплеев, сцепления и рычажков переключения передач, на рулевом колесе расположены шесть многопозиционных регуляторов, с помощью которых пилот по ходу гонки может вносить изменения в работу сцепления, дифференциала, двигателя, тормозов, электропривода акселератора и в состав воздушно-топливной смеси. Здесь же присутствует схема трассы и четыре кнопочных переключателя.

В условиях тотального дискомфорта Формулы-1 делается все возможное для облегчения работы гонщика: в нынешнем сезоне по условиям нового технического регламента размер зеркал заднего вида увеличен на 20 мм. Да и наука не стоит на месте. Так, еще пять лет назад пилоты команды Lotus тестировали специальные гоночные шлемы, в которых цифровые индикаторы с помощью светоэлементов выводились прямо на забрало.

За спиной гонщика, между кокпитом и двигателем расположен топливный бак (11). В целях повышения безопасности он изготавливается из нескольких слоев синтетического каучука и композитов. Топливопровод оснащается самоблокирующимися заслонками аварийного режима. После разрешения дозаправок в 1994 г. объем бака значительно уменьшился: с 200 до 130-140 л.

Несомненно, возвращение дозаправок сделало гонки более зрелищными, но и увеличило риск пожаров в боксах. Топливо подается в бак со скоростью 12 л/с, и механикам нужно быть предельно внимательными, поскольку малейший контакт бензиновых паров с раскаленной частью автомобиля может привести к печальным последствиям. С началом применения верхнего выхлопа Ferrari даже пришлось пополнить свою бригаду заправщиков еще одним человеком. В его обязанности входит установка специального профилированного щитка, предохраняющего от попадания топливных капель на выхлопные трубы.

К задней стенке монокока крепится мотор (12). Хотя изменения в техническом регламенте в этом году двигателей практически не коснулись, нынешний сезон уже успел войти в историю моторостроения Формулы-1. Впервые на машинах всех без исключения команд-участниц чемпионата мира Формулы-1 установлены моторы одной конфигурации — V10.

Преимущества «десятки» были очевидны давно. Достаточно сказать, что из девяти последних чемпионатов семь были выиграны на машинах, оснащенных 10-цилиндровыми моторами. Дольше всех упорствовали Ferrari, Hart и Ford. Scuderia разрабатывала для своих машин 12-цилиндровые двигатели, а Ford и Hart снабжали своих клиентов устаревшими «восьмерками». Только два года назад, после уменьшения рабочего объема моторов с 3500 до 3000 куб. см, Ferrari прикрыла программу производства V12 и впервые за время выступлений в Формуле-1 представила 10-цилиндровую конфигурацию двигателя. Ford же и вовсе лишь в нынешнем сезоне предоставил командам-клиентам Minardi и Tyrrell полноценные «десятки» вместо маломощных «восьмерок».

Чем же обусловливается такое преобладание конфигурации V10? Все дело в комплексных характеристиках мотора. Во первых, именно 10-цилиндровая конфигурация двигателя позволяет добиться максимально возможной рабочей площади поршня и уменьшить его ход. Кроме того, по сравнению с V12 при небольшой разнице в мощности «десятка» не в пример экономичней, легче и, самое главное, отличается великолепной характеристикой крутящего момента, в особенности на низких и средних оборотах. Это делает двигатель более эластичным в работе.

Применение современных технологий позволило довести скорость поршней до 25-27 м/с, а число оборотов коленчатого вала до 16000-17000 об/мин. Стремясь улучшить наполнение цилиндров, некоторые команды, в том числе и Ferrari, пытались внедрить систему с пятью клапанами на цилиндр, однако эта идея не прижилась, и сегодня в Формуле-1 остались двигатели только с 4-клапанной схемой газораспределительного механизма. Зато широко применяется предложенный инженерами Renault пневматический привод клапанов, который значительно надежнее и легче обычного пружинного.

Не следует забывать, что забота об уменьшении массы и размеров двигателя является одной из приоритетных для конструкторов Формулы-1. Использование композитных материалов и легких сплавов: алюминия для изготовления поршней, блока и головки цилиндров, титана для клапанов и т.д. — позволяет добиться минимальной массы моторов в 120-130 кг при мощности 700-750 л/с.

По поводу оптимального угла развала блока цилиндров единого мнения у моторостроителей пока нет. Здесь все зависит скорее от конструктивных особенностей двигателя и автомобиля. Так, моторы Mecachrome имеют угол 71°, а Ferrari — 80°.

Дозировка электронного впрыска воздушно-топливной смеси и регулирование угла опережения зажигания осуществляются бортовым компьютером — электрон­­ной микропроцессорной системой управления (13). К примеру, на Ferrari F300 стоит электроника Magneti Marelli, считываю­­­щая информацию с многочисленных датчиков и обрабатывающая ее со скоро­­стью 33 млн­­ операций в секунду.

В системе охлаждения используются масляные и водяные (14) радиаторы, установленные на боковых понтонах машин. Тут же, под обтекателями воздухозаборников, по обе стороны мотора располагаются трубы выпускных коллекторов (15).

Позади двигателя установлены коробка передач (16) и самоблокирующийся дифференциал (17). Появление в начале 90-х годов полуавтоматической коробки передач произвело настоящую революция в Формуле-1. Если раньше одно переключение передач на ручной коробке занимало 0,25 — 0,3 с, то теперь на переход, скажем, с первой передачи на вторую уходит ровно в десять раз меньше времени — всего 0,025 с. Переключение передач производится посредством гидроцилиндров, которыми управляют электронные элементы.

С началом использования полуавтоматических коробок практически отпала необходимость в педали сцепления, поскольку гонщик пользуется ею только при трогании с места. Во всех остальных случаях пилот лишь нажимает небольшой рычажок на внутренней стороне рулевого колеса, выбирая необходимую передачу, а функции выключения и включения сцепления берет на себя управляющая электроника.

Судя по всему, подошло к концу время повального увлечения конструкторов трансверсальными (поперечными) коробками передач. За последние несколько лет почти все команды вернулись к коробке с традиционным, соосным с коленвалом расположением валов. Продольная конструкция хоть и имеет несколько больший момент инерции, зато позволяет произвести лучшую развесовку машины по осям.

Конструкция задней подвески принципиально не отличается от передней. Уже знакомый нам узел пружина-амортизатор (18) соединен со стойкой-коромыслом и толкающей тягой, а треугольные рычаги подвески крепятся к коробке передач.

Заднее антикрыло (19) создает основное прижимающее усилие на машину Фор­мулы-1, позволяя проходить повороты с большей скоростью. Чем больше угол атаки антикрыла, тем лучше машина чувствует себя в поворотах. Однако это «палка о двух концах»: увеличение фронтальной площади антикрыла приводит к значительному увеличению лобового сопротивления, что неминуемо снижает скорость на прямых. Поэтому под каждую конкретную трассу подбирается своя структура антикрыла. Если на скоростных автодромах в Монце или Хоккенхайме крыло имеет практически нулевой угол атаки, то на медленных трассах Монако или Будапешта оно выворачивается почти до предела.

В этом сезоне впервые с начала 70-х годов на «сухой» гоночной резине (20) появился протектор. Продольные канавки (три на передних колесах и четыре на задних) призваны уменьшить пятно контакта с асфальтом. По замыслу FIA, новая резина в совокупности с ограничением толщины и диаметра тормозных дисков (21), а также значительное сужение автомобилей должны были привести к увеличению времени прохождения круга на 4-7 с. На практике же скорость упала лишь на 1-4 с, и, вполне вероятно, что через несколько лет машины вновь достигнут уровня скоростей прошлого сезона.

Технология не стоит на месте. История развития Формулы-1 убеждает нас в том, что никакие изменения технического регламента не способны остановить эволюцию машин. Они только временно отбрасывают конструкторов немного назад, заставляя их искать новые пути увеличения скоростей. И хотя автомобили Формулы-1 — всего лишь гоночные машины, они по праву могут называться земными болидами.

Владимир Маккавеев