Сергей Сироткин: Анатомия машины Ф1: Аэродинамика

0
9

Формула 1 – технический вид спорта, где многое происходит за кадром. Но даже в тех случаях, когда элементы или системы машины видны невооружённым взглядом, понять принципы их работы без специальной подготовки порой непросто.

Мы попросили рассказать об этом резервного пилота Renault F1 и пилота программы SMP Racing Сергея Сироткина. Ведь Сергей – не только гонщик, но и без пяти минут инженер, специализирующийся именно на автомобилях – летом ему предстоит защитить диплом в МАДИ по специальности «Эксплуатация автомобильного транспорта». Любовь к технике всегда помогала Сироткину в основном виде деятельности, а теперь сослужит добрую службу и нам всем.

Надо сказать, что хотя конструкторы тщательно работают над каждым элементом в отдельности, машина Формулы 1 – это единое целое, и по-настоящему эффективной она может быть только когда все её детали эффективны как сами по себе, так и во взаимодействии между собой. Они должны дополнять друг друга, используя сильные стороны каждого элемента, а не противодействовать, снижая тем самым общую эффективность машины. Найти этот баланс – самое сложное при создании машин Формулы 1.

Общая эффективность машины складывается из трёх ключевых составляющих:

1. Аэродинамическая эффективность
2. Механическая эффективность
3. Эффективность силовой установки и коробки передач

Сегодня мы поговорим об аэродинамической эффективности машины Формулы 1.

 

Аэродинамическая эффективность определяет общий уровень эффективности машины и зависит от множества факторов, как, например, от конструктивных решений, так и от тонкой оптимизации всех настроек. В общем виде то, к чему стремятся все конструкторы – это добиться максимально высокой прижимной силы при максимально низком аэродинамическом сопротивлении.

Приоритет имеет именно прижимная сила – поэтому аэродинамическое сопротивление машины Формулы 1 достаточно велико. Коэффициент аэродинамического сопротивления, так называемый показатель Cx, для машины Формулы 1 составляет 0,65-0,85 (в зависимости от настроек), в то время как даже для обычных дорожных машин сегодня этот показатель лежит в диапазоне 0,3-0,4, а у целого ряда машин опустился ниже 0,3.

Безусловно, первое, на что надо обратить внимание, когда мы говорим об аэродинамике Формулы 1, это такие элементы, как передние и заднее крылья, днище и диффузор, а также различные воздуховоды (например, S-duct, S-образный воздуховод в переднем обтекателе), форма боковых понтонов, все охлаждающие системы для тормозов и силовой установки. Именно эти элементы создают большую часть аэродинамического сопротивления, именно они генерируют прижимную силу. Тут применяется тот же принцип, о котором я говорил в начале – нужно добиться максимальной эффективности каждого из элементов так, чтобы общая эффективность их в сумме тоже оказалась максимальной.

Разберём элементы по порядку и начнём с переднего антикрыла. Это один из самых заметных элементов машины, именно он принимает на себя «первый удар» воздушного потока, так что от его эффективности в значительной степени зависит эффективность всей машины. Но, вопреки широко распространённому мнению, ключевая роль переднего антикрыла вовсе не в том, чтобы прижать переднюю часть машины к асфальту – само по себе оно создаёт лишь 15-18% прижимной силы. Его главная задача – распределение воздушного потока вокруг автомобиля и под ним.

Очень важная задача переднего антикрыла – отвести воздушные потоки от колёс, так как в формулах они открытые, а также вращаются в противоположном направлении относительно воздушного потока, что создаёт огромное лобовое сопротивление и нарушает дальнейшее распределение воздуха.

Также один из ключевых моментов – получение и сохранение ламинарного (то есть стабильного, не турбулентного) потока в самых важных с точки зрения аэродинамики местах машины, таких, как, например, под днищем и диффузором, а также перед задним крылом. Собственно, это и есть одна из причин, почему современное переднее антикрыло в Формуле 1 имеет столько различных плоскостей, а сразу позади него расположено ещё множество небольших элеронов и других аэродинамических элементов.

Дальше поток наталкивается на боковые понтоны, которые все конструкторы пытаются сделать как можно меньше и при этом как можно сильнее сузить ближе к задней части, чтобы добиться наиболее стабильного ламинарного потока перед задним антикрылом. Внутри самих понтонов и непосредственно над головой пилота расположены воздухозаборники для двигателя и систем охлаждения, в том числе радиаторов, имеющих значительное лобовое сопротивление. На расположение и форму таких воздухозаборников инженеры обращают большое внимание, стараясь найти компромисс между эффективным охлаждением элементов (в первую очередь тормозов и двигателя) и сопротивлением воздуха.

Прежде чем перейти к заднему антикрылу, стоит упомянуть новшество этого года: так называемые «плавники» и Т-образные крылья над верхним воздухозаборником. Их задача – «собрать вместе» воздушный поток, направив его на наиболее эффективные участки верхней части заднего антикрыла.

Говоря о самом заднем антикрыле, важно понимать, что в отличие от многих других аэродинамических элементов, приходящий к нему воздушный поток уже прошёл через остальные элементы автомобиля, так что добиться стабильности, ламинарности этого потока тут значительно труднее, чем где-либо ещё. Сделать это, однако, чрезвычайно важно, иначе антикрыло окажется неэффективным, а оно генерирует значительную долю прижимной силы в задней части машины Формулы 1.

 

Кроме того, заднее антикрыло должно быть оптимизировано как при открытой, так и при закрытой планке системы DRS. Это значит, что при открытии DRS лобовое сопротивление должно снижаться как можно сильнее, но при этом когда система закрыта, она не должна влиять на прижимную силу.

Ну и самый важный элемент с точки зрения общей аэродинамической эффективности – это система днище-диффузор. Именно она генерирует львиную долю всей прижимной силы машины Формулы 1 за счёт разницы в скорости потоков над и под машиной. Давление в более быстром потоке воздуха всегда ниже, чем в медленном. Задача инженеров команд Формулы 1 – создать максимальную разницу в скорости потоков под машиной и над ней, что приводит к разрежению воздуха под днищем. Таким образом, машина буквально «присасывается» к трассе – создаётся своего рода граунд-эффект, хотя и совсем другим способом, чем это делалось в начале 80-х годов.

Для того чтобы этого достичь, воздух загоняется под машину различными аэродинамическими устройствами, днище имеет специальный профиль, а задний диффузор конструируется так, чтобы отводить воздух от машины максимально быстро. Эффективность днища в большой степени зависит от его длины, а также высоты диффузора, что влияет на ускорение воздушного потока, проходящего под машиной. Но серьезный эффект на прижимную силу также оказывают клиренс, то есть расстояние, отделяющее нижнюю кромку днища от асфальта, и рейк (англ. Rake) – постоянный наклон машины вперёд или назад. Чем больше разница между клиренсом спереди и сзади, тем больше рейк.

Как правило, днище-диффузор эффективно работают в очень узком диапазоне настроек клиренса/рейка, поэтому положение машины в повороте под нагрузкой очень важно. Таким образом, механические настройки подвески, в частности жёсткость всех демпфирующих элементов, тоже оказывают значительный эффект на работу днища-диффузора и, как следствие, прижимную силу. Задача инженеров – сделать так, чтобы машина по ходу круга как можно большую часть времени находилась в оптимальном положении клиренса/рейка, сохраняя максимальную стабильность во время любых переменных нагрузок – на торможении, в быстрых поворотах, при преодолении поребриков, неровностей и так далее.

 

Другая трудность в том, чтобы найти наилучший компромисс при выставлении переднего и заднего клиренса, потому что оптимальный клиренс/рейк сильно зависит от скорости машины. То есть для медленных поворотов он должен иметь одно значение, для скоростных – другое, и всё это надо увязать с настройками подвески и жёсткостью всех демпфирующих элементов для достижения наилучшего механического сцепления и работы резины.

Если говорить о более тонкой оптимизации всех аэродинамических элементов, то в Формуле 1 активно применяется так называемая «аэроупругость», то есть изменение геометрии элемента под действием силы воздушного потока. Классический пример такой аэроупругости – гибкие антикрылья. Конечно, правила ограничивают их подвижность, она измеряется на каждом Гран При, но полностью лишить аэродинамические элементы упругости и гибкости невозможно, к тому же ограничения распространяются лишь на некоторые элементы, так что определённая свобода для инженеров и конструкторов тут всегда остаётся.

При помощи аэроупругости можно оптимизировать баланс машины для разных скоростей. Приведу простой пример: как правило, все машины в Формуле 1 страдают от недостаточной поворачиваемости в середине медленных и среднескоростных поворотов, но при этом имеют избыточную поворачиваемость на торможениях и в быстрых поворотах. Правильно применив эффект аэроупругости, мы можем добиться того, что угол атаки переднего антикрыла будет уменьшаться с ростом скорости, но останется неизменным в медленных поворотах под малой нагрузкой.

То есть, например, мы можем изначально установить его так, чтобы убрать недостаточную поворачиваемость в середине медленных и среднескоростных поворотов, но с ростом скорости антикрыло будет отгибаться настолько, насколько это необходимо, чтобы бороться с избыточной поворачиваемостью на более скоростных участках трассы. И этот принцип применим ко множеству элементов, так что вы можете представить, каковы возможности управления аэродинамическим балансом машины Формулы 1 при правильной оптимизации всех систем.

Когда мы уверены в том, что все аэродинамические элементы правильно подобраны и оптимизированы между собой, мы переходим к механическим настройкам. Они оказывают огромный эффект не только на положение машины под нагрузкой, что очень важно для правильной работы всех элементов, что мы так старательно увязывали в единый аэродинамический пакет, но и на распределение нагрузок в повороте и работу резины. Проблема в том, что оптимизация механических настроек машины для эффективной работы аэродинамики и для эффективной работы подвески почти противоположны. Об этом мы поговорим в следующем материале.

Сергей Сироткин, специально для F1News.Ru