Formula 1

Live Talk Racing представляет перевод статьи британского эксперта Крэйга Скарборо “F1 2012: Rules, Designs and Trends”, оригинал которой опубликован в его блоге.

Ряд изменений в правилах в 2012 году влияет как на внешний вид болидов, так и на их характеристики. На конструкцию практически всех машин повлияли правила относительно более низкого носа. Также в 2012 году фактически заканчивается история «выдувных» диффузоров, интенсивно развивавшихся на протяжении 2010-2011 годов, из-за ужесточения правил относительно месторасположения выхлопных систем, а также ограничения картографии двигателей, направленной на то, чтобы избежать «выдувного» эффекта. Даже без перемен в правилах команды сближаются в конструкции своих машин, похожих идеях. Наиболее развивающимися трендами этого года ожидаются системы регулирования дорожного просвета, передние антикрылья, а также конструкции подвески. Большое значение имеют боковые понтоны, так как команды стремятся получить максимальный выигрыш в воздушном потоке, направленном к задней части болида. Также большое значение имеют решения в структурной области, которые имеют целью уменьшение массы и улучшение аэродинамики.

Кроме того, безусловно можно ожидать и неожиданные пути развития, своего рода «серебряную пулю». В предыдущие годы такими стали двойные диффузоры и системы F-duct, потом «выдувные» диффузоры задали новое направление поиска. Что можно ожидать в этом году – предсказать сложно, скорее всего не что-то принципиально новое, а более агрессивные решения в области выхлопа, боковых понтонов или подвески.

Носовая часть

Наиболее очевидное изменение 2012 – это понижение конуса носового обтекателя. Раньше все старались задрать носы болидов как можно выше с целью направить как можно более интенсивный воздушный поток снизу, через закрылки и боковые дефлекторы. Поперечное сечение переборки в месте соединения монокока и носового обтекателя определено FIA: 275 мм в высоту, 300 мм в ширину. Команды стремятся сделать эту область как можно меньше, с целью уулчшения аэродинамических характеристик. Несмотря на более высокий центр тяжести, более интенсивный воздушный поток снизу позволяет добиться выигрыша.

Проблема наступает в области безопасности: обязательная защита кокпита в области головы в некоторых областях ниже 55 см; чем выше становятся носы болидов, тем больше опасность того, что острый кончик носового обтекателя может пройти выше кокпита при определенном виде столкновений.

Теперь область впереди передней перегородки монокока должна быть ниже 55 см. Однако сам монокок по-прежнему может оставаться на высоте 62,5 см. Стремясь сохранить концепцию высоких шасси, позволяющую добиваться определенного преимущества в области аэродинамики, команды предпочтут понизить только непосредственно носовые обтекатели, выровняв их на максимально допустимой высоте в 55 см, и сгладив разницу в высоте с помощью небольшой «ступеньки». Следствием чему являются обтекатели, окрещенные «утконосами», широкие, ровные и не лучшие с точки зрения эстетики.

Выхлопная система

Использовавшие в течение двух последних лет двигатель, выхлопную систему и диффузор в комплексе, чтобы влиять на качество воздушного потока, «выдувные» диффузоры в 2012 году фактически запрещены. Теперь выхлопная система выводится в небольшую допустимую область слишком высоко и далеко впереди чтобы направить поток выхлопных газов к диффузору. Выхлоп может иметь только два выхода и никаких дополнительных отверстий. Последние 10 см выхлопной трубы должны быть направлены назад и немного вверх (под углом между 10 и 30 градусами). Кроме того, конфигурация, при которой двигатель продолжает выпускать выхлопные газы даже тогда, когда гонщик отпускает педаль газа, теперь также объявлена вне закона. В прошлом году команды использовали картографию двигателей, при которой дроссель двигателя оставался открытым даже тогда, когда пилот не нажимал педаль акселератора. Существовали две схемы: либо воздух проходил через двигатель, используя его как воздушную помпу – так называемый «холодный выдув», либо по пути воспламенялось некоторое количество топлива – «горячий выдув». Таким образом, даже не при нажатой педали газа поток выхлопа оставался значительной долей в воздушном потоке позади болида; двигатель соответственно играл роль элемента, управлявшего аэродинамикой. Теперь реальная позиция дросселя должна близко соответствовать положению педали акселератора, когда пилот отпускает педаль газа, дроссель должен соответственно закрываться.

Очевидное решение для команд – направить выхлопной поток вверх к заднему крылу, получив небольшую прибавку в прижимной силе когда пилот жмет на газ. В общем виде такой вариант «выдувного» заднего крыла является достаточно консервативным решением, но возможно использовать и более агрессивную конструкцию. Расположить выход выхлопной системы как можно выше и под большим углом, чтобы направить выхлоп касательно профиля крыла, более эффективно ускорив поток под крылом, что в свою очередь увеличило бы прижимную силу. Такое решение может вызвать больше проблем, чем преимуществ, вызывая разрушение структурных элементов, однако прошлогодний вариант выхлопа, проходя низко и широко через пол, вызывал схожие проблемы, которые были успешно решены.

Еще более агрессивное решение – направить поток выхлопных газов на дефлекторы, разрешенные в области воздуховодов задних тормозов. Если избежать входное отверстие воздуховода, предназначенного для охлаждения тормозов, быстрое прохождение выхлопного потока создавало бы прижимную силу точно в области колеса, что даже более эффективно, чем крыло, установленное на подпружиненной части шасси. Однако вопрос здесь заключается в том, что данное решение может оказаться слишком эффективным, вызвав повышенную чувствительность к положению педали акселератора и высоте дорожного просвета сзади. Если решить данные проблемы, подобная конструкция выглядит крайне заманчивой.

Дорожный просвет и угол наклона

Правила, установившие высокий дорожный просвет в области переднего антикрыла, ограничивают аэродинамическую эффективность. Однако команды нашли решение, известное как «угол наклона», позволяющее расположить переднее крыло ниже, а также повысить эффективность диффузора. Таким образом, переднее крыло становится ближе к трассе, чем 75 мм в случае, когда автомобиль параллелен дорожному полотну. В то же самое время сзади диффузор, имеющий высоту 12,5 см, дополнительно приподнимается на 10 см над дорожным полотном. Решение эффективно работало в случае «выдувных» диффузоров, однако теперь придется искать альтернативные пути, чтобы направить воздушный поток в образующийся зазор.

Другой способ увеличить прижимную силу, приблизив переднее антикрыло к дорожному полотну – позволить крылу изгибаться. Несмотря на то, что требуется соответствовать тестам FIA на прогиб переднего антикрыла, команды находят пути, позволяющие расположить торцевую пластину максимально близко к дорожному полотну, наилучшим образом ориентируя её относительно воздушного потока, или направляя поток в струю позади передних колес. Оба варианта улучшают общие аэродинамические характеристики. Однако обратная сторона – это то, что на высокой скорости, или на торможении, когда нос болида клюет, переднее крыло может касаться асфальта, высекая снопы искр. Это плохо как с точки зрения аэродинамических характеристик, так и привлекает лишнее внимание стюардов. Решение данной проблемы – как традиционные настройки подвески на сжатие/отбой, так и применение специальной геометрии передней подвески, геометрически создающей эффект «антиклевка» при торможении.

В прошлом году появилось два дополнительных решения регулирования высоты подвески. В первом случае гидравлические элементы подвески предотвращали клевок, вытесняя жидкость в гидравлическом контуре из одного конца машины в другой, создавая таким образом жесткие настройки передней подвески, но при этом оставляя её достаточно мягкой для лучшего уровня сцепления.

В другом варианте в Lotus Renault использовали воздействие крутящего момента суппортов передних тормозов для того, чтобы увеличить длину толкателя передней подвески на торможении, предотвращая клевок таким образом.

Примечание: Перспективная система коррекции высоты дорожного просвета Lotus Renault вызвала большой интерес в других командах, в Ferrari признались, что также работают над подобным решением, но после достаточно продолжительной дискуссии была запрещена FIA, как нарушающая статьи технического регламента Ф1 3.15 о запрете подвижных аэродинамических устройств: «любая система, устройство или процедура, использующая движения пилота для изменения аэродинамических характеристик машины, запрещена»; а также 10.2.2 и 10.2.3 «никакие регулировки подвески не могут производиться, когда машина находится в движении».

Переднее антикрыло

К концу прошлого сезона конструкции передних антикрыльев разных команд сблизились к определенному набору похожих идей, даже не считая создания гнущихся крыльев, уже обсуждавшихся выше. Основным направлением стало создание трех/четырех элементных плоскостей крыла треугольного сечения. Треугольная форма означает, что большая часть прижимной силы генерируется на краю крыла; более ровный поток, направленный к внутренней части размаха крыла, улучшает качество воздушного потока в задней части машины. Кроме того, более высокое приложение нагрузки с краю крыла создает более интенсивные завихрения, возбуждающие воздушный поток вокруг передних колес, что уменьшает лобовое сопротивление. Каждый из трех элементов крыла является схожим по длине хорды; этот вариант предпочтительнее, чем одна большая основная плоскость с установленными на ней намного меньшими закрылками. Промежутки между элементами располагаются более равномерно, помогая уменьшить разделение воздушного потока под крылом. Большие промежутки означают, что возможно использовать более агрессивный угол атаки без эффекта срыва потока. На самой крутой внешней секции крыла использование четвертого разреза на закрылке позволяет еще эффективнее справляться с проблемой разделения воздушного потока.

Первый вариант подобного крыла был представлен Brawn GP в 2009 году, широкое воздействие на воздушный поток в области передних колес представлялось более важным, чем простое использование разницы в давлениях сверху и снизу крыла. Правила ограничивают площадь поверхности крыла, поэтому закрылки позволяют обойти эту проблему кроме непосредственного воздействия на воздушный поток. В настоящее время сложилась концепция, когда несколько элементов крыла формируют нижнюю часть торцевой пластины, таким образом крыло создается в единообразном трехмерном дизайне, что предпочтительнее, чем горизонтальные элементы крыла с отдельными торцевыми пластинами.

Выгнутые секции крыла стали особенностью, возникшей в прошлом году, особенно по соседству с центральной нейтральной секцией крыла в 50 см. Эти выгнутые участки создают вытянутые завихрения, которые сильнее и более направленные, чем острые завихрения, часто используемые для того, чтобы воздействовать на воздушный поток. В 2012 году эти необычные изогнутые секции следует ожидать на поверхности раздела с центральной секцией.

Пилон, которым переднее антикрыло крепится к носовой части, формируется насколько возможно более протяженным, чтобы увеличить максимальное определенное FIA поперечное сечение. Таким образом, пилон соотносится как с центральной секцией крыла, так и с торцевой пластиной, и вместе с выгнутыми внутренними секциями крыла помогает создать идеальный воздушный поток в 25 см от осевой линии автомобиля.

В 2011 году Mercedes GP использовал верхние секции переднего крыла, связав их с дефлекторами воздуховодов передних тормозов, что было эквивалентно созданию дополнительной длинной секции крыла. Дефлекторы на воздуховодах передних тормозов все более влияют на характеристики передних крыльев и потоки позади передних колес.

Кроме того, в прошлом году Mercedes GP пытался применить инновационный воздуховод на переднем антикрыле. Это устройство не регулировалось пилотом, а было чувствительно к сочетанию скорости и давления. Срывая поток с крыла на скоростях выше 250 км/ч, устройство позволяло изгибающемуся крылу разгрузиться и выгнуться обратно, предотвращая задевание крылом асфальта на высоких скоростях. Однако эффект от использования такого воздуховода также ощутимо менял баланс машины на высоких скоростях, что не нравилось пилотам. Поэтому маловероятно, что применение данного устройства получит продолжение в 2012 году.

Боковые понтоны

В то время как большинство узлов машины жестко ограничено правилами, боковые понтоны – одна из немногих областей, где конструкторы имеют определенную свободу. В прошлом году существовало четыре основных концепции касательно боковых понтонов: традиционные, низкие/конические Red Bull, U-образные McLaren и подрезанные Toro Rosso.

Каждый из этих видов дизайна имеет свои собственные преимущства, в зависимости от того, как именно конструктор собирается использовать объем бокового понтона и куда он мыслит направить воздушный поток.

В этом году командам потребуется направить настолько интенсивный воздушный поток к диффузору, насколько это возможно. Red Bull далеко продвинулась в своих работах над компактными боковыми понтонами, которые хороши в этом отношении, как и более компромиссное решение Toro Rosso. U-образная концепция McLaren может стать более компромиссной по причине новых правил относительно выхлопной системы и желания задействовать раструб сзади кожуха двигателя, использующийся для охлаждения. Тем не менее, концепция может быть сохранена либо с меньшим верхним каналом, либо с более агрессивной, подрезанной формой понтона.

Что касается части конструкции, где должен проходить охлажденный воздух, то конструкторы проектируют её, создавая зауженную заднюю часть бокового понтона с продолжающейся плавной линией кузова от понтона к коробке передач, выход для охлаждающего потока располагается выше понтона, в виде раструба в верхней части кожуха двигателя. Многие команды увеличивают эффективность данной системы, добавляя небольшие воздухозаборные отверстия в области кокпита и на кожухе двигателя.

Чтобы позволить большему объему воздуха войти в боковой понтон, не создавая при этом слишком больших входных отверстий, применяются входные отверстия на верхней части кожуха двигателя, с целью охлаждения коробки передач и KERS.

Другая аэродинамика

Даже без использования «выдувных» диффузоров эта область остается критически важной в 2012 году. Как уже говорилось выше, потеря «выдувных» диффузоров нанесла вред возможности эксплуатировать высокий дорожный просвет сзади и, таким образом, большой угол наклона. Свободный от шлейфа, генерируемого «выдувным» диффузором, воздушный поток естественно будет стремиться проходить из зоны высокого давления над полом в зону низкого давления под ним. В равной степени поток, направленный в сторону, вызываемый вращением задних колес, будет вмешиваться в работу диффузора.

До «выдувных» диффузоров команды применяли сводчатую секцию пола, чтобы захватить и ускорить некоторую часть воздушного потока из области над полом в критическую область между диффузором и задним колесом. Подобные устройства будут применяться, чтобы сохранить диффузор максимально герметичным со всех сторон.

В прошлом году команды помогали работе диффузора, используя воздух, тянувшийся из-под машины, добавляя большую заслонку вокруг задней кромки. Воздействие высокого дорожного просвета сзади повышало эффективность диффузоров, подобным образом работают и заслонки на задней кромке.

Red Bull представил оригинальную идею, создав воздуховод, подающий воздушный поток к отверстию стартера, что позволило улучшить поток в сложной центральной секции диффузора. Многие команды будут выставлять отверстия стартера наружу с помощью приподнятой силовой структуры, что позволит воздушному потоку естественным путем проходить в это отверстие. Ожидаются некие закрылки или воздуховоды, помогающие воздушному потоку достичь этого отверстия, заправляя его вниз в задней части машины.

В прошлом году DRS стала новой технологией. Вскоре команды стали сближать короткую хорду верхней плоскости крыла и установленный высоко гидравлический привод DRS. DRS позволяет заднему крылу открывать зазор до 50 мм относительно основной плоскости крыла снизу. Меньшая плоскость крыла полностью сглаживает данный зазор в 50 мм, более эффективно уменьшая лобовое сопротивление, чем большая верхняя плоскость.

Так как лобовое сопротивление создается в основном на концах крыла, было бы неудивительно увидеть конические закрылки, выравнивающиеся на конце крыла и сохраняющие прижимную силу в центральной части. Команды могут использовать специальные кожухи, чтобы укрыть активатор DRS, хотя Mercedes удалось спрятать активатор в торцевой пластине. Использование кожуха над крылом освобождает сложно проработанную нижнюю рабочую поверхность, таким образом не понадобится большое количество стоек, мешающих работе крыла.

Структурные элементы

Сверхтонкие коробки передач будут в моде в течение многих лет. В прошлом году Williams поднял ставки со своей сверхнизкорасположенной коробкой передач. Пустая конструкция над блоком шестерней была убрана, и задняя подвеска устанавливалась на стойку заднего крыла. Williams вновь имеет подобную конструкцию в 2012-м, хотя  некоторая часть сделана легче. С обязательным распределением веса, масса данной конструкции сзади не является компромиссным решением, в то время как улучшенный воздушный поток на крыле особенно важен в 2012 году. Поэтому вероятно, что конструкции новых машин будут следовать тенденции низких коробок передач и дифференциалов в той или иной степени.

Много говорится о задней подвеске на тягах, являющейся критически важной для успеха. В 2011 году совсем немного команд сохранили заднюю подвеску на толкателях: Ferrari и Marussia. Различия в преимуществах между двумя системами небольшие; толкатели имеют более высокий центр тяжести взамен большего пространства доступа к все более и более сложному устройству пружин и амортизаторов. Тогда как применение тяг позволяет сделать конструкцию более компактной для улучшения аэродинамики и имеет более низкий центр тяжести. Тем не менее, любая из двух систем работает хорошо, если скомпонована правильно.

Применение тяг спереди маловероятно. В значительной степени потому, что высокие шасси устанавливают для тяг слишком низкий угол чтобы работать эффективно. Независимо от этого минимальное поперечное сечение в области для ног пилота обесценивает любые потенциальные преимущества в аэродинамике. Остается лишь небольшое преимущество в понижении центра тяжести, если пилот сумеет приспособиться.

Большинство команд сейчас используют металлическую конструкцию чтобы обеспечить прочность внутри верхнего воздухозаборника. Это позволяет подрезать верхний воздухозаборник для лучшего течения воздуха к заднему крылу. Хотя в прошлом году две команды следовали дизайну верхнего воздухозаборника Mercedes 2009 года по типу лезвия, по крайней мере Caterham не будет следовать данной концепции в этом году. Остается вопрос, оставит ли такой дизайн Force India.

Примечание: после презентации Force India VJM05 стало понятно, что британо-индийская команда также отказалась от такого дизайна.

Электроника и системы контроля

Технический регламент 2012 года содержит большое количество довольно сложных и специфических правил касательно систем, контролирующих двигатель, сцепление и коробку передач. Выяснятся, что это просто предыдущие технические директивы, которые были объединены в основной пакет технического регламента. Новыми правилами стали только ограничения на картографию двигателя/педали акселератора, направленные на борьбу с горячим и холодным выдувом.

Все иллюстрации выполнены Крэйгом Скарборо и представлены в тексте оригинальной статьи.