Как работают носовые обтекатели в «Формуле-1»

После небольшого перерыва блог «В погоне за секундой» возвращается с техническим обзором передней части машин текущего сезона, так как главное визуальное новшество осталось неохваченным нами – чем конкретно руководствовались коллективы разработчиков, проектируя эти уродливые чудеса носовой техники.

Рассматривать каждый конкретный нос мы будем в привязке с передней подвеской, ибо она также внесла свои коррективы в эти элегантные изгибы, которыми мы с вами так восхищаемся.

Стоп! Мы, кажется, заговорили о подвеске? Наши читатели в комментариях к прошлой статье просили: «еще бы аналогичным образом с тягами-толкателями разобраться, с их плюсами и минусами». Извольте!

Толкнуть тягу или натянуть толкатель?

Итак, передняя подвеска состоит из следующих элементов:

• Поперечные рычаги, соединяющие корпус болида и колеса. Их четыре штуки – два сверху и два снизу. Служат для того, чтобы подавить продольный крен шасси при разгонах и торможениях и поддерживать оптимальное пятно контакта шины с поверхностью трека(на схеме – синим цветом).


• Толкающие или тянущие штанги (3) (красные на схемах) – те самые элементы, которые и определяют название подвески (по способу взаимодействия с рокером). Наряду с самой шиной отвечают за подавление поперечных кренов в поворотах.


• Рокеры или по-русски коромысла (5) – рычаги, соединяющие штангу и передающие линейное движение от штанги к штоку амортизатора(6) через  торсион.


• Ну, и наконец, амортизаторы, которые собственно, определяют величину дорожного просвета.

2

Разумеется, подвеска этим не заканчивается. Там есть и стабилизаторы поперечной устойчивости на тех же самых рокерах, и поворотная схема со своими рычагами, но они нас мало интересуют, так как никакого влияния на причесывание потоков воздуха не оказывают (в разных схемах).

Ах да, у «Мерседеса», «Лотуса» и «Форс-Индии»  есть еще и инновационная система  межосевой устойчивости типа FRIC, но это отдельная песня. И никто кроме них, вроде бы, не захотел вступить в этот новомодный «хор», чтобы не гадать, отчего машина не едет, как нужно. А так, все просто – виноват двигатель и никаких досадных размышлений (позвони в «Рено» и обматери там всех).

Дальше начинаются тонкости. Располагая поперечные рычаги с небольшим углом, чтобы угол кастора (угол между вертикалью и проекцией оси поворота колеса на продольную плоскость автомобиля) был отрицательным, можно добиться, чтобы машина была более стабильна на торможениях. Но удар по подвеске при начале атаки поребрика или кочки однозначно слегка толкает болид назад. То есть, имея лучшую управляемость, мы слегка теряем скорость. Почему-то наибольший угол(судя по фотографиям), имеет передняя подвеска «Феррари». То есть, болид потенциально хорошо тормозит, неплохо вписывается в повороты, но в условиях городских трасс или просто на неровном асфальте максимальная скорость должна быть немного ниже, чем это возможно. Кстати, к итальянцам и так много вопросов, и мы их также разберем позднее.

Лично я (то есть ровно половина авторов этого текста), очень долго пытался запомнить, где подвеска на тягах, а где на толкателях. Начал я с того, что осознал, что подвеска на тягах «нормально-разгружена», а на толкателях – «нормально-нагружена». Это действительно так и, чтобы определиться, достаточно глянуть на схемы: если автомобиль неподвижен, то штоки амортизаторов «тяговой» схемы выдвигаются, а значит, сжимающее усилие отсутствует. Для толкателя все строго наоборот – амортизаторы в состоянии покоя загружены. Но! Болиды обычно видны в собранном состоянии, а значит, этого знания мне было недостаточно. Были и другие варианты для запоминания, но, в конце концов, я остановился на том, что если одинокая штанга торчит из болида сверху и уходит вниз к колесу – то название подвески будет длинным, а если ничего сверху на корпусе нет, то это тяги. И с этим можно вполне теперь жить…

Толкатели позволяют создать под кокпитом большое «окно» для потоков воздуха и лучше «причесывают» возмущенный воздух, следующий от переднего антикрыла

Если же говорить об особенностях обоих схем, то в классическом исполнении толкатели позволяют создать под кокпитом большое «окно» для потоков воздуха и лучше «причесывают» возмущенный воздух, следующий от переднего антикрыла. Тяги заметно снижают центр тяжести (тяжелые элементы внутри корпуса расположены ниже), но управлять потоками в горизонтальном направлении между колесом и кокпитом довольно тяжело, так как все элементы подвески между ними отнюдь не горизонтальны земле.

Но это в классическом исполнении. На практике же выходит, что можно сделать плавный изгиб от кончика носа до головы пилота и с использованием подвески с толкателями. И успешно управлять потоками воздуха штангами тяги.

Для сезона-2014 было бы здорово всем перейти на тяги, так как плавный изгиб носового обтекателя и кокпита достигался бы легче, но, имея в техническом регламенте также новый и  необкатанный двигатель V6 с кучей новомодных «заморочек», мало кто захотел рисковать –   большинство участников просто адаптировало правило «низкого» носа к тому, что мы привыкли видеть в прошлогоднем чемпионате.

Исключение составил разве что «Макларен», который здорово намучился в прошлом сезоне – от чудо-тяг коллектив решил вернуться к использованию более привычных толкающих рычагов, благо положительный опыт постройки чрезвычайного низкого шасси с этой схемой имеется с 2012-го. Кстати, благодаря одному перебежчику из Уокинга, некоему Падди Лоу, который сейчас трудоустроен в «Мерседесе», аналогичные решения появились и на «серебряных стрелах». Но на W05 все настолько здорово сделано от кончика носа до самой кормы, как будто предыдущие семь лет проектированием техники занимались дворники, а многочисленные гиганты мысли разрабатывали машину именно для 2014 года.

Если вкратце по связке «нос – передняя подвеска» (а мы будем рассматривать в большей степени эти два элемента), то большинство команд – читай ограниченных в ресурсах – решили минимизировать аэродинамические потери. Изменению подверглись лишь точки крепления нижнего поперечного рычага из-за общего снижения высоты передней части с 625 до 525 мм.

Однако, обо всем по порядку.   

«Мерседес»

Имея такую толпу гениев в техническом департаменте, непосредственную связь с мотористами (то есть, была возможность приступить к проектированию болида намного раньше клиентов), грех было не построить экстремальную машину. Чего они и сделали: все только и говорят о сверхплотной компоновке Эдриана Ньюи, но взгляните на W05 -  вот где впихнуто «невпихуемое». И ведь работает!

Нос – один из самых  элегантный  в пелотоне, ступеньки в импакт-структуре (как в F14T и VJM07) – нет, а точки крепления «экстремально-параллельного-сверхнагруженного» нижнего поперечного рычага с запасом (что редкость по нашим временам!) укладываются в рамки регламента. Стоит особо отметить, что передок W05 вообще построен вокруг идеи параллелей: взаимное расположение верхних и нижних рычагов подвески; тормозные воздуховоды; отклоняемые закрылки в стиле лейблов комиксов Marvel о Бэтмене под носом; «заячьи уши» камер а-ля «Хонда» RA08 – все это сделано на горизонтально-параллельный манер и служит благому делу последовательного управления и перенаправления воздушного потока, поступающего с переднего антикрыла.

Передняя подвеска изумляет искушенного зрителя и заочно одобрена ассоциацией продавцов мебели, так как реализовывать устойчивый столик на трех ножках легче, чем на четырех (который качается и требует прокладок). Действительно, на выходе из колеса мы видим (глазом) именно три поперечных рычага – два достаточно тонких сверху и массивный спаренный один – снизу. И только около корпуса нижний рычаг раздваивается. Благодаря этому, снизу конструкторам удалось создать очень широкую «лопасть» для перенаправления потоков воздуха.

Что касается носового обтекателя, то и тут немчики оказались на высоте, не показывая народу  ступенчатого монстра и всяких там торчащих пальцев. Однако «окошко» между носом и планкой антикрыла, на наш взгляд, можно было бы сделать и побольше, благо возможности в этой компоновке еще есть(что доказал, кстати, «Лотус»).

«Макларен»

MP4-29 можно смело сравнивать с машиной двухлетней давности. Да, изменения в передней части болида есть, но они скорее следуют тенденциям этого года, чем революционны.  К примеру, в конфигурации обтекателя только дизайнеры из Уокинга смогли правдоподобно изобразить разношенные греческие сандалии(летняя обувь с открытыми пальцами), и мы говорим: «спасибо».  Угол изгиба от кончика носа до носа пилота – самый плавный в пелотоне, все хорошо продумано – например стойки антикрыла сверху аккуратно переходят в маленькие открылки, которые направляют поток стекающего с конструкции воздуха  над верхней парой поперечных рычагов подвески.

Кончик носа болида легко отламывается при помощи гаражного домкрата. И если в Австралии Дженсон Баттон слегка страдал от холода, то в жаркой Малайзии это может стать хорошим подспорьем для создания комфортного микроклимата в кокпите.

«Феррари»

Итальянцы решили не рисковать и, несмотря на приход Джеймса Эллисона, оставили прежнюю схему на тянущих штангах, причем точки крепления верхнего поперечного рычага не изменились (нос – ступенчатый!), а угол взаимодействия тяги с рокером уже не такой экстремально острый, что позволит облегчить конструкцию и снизить неподрессоренные массы.

По взаимодействию с потоками от носа все тоже полностью укладывается в выбранную стратегию: скатывающийся воздух (зеленые стрелки) попадает непосредственно под многочисленные рычаги-лопасти и успешно перенаправляется дальше. К слову, у «пальценосов» такую функцию играет палец, что несколько лучше.

Но вот что вызывает оторопь, так  это общая концепция решений обтекателя «Феррари». Окно между носом и несущей планкой антикрыла очень маленькое (желтая стрелка). То есть сечение прямой струи воздуха, следующей к сплиттеру, небольшое. Основной упор делается на завихренные «зеленые» струи.

 Но вот что вызывает оторопь, так  это общая концепция решений обтекателя «Феррари». 

Чуть выше их мы снова видим некую нелогичность. Понятно, что нос заканчивается ровно там, где начинается внутренняя «начинка» подвески, но изгиб обтекателя в этом месте должен вызывать большое лобовое сопротивление. Да и плотность потока, следующего к шлему пилота,  на разных скоростях должна быть разной – а значит, влияние защиты головы на аэродинамику задней части машины будет сложно рассчитать.

Кстати, за эти три месяца в прессе промелькнули две фразы об агрегате «Феррари» – экономичный и не требующий агрессивного теплоотвода. Из этого следует спорный вывод о меньшей выходной мощности двигателя – эти три параметра взаимосвязаны. Пока неизвестно доподлинно о эффективности дополнительных систем (ERS и работе с аккумуляторами), говорить о «сливе» сезона рано, но уже стоит слегка задуматься.

«Маруся»

На фоне «итальянки», простая русская девчушка «Маруся» выглядит бедной родственницей – обводы носовой конструкции страшно угловаты, там легко «теряются» как минимум  секунда на круге. Заезд в Австралии был для российского коллектива лишь поводом для тестов, которые успешно прошел один Чилтон, которого лидер обогнал два раза. Вторую машину судьи не классифицировали, но терпеливо  терпели по ходу гонки. 

«Лотус»

У бывших подчиненных Эрика Булье, как обычно, свое видение на каждое изменение регламента. Вот и в этом году дизайнеры решили сделать из единого носа два больших и толстых пилона. В итоге они получили огромное окно для беспрепятственного движения воздуха к сплиттеру и под днище.  Но все новое и неизведанное еще нужно довести до логического совершенства, а пока коллектив из Энстоуна усиленно борется с проблемами под кожухом моторного отсека.

Несмотря на очевидные преимущества подобной конструкции, конкуренты врятли будут копировать это решение в таком виде – выглядит это не симметричное чудо весьма непрезентабельно. Или сделают это ближе к середине чемпионата.

«Ред Булл», «Форс-Индия», «Заубер»,  «Торо Россо», «Уильямс»

По носовому обтекателю и подвеске на толкателях – это набор родственников, даже при том, что «Заубер» пользуется двигателем «Феррари» (и отражает общую тенденцию небольшого проигрыша в темпе клиентам «Мерседеса» («Уильямс»).

Во всех этих случаях пальценос при горизонтальном разрезе имитирует каплю-вихреобразователь, как если бы она не падала вниз, а двигалась вдоль поверхности. Потери эффективности тут конечно есть, но головная боль за эту часть машины практически не болит. До того, как «Формула-1» вернется в Европу, команды посмотрят друг на друга и выберут вариант «по себе» – может быть уже в Барселоне пальценосы останутся у единиц – ведь есть отличное решение «Мерседеса» и отличное от решения «Мерседеса» творение «Лотуса».

В этом разделе мы подробнее остановимся лишь на спорной ситуации с датчиками расхода топлива на машине Даниэля Риккардо.

В регламент на этот год были внесены две фразы: «болид должен использовать за гонку не более 100 кг топлива» и «в любой момент времени по ходу гонки расход топлива не должен превышать допустимые 100 кг в час».

Казалось бы, вторая фраза вообще не имеет смысла – получи 100 кг бензина на гонку и делай что угодно! Однако следует учесть, что, несмотря на ERS, зависимость выходной мощности двигательной системы и расход топлива – все же взаимосвязанные величины.  А значит, пилоты получили бы отличный аргумент в борьбе на трассе – получай большую мощность (а запас мощности в турбодвигателях этого сезона есть) и борись за позицию… чтобы потом некоторое время «тошнить» по кольцу, ведь в среднем главный заезд продолжается от 1:15 до 1:30 часа.

Однако это снизило бы «смотрибельность» «Формулы-1» – обгоны и борьба «колесо в колесо» стали бы почти невозможны.

Казалось бы, вторая фраза вообще не имеет смысла – получи 100 кг бензина на гонку и делай что угодно!

Да и ФИА ввела это второе правило исходя из других помышлений – делайте двигатель более экономичным и развивайте эффективность «зеленых» технологий – через преобразователи кинетической энергии в электрическую. И тогда вы будете быстры и будете быстрее соперников на законных основаниях!

К сожалению, разъяснительной работы с болельщиками через прессу проведено не было.  Именно поэтому первые сутки после дисквалификации ФИА имела такой «бледный вид». Даже не смотря на «читерскую» славу «быков», высказывания руководителей австрийцев вызывали «праведный гнев».

К слову, «Ред Булл» оказался в этом сезоне в патовой ситуации. Дело тут даже не в картографии и надежности самого турбированного V6 (это дело поправимое), а в комплексной поставке двигательной установки с аккумуляторами, электродвигателями и преобразователями от единого поставщика – «Рено», который не очень силен в этих дополнительных компонентах.

Напомним, что и другие производители моторов – «Мерседес» (со своим клиентом в лице конюшни «Макларен») и «Феррари», как заводская команда, уже несколько лет непосредственно сами занимались установками KERS. И, как говорят у нас (корейцев), «собаку на этом съели».  «Рено» же подобного обширного опыта не имеет – и сейчас расплачивается за то, что использует продукцию сторонних поставщиков, просто адаптированную под «Формулу-1» (или свою, но без практического опыта в этой области).

В конкретной австралийской гонке у австрийцев не было традиционных козырей с двигателем и они решили поиграть в новые игры, не согласившись, как остальные, на корректировку расхода по показаниям датчиков ФИА.  Итог закономерен и у Федерации нет других вариантов – порядок нужно поддерживать на прецедентах.

«Катерхэм»

«Крокодилы», к сожалению,  построили абсолютно новую машину. Марк Смит категорично заявляет, что решение перейти на тяги в передней подвеске продиктовано исключительно аэродинамической необходимостью и в чем-то он неуловимо прав.

 Как показал заезд в Австралии, «Катерхэм» может быть чрезвычайно быстр на старте

Любопытно, что схема подвески очень похожа на прошлогодний вариант «Феррари», и обе команды совместно пользуют аэродинамический полигон TMG в Кельне. Однако, даже не смотря на общий продувочный  туннель, мы не заметили уродливый кусок трубы вместо носа на творении инженеров Скудерии, однако отметили для себя еще более крохотное «окно» между носом и планкой антикрыла, оставленное, вероятно, просто как дань традициям болидостроения. Может все дело в TMG?

Как показал заезд в Австралии, «Катерхэм» может быть чрезвычайно быстр на старте (как минимум на фоне «Уильямса»), а нос особенной конструкции предназначен для не менее быстрого торможения в гравии – болид просто зарывается в гальку этим лемехом и останавливается.

Несмотря на дешевизну конструкции носового обтекателя, мы похвалим дизайнеров «Катерхэма» – нижний скос конструкции (куда крепится труба) очень хорошо перенаправляет аэрострую вниз.

Но вот что можно было сделать, на наш неизвращенный вкус с носовым обтекателем «крокодилов». Может это и вызовет некоторую оторопь у обывателя, зато хорошо справится с задачей максимально завихрить потоки воздуха перед встречей со сплиттером, который, напоминаю, находится как раз под попой пилота на уровне днища. Да и закапываться в щебень будет сподручнее…

Что дальше? Дальше будет еще интереснее – впереди жаркая Малайзия, и множество обновлений от тех, кто уже добился надежности (или почему-то так думает).

Автор Александр Сычёв