Восемьдесят танцующих лошадей

Система рекуперации кинетической энергии (KERS) применяется в «Формуле-1» всего третий сезон, однако за это время устройство успело вызвать серьезные головные боли у пилотов и инженеров. Мы решили подробно рассмотреть достоинства и недостатки системы, то, как с ними справились инженеры, а также заглянем в ближайшее будущее.

Внедрение и первые шаги

К 2008 году на мировом авторынке вовсю витали идеи экологически дружественных, «зеленых» авто. ФИА, понимая, что автогонки очень сильно оторвались от реальных нужд автопрома, решила использовать «Формулу-1» как испытательный полигон для новых технологий. Однако после вписывания в технический регламент пятерки пунктов о KERS, система ожидаемо стала сложным вызовом для инженеров.

По задумке ФИА система рекуперации предназначалась для облегчения обгонов, путем увеличения мощности двигателя на 80 л.с. на протяжении 6,7 сек в течение круга. Однако возросший вес болида (а KERS весит около 30 кг) замедлил болид «Ф-1» на протяжении всего круга, сделав время прохождения круга примерно таким же, каким оно было бы без «рекуператора».

Реализация идеи стала настоящим вызовом для инженеров: размещение системы выше мест крепления балласта вызвало ухудшение баланса болида; батареи KERS потребовали дополнительного охлаждения (и, желательно, не влажным воздухом); слабая надежность и высокая опасность поражения электротоком для персонала была неизбежна в первых гонках; и, конечно же, расходы…

Расходы же командам предстояли весьма немалые. И дело тут даже не в том, что KERS предстояло сконструировать с нуля. Просто из года в год регламент переписывался ровно настолько, что экономить особо не получалось.

Неудивительно, что в 2009 году KERS использовали в течение всего сезона только «Макларен» и «Феррари», а в 2010-м команды договорились вообще не использовать системы рекуперации в гоночных условиях.

Ну, и самое главное, минимальный вес болида до и после приятия решения о внедрении не изменился, а лишние килограммы никак не мотивировали коллективы к установке тяжелого устройства. И только когда в регламенте на сезон-2011 этот параметр поднялся до 620 кг (а в сезоне 2012 года – 640кг), у команд появился аргументированный выбор: либо инсталлировать систему в машины и получать преимущество, либо возить 20-40 кг балласта…

Проблемы и решения

И вот, в прошлом сезоне состоялось «второе пришествие» KERS. Надо сказать, что из-за малого опыта использования систем рекуперации 2011-й стал для команд годом «боевой» обкатки и решения многочисленных проблем стабильности системы. Отказ от доработки KERS в 2009 году, в частности, довольно дорого стоил «Ред Булл» – от гонки к гонке отказы преследовали команду из Милтон-Кейнса, а недобранные очки не позволили конюшне обеспечить также и вице-чемпионство Уэббера по итогам сезона.

По прошествии первых гонок перед командами вплотную стала интересная проблема – в зависимости от трассы аккумуляторы собирали энергию торможения значительно быстрее, чем заканчивался круг, а на накопление энергии также есть ограничение – не более 300 кДж.

Казалось бы, да и ладно! Нужно всего лишь ставить столько аккумуляторов, чтобы круг заканчивался одновременно с заряженностью KERS. Однако использовать на этом же круге можно 400 кДж, да и на большинстве «тилькедромов» длинная стартовая прямая находится сразу после последнего поворота. Так что пилоты, желающие потратить остаток заряда с прошлого круга и часть заряда сразу после пересечения линии старта просто не смогли бы этого сделать. Так что тасовать аккумуляторные «банки» никто не стал.

В первых гонках пилоты совершали часть круга в режиме заряда KERS, а часть – в стандартном режиме. Баланс автомобиля в первом и во втором случае резко отличался: система позволяет активней тормозить двигателем, значит прямую пилоты проходят быстрее, однако в повороте, когда важна стабильность, оказывается, что задние шины, соединенные с генератором на валу, движутся немного медленней, чем сам болид. Это сродни эффекту активации ручного тормоза при движении. В результате машину слегка заносит, задние шины перегреваются и стираются чуть быстрее обычного, а на передние увеличивается нагрузка из-за добавочной рулежки.

В принципе, это легко «лечится» базовыми настройками на гонку. Но проблема в том, что после полной зарядки систему приходится частично выключать. И тогда в поворотах машина ведет себя совсем по-другому...

Примерно к середине прошлого сезона по пелотону прошла волна модернизации. Все ведущие команды перевели болиды в режим непрерывной зарядки. Начиная с первого поворота заряд шел в батареи, пока они не заряжались до положенного по регламенту уровня, а потом излишек энергии проводился через мощные и довольно громоздкие резисторы, главная роль которых – превращать электрическую энергию обратно в тепловую. Нашлось и место для них – под днищем, где нагрев воздуха, а значит его расширение – большое благо.

Казалось бы, проблемы с изменением баланса по ходу круга по вине систем рекуперации остались в прошлом, но, уходя на зимние каникулы, команды опять не были полностью довольны конфигурацией KERS – под днищем резисторы были подвержены механическим ударам, то есть, надежность системы продолжала оставаться под вопросом.

Главный тренд нынешнего года в системах рекуперации – замена резисторов (предназначенных для «уничтожения» энергии) на ионисторы (суперконденсаторы).

Если вкратце, то ионисторы могут накопить значительно больше энергии, чем обычные серийные конденсаторы. Они очень эффективны при быстром накоплении и освобождении энергии, однако в накоплении нужного количества энергии на большое время они не так хороши.

А раз регламентом разрешено запасать только 300 кДж энергии на круге, то датчики контроля этого уровня размещаются между плюсом и минусом литий-ионных аккумуляторов. Ионистр же, как устройство «сброса и условного накопления энергии», выведен за рамки этих ограничений. По истечении круга заряженные ионистры помогают быстрее зарядить основные аккумуляторы хотя бы до какого-то значения.

Это очень хорошее решение, однако суперконденсаторы все же имеют довольно большой вес, требуют обязательного и очень мощного охлаждения и должны быть расположены как можно ниже, для улучшения баланса болида. В случае «Ред Булл» – это днище, все также подверженное возможным механическим ударам.

Вероятно – и тут мы опускаемся в плоскость предположений – лидеры такие системы имеют уже с начала года. Однако не факт, что ионисторы внедрены во всех командах. Отчасти это подразумевается двумя фактами:

Во-первых, на тестах в Муджелло «погонять» такое решение было весьма проблематично – там нет ярко выраженных поворотов, скорость на протяжении всего круга примерно равна, а зарядить KERS полностью сложно. Значит, отстающим придется тестировать новинки уже по ходу гоночных уик-эндов.

Во-вторых, некоторые «клиентские» KERS также не имеют суперконденсаторов. Это видно из комментариев Петрова и Ковалайнена для собственного журнала команды «Катерхэм».

Что ждет KERS в будущем?

Уже сейчас можно сказать – это будет светлое будущее. Лидеры в системной модернизации болидов потихоньку приближаются к более рискованным решениям, которые могут быть гораздо более прибыльными, чем быстрый заряд KERS в самом начале круга. И тут также может быть использована разница между вырабатываемой энергией и ограничением в те самые 300 кДж.

В 2012 году команды потеряли часть прижимной силы (из-за запрета на выдувные диффузоры) и система рекуперации может стать частичной заменой прошлогодних «горячих» технологий – надо просто грамотно подобрать место.

Дело в том, что риск поражения током все же немного преувеличен – пилот, даже в мокром комбинезоне имеет более высокое сопротивление, чем материалы окружающего кокпита, а механики на пит-стопах защищены многослойными комбинезонами, перчатками и обувью. Да и случись аварийный пробой во время дождя, ближайший путь тока к мокрому асфальту – это днище и шины.

Так что следующий логический шаг на пути к прогрессу – расположение в нужных местах защищенных диэлектриками вольфрамовых или молибденовых нагревателей.

Можно, конечно, возразить, что объем проходящего вокруг болида воздуха слишком велик, но цель не стоит в прогреве всей этой массы – достаточно нагреть какие-то элементы машины для того, чтобы добиться нужного результата:

Диффузор. Разогрев некоторых внутренних секций на сотню градусов приведет к имитации эффекта двойного диффузора. Грея внешнюю стенку, мы немного усилим эффект от применения выхлопа.

Шины. Расположив на срезе днища перед задними шинами нагреватели, мы сможем эффективней прогревать резину на быстром круге в квалификации.

Режущая кромка антикрыла при нагреве создаст меньше сопротивления воздушному потоку, а прогрев днища приведет к некоторому расширению воздуха, заставляя диффузор работать эффективней.

Мест для приложения тепловой энергии довольно много. Проблема лишь в том, что ее мало и на все нужды ее просто не хватит…

А закончить этот обзор нам хочется словами малоизвестного пилота из России, выступающего за команду «Катерхэм» о моменте активации KERS на руле: «Как только я нажимаю кнопку, то сразу чувствую резкое ускорение. Это невероятно здорово!»

Пожалуй, эти шесть секунд стоят вкладываемых инженерами усилий.