Как изобрели главное оружие доминирования «Ред Булл»? История основной фишки современной «Ф-1»
От редакции: Привет! Вы в блоге «F1 — королева автоспорта!», здесь автор переводит интересные тексты о «Ф-1» и автоспорте. Сегодня вашему вниманию – текст известного технического эксперта, автора официального сайта «Формулы-1», The Race и Motor Sport Magazine Марка Хьюза. Специально для последнего номера журнала он рассказал историю изобретения главной фишки современной «Ф-1» – «граунд-эффекта» – и как им пользовались для доминирования в годы появления и сейчас силами «Ред Булл». Такое заслуживает плюсов!
В 1977 году «Лотус» обошла соперников по «Формуле-1», применив дизайн с граунд-эффектом. Как отмечает Марк Хьюз, существуют четкие параллели между предвидением Колина Чепмена и тем, что происходит в «Ред Булл» сегодня.
Колин Чепмен был очень раздражен. Он опоздал на Гран-при Бельгии 1977 года на день, и во время пятничной квалификации, в отсутствие Чепмена, Марио Андретти проехал круг на 1,54 секунды быстрее всех. Чепмен попенял Андретти за раскрытие уровня преимущества машины. Ведь все сразу попытаются понять в чем секрет «Лотуса» 78.
Его секрет, конечно же, заключался в граунд-эффекте. Об этом можно было догадаться только по необычной форме «Лотуса», но для понимания которого нужно было хорошенько изучить его внутренности. Таким образом секрет не сразу удалось расшифровать. В подходящих обстоятельствах, например, в Зольдере, где Андретти завоевал поул, 78-й оказался в другой лиге по сравнению с соперниками 1977 года.
Только что был сделан следующий большой технологический скачок в эволюции «Формулы-1». Поэтому можно было ожидать, что в 1978 году на решетке будет полно копий. Однако этого не произошло. Тони Саутгейт, участвовавший в программе «Лотуса» 78, создал «Шэдоу» DN9 и «Эрроуз» FA1 с граунд-эффектом (один и тот же дизайн для двух разных команд).
Харви Постлетуэйт подарил нам характерный «Вольф» WR5 с радиатором в передней части кокпита. И это было все. Это были единственные две конструкции с граунд-эффектом, конкурировавшие с «Лотусом» 79, завоевавшим титул в 1978 году. Ни одна другая команда не приблизилась к граунд-эффекту, несмотря на очевидно огромный потенциал и несмотря на то, что наблюдала за выступлениями «Лотуса» до 1977 года.
«Феррари» и «Брэбэм» в любом случае помешала неподходящая форма их оппозитных 12-цилиндровых двигателей, но даже в этом случае Мауро Форгьери из «Скудерии» сказал тогда, что он не убежден, что граунд-эффект вообще реален! Главный дизайнер «Брэбэма» Гордон Марри вспоминал: «Никто точно не знал, что они использовали. Мы все еще пытались это понять».
Другие, в том числе Патрик Хэд из «Уильямса», заявили, что хотели бы получить более полное представление об этом, прежде чем приступать к такому дизайну (который пару лет спустя материализуется как FW07). Лишь в 1979 году, через два года после того, как «Лотус» показал путь, мы увидели стартовую решетку, полную машин с граунд-эффектом.
Секрет «Лотуса»
Нижняя часть радиаторов, скрытых в боковых понтонах 78-го, помогла сформировать эффект Вентури (под желтой заштрихованной областью). Ближайшая к земле точка, пытаясь сжать поток воздуха, увеличивает его скорость. Это, в свою очередь, снижает давление, а задний диффузор постепенно возвращает поток воздуха к атмосферному давлению, усиливая эффект низкого давления впереди и предотвращая высокое сопротивление, которое иначе возникало бы на задней части, где поток высокого давления над кузовом встречается с потоком низкого давления под кузовом. Чем круче наклон диффузора, тем быстрее воздух проникает через узкое место. Уплотнение боковой части с помощью скользящих «юбок» позволило защитить это низкое давление, эффективно притягивая автомобиль к дороге.
Перенесемся в 2022 год – первый год действия новых правил (после 39 лет введения в действие автомобилей с плоским днищем), и «Ред Булл» RB18 выиграл 17 из 22 гонок. Он был явно более эффективным, чем другие машины, но какой же секрет конструкции давал такое преимущество? Это было не сразу очевидно. Ситуация еще больше замутилась тем фактом, что два его ближайших конкурента в лице «Феррари» F1-75 и «Мерседес» W13 заметно отличались друг от друга. Но были и другие, более медленные машины, внешне очень похожие на «Ред Булл».
Тем не менее, можно было с уверенностью ожидать, что в 2023 году, когда команды, полные умных конструкторских и инженерных мозгов, получат возможность наблюдать и учиться у RB18, преимущество «Ред Булл», по крайней мере, сократится. Вместо этого оно увеличилось. До такой степени, что RB19 установил новые рекорды достижений в истории чемпионатов мира. Выиграв Гран-при Италии, Макс Ферстаппен увеличил рекорд по количеству побед подряд для одного гонщика до 10, а для команды – до 15. RB19 оказался буквально непобедимым.
Есть параллели в том, сколько времени потребовалось соперникам, чтобы понять и догнать прорыв «Лотуса» в 1970-е, и преимущество «Ред Булл» в первые два года новой формулы 2022-23 с граунд-эффектом. Но факторы, определяющие эти два сценария, совершенно разные.
В 1977 году «Лотус» вошел в новое измерение, используя какую-то странную новую силу. Конечно, это была всего лишь физика, но для остальных она могла быть и магией. Такие вещи были возможны в эпоху, когда техническая свобода была неограниченной. В эпоху «Ред Булл» все наоборот: очень ограниченная техническая свобода, но огромные финансовые ресурсы.
Так что если Питер Райт и Чепмен смогли продумать свой путь к созданию совершенно нового типа автомобиля, даже переопределив, что такое болид «Формулы-1», то четыре десятилетия спустя техническая команда «Ред Булл» под руководством Эдриана Ньюи работала в рамках правил, определяющих практически каждое измерение. Ключом к преимуществу в таких условиях было найти и распутать маленькую ниточку, ведущую к огромной тайной пещере со скоростью. В то время как во времена Чепмена эти пещеры были широко открыты и только и ждали того, у кого хватит воображения, чтобы войти в них.
Райт вспоминал во время беседы для для статьи в Motor Sport в 1998 году: «Работа действительно началась, когда я работал в «БРМ» в конце 60-х с Тони Раддом. Мы начали строить машину с крыльями, но у нее не было «юбок», и она, вероятно, не очень хорошо работала». Но туннели Вентури в днище были.
Когда Чепмен поручил Райту и Радду вернуться к основам концепции 78-й модели, они обратились к идее, которую рассматривали в «БРМ». Ключевое значение имело то, как изолировать стороны туннелей, чтобы создать мощный перепад давления.
«Мы немного нервничали по поводу того, что нам разрешат запустить, – вспоминает Райт. – И поэтому сначала попробовали сделать это с помощью прорезей. Они действительно не сработали. Но мы нашли прецедент использования «юбок», и они оказались гораздо более эффективными».
Когда движущийся ремень в аэродинамической трубе сорвало с направляющих, они поняли, что на что-то напали. Разрешение «юбкам» скользить вверх и вниз, чтобы всегда было физическое прилегание к дороге, привело к тому, что показатели прижимной силы зашкаливали. «Настоящий прорыв произошел, когда мы прикрепили к юбкам керамические наконечники и заставили их присасываться вниз, а не вверх, постоянно изолируя потоки».
Так родился граунд-эффект. Благодаря боковым понтонам, соединенным с землей нейлоновыми «юбками», эффект Вентури внутри создал большую зону низкого давления под автомобилем, всасывая его на дорогу. Это была самая быстрая машина сезона, но она проиграла титул из-за ненадежности двигателя. Его преемник 1978 года, модель 79, взял на вооружение базовую концепцию, но сместил центр аэродинамического давления еще дальше назад, поэтому ему больше не требовалось большое заднее антикрыло для балансировки сил, создаваемых на передней оси. Преимущество над соперниками, в основном не использующими эффект, стало еще больше, и Андретти и Ронни Петерсон завоевали дубль (хотя и посмертно для Петерсона, который погиб после аварии на старте в Монце).
Автомобили с граунд-эффектом и «юбкой» достигли зенита в 1980 году, прежде чем руководящий орган, встревоженный экспоненциальным ростом скорости на поворотах, принял меры по ограничению, сначала запретив «юбки», а затем и минимальную высоту дорожного просвета, прежде чем, наконец, полностью запретить туннельные автомобили с граунд-эффектом с правилами 1983 года о плоском днище. В результате в последующие десятилетия даже болиды с плоским днищем были фактически с граунд-эффектом, так как днище сливалось с большими диффузорами сзади, чтобы создать область низкого давления под всей плоской поверхностью днища. На смену запрещенным физическим «юбкам» пришли невидимые «юбки» воздушного потока, в которых создавались вихри, вращающиеся по краям днища, чтобы предотвратить утечку воздушного потока, проходящего через днище с боков.
Днище RB19
Загляните под автомобиль, и перед вами откроется пейзаж из туннелей и арок. Вы можете видеть, насколько сложнее и изощреннее геометрия, чем в подкапотном пространстве «Мерседеса».
Конструкция балочного крыла
Двухплоскостное крыло, продолжающее угол наклона диффузора, соединяет воздушный поток с нижней частью заднего крыла. Это эффективно увеличивает длину диффузора (сильнее всасывая автомобиль снизу) и уменьшает давление на нижнюю часть основного крыла, создавая больший перепад давления с потоком высокого давления на верхней поверхности крыла (сильнее толкая автомобиль вниз сверху).
Центральная часть
Профиль центральной плоской части (на которой закреплена регулирующая планка) определяет различную ширину туннелей по обеим сторонам по всей их длине. Это изменение необходимо для того, чтобы полностью задействовать поток, проходящий через туннели. Туннельный диффузор регулируется гораздо дальше назад, чем на оригинальных автомобилях с граунд-эффектом, и его максимальный угол наклона также определяется правилами, ограничивая его потенциал, как и отсутствие физических «юбок». Но поток заряжается энергией благодаря сложным изменениям геометрии туннелей. Туннели «Ред Булл» имеют более высокую верхнюю часть и более дугообразную форму, чем у конкурентов, что обеспечивает большую устойчивость к отскокам и лучшее распределение прижимной силы во всем диапазоне скоростей.
Днище W14
Хотя «Мерседес» вдохновился более ступенчатым профилем центрального днища «Ред Булл» 2022 года (центральная секция «Мерседеса» предыдущего года имела более каплевидный профиль), она все же заметно менее замысловата, чем у «Ред Булл».
Верхняя часть туннелей
До обновления на Гран-при Испании туннели были меньше и менее изогнутыми. Хотя низкая высота непосредственно перед дроссельной заслонкой теоретически должна создавать больше прижимной силы, но на практике ограничение на отскок или галопирование означает, что теоретический предел не может быть достигнут.
Боковые лопасти
Боковые лопасти в передней части днища разделяют поток воздуха, поступающий в воздухозаборники туннеля. Воздух, попадающий во внутренние лопатки, распространяется по всей длине туннеля. Воздух, направляемый внешними лопатками, направляется обратно наружу и вдоль краев. Это помогает усилить вихри вращающегося воздуха у внешнего края днища, и они действуют как виртуальное уплотнение, выполняя ту же работу, что и запрещенные «юбки», изолируя днище и позволяя ему сильнее прижиматься. Воздушный поток, проходящий по длине туннеля, избегает вращающихся вихрей на внешней кромке, сохраняя энергию, устремляясь к диффузору. Другое расположение этих лопастей по сравнению с «Ред Булл» отражает совсем другую форму боковых понтонов.
Болиды с граунд-эффектом вновь появились в «Формуле-1» в 2022 году с целю создания аэродинамической платформы, в которой болиды создавали бы более чистый след, что помогало бы обгонам. Однако такой болид уже создавался в более регулируемую эпоху, когда многие поверхности кузова определены регламентом.
Эдриан Ньюи в первое знакомство с этими правилами был разочарован тем, что они, казалось, не оставляли места для творчества. Но затем он начал искать.
«Если углубиться побольше, – сказал он в 2022 году. – Особенно в области боковых понтонов и днища, то появится разумная степень свободы. Больше, чем кажется на первый взгляд. Шасси почти полностью разработано для вас регламентом, переднее антикрыло довольно ограничено. Передняя и задняя подвески, хотя и имеют некоторые предписания по углам наклона, в плане компоновки все же имеют определенную свободу».
Но именно в комбинации боковых понтонов, днища и подвески команда «Ред Булл», в которую, помимо Ньюи, входят технический директор Пьер Вашье и руководитель отдела аэродинамики Энрико Бальбо, смогла добиться невидимого преимущества.
Внешние формы RB18 и RB19 ничем не отличались от, скажем, «Макларена» или «Альпин». Все они имели боковые понтоны с сильным вырезом в передней части, под которым располагались впускные отверстия для туннелей. Относительно тонкие боковые понтоны плавно опускались к точке, расположенной прямо перед задними колесами. И все же RB18 был быстрее на 1,5 секунды. Когда вы смотрите на «Лотус» 78 и сравниваете его с «Маклареном» M26 1977 года, становится ясно, что они были созданы с учетом совершенно разных приоритетов. Один из них опирался на новую ветвь науки, другой – нет. Даже если эта наука не была понятна со стороны, было логично, что новая концепция, столь радикально отличающаяся внешне, должна быть намного быстрее старой.
Было что-то принципиально иное. Но, не имея ресурсов и людей для глубокого и быстрого исследования, даже такая важная улика, как совершенно иная внешность 78-го, не позволила раскрыть этот секрет сразу.
Но на этот раз есть все ресурсы и персонал, которых только можно пожелать. И при этом никаких внешних признаков, кроме формы автомобиля. Так в чем же источник сокрушительного превосходства «Ред Булл», когда машины выглядят так якобы похоже на многие другие?
Первая настоящая подсказка появилась, когда Серхио Перес разбил болид в квалификации в Монако в 2023 году, и машину подняли в воздух с помощью крана. Именно тогда все впервые по-настоящему увидели днище «Ред Булл», и оно не было похоже ни на чье другое, в то время как остальные выглядели удивительно одинаково: каплевидная плоская центральная секция с двумя очень низко расположенными туннелями по обе стороны.
Сравнение шасси RB18 и RB19
Помимо расположения внутренних компонентов передней подвески, обратите внимание на форму нижней части шасси под ней (красные стрелки). RB19 (внизу) имеет гораздо более V-образную форму, чем у его предшественника. Эта форма проходит по всей длине центральной части днища и создает под днищем больший объем, что повышает прижимную силу. Увеличивая высоту в области между корпусом воздухозаборника радиатора и краем днища, это также обеспечивает более мощное распространение вихря при прохождении воздуха по боковой поверхности, а значит, более быстрый поток вдоль нижней части кузова по направлению к задней части и более надежное уплотнение днища.
Каплевидная форма плоской центральной части днища определяет ширину туннелей по всей их длине: широкие спереди, узкие в середине, снова широкие сзади. Малая высота туннелей теоретически должна максимально увеличить давление и, соответственно, прижимную силу.
Но центральная секция «Ред Булл» вовсе не была каплевидной; вместо этого она отличалась резкими изменениями профиля, чтобы активизировать воздушный поток в туннеле в определенных точках. Верхняя часть была дугообразной, а не квадратной, как у других, и заметно выше. Она стала результатом более глубокого понимания воздушного потока под днищем.
Если бы моделировался только идеальный воздушный поток, то симуляция показала бы, что обычная компоновка с низко расположенными туннелями и простыми контурами создает больше прижимной силы. Но добавьте несколько ограничений реального мира, и картина резко изменится. Команды быстро обнаружили, что не могут использовать всю теоретическую прижимную силу из-за феномена отскока. Когда автомобиль опускался к земле на скорости, поток воздуха в самой нижней точке днища останавливался, что уменьшало прижимную силу, автомобиль поднимался на подвеске, позволяя ей снова работать, и процесс повторялся с очень высокой частотой.
Единственным лекарством было увеличение высоты задней части автомобиля, что приводило к потере значительного процента теоретической прижимной силы. В отличие от этого, высокие дугообразные туннели «Ред Булл» позволяли днищу продолжать всасывать воздух, поскольку горло Вентури (его самая низкая точка) почти касалось земли. В результате прижимная сила распределялась гораздо шире за счет разной высоты подвески (автомобили естественным образом опускаются при увеличении скорости и поднимаются при ее снижении) и углов крена, тангажа и погружения. Пиковая прижимная сила, возможно, и меньше, но именно ее распределение и доставка более важны для времени прохождения круга. У «Ред Булл» было высокое расположение туннелей и низкая высота посадки, в то время как у остальных все было наоборот, и первый вариант оказался намного лучше.
В сочетании с длинноходной задней подвеской и жестким контролем платформы благодаря экстремальной антиопрокидывающей геометрии передней подвески, RB18 стал разрушительным инструментом в руках Ферстаппена.
В проектах 2023 года многие команды, в том числе «Астон Мартин», «Мерседес» и другие черпали вдохновение в ступенчатом центральном днище «Ред Булл», чтобы лучше запитать воздушный поток перед тем, как он попадет в горло Вентури. Но «Ред Булл» продвинулась дальше, создав RB19.
На первый взгляд мало чем отличающийся от предшественника, на самом деле это был полностью перепроектированный автомобиль, сохранивший ту же стабильную прижимную силу, но теперь с более высоким пиком. «Ред Булл» добился этого, подняв всю систему охлаждения вверх, чтобы она не мешала начальному нисходящему движению туннеля (что позволило придать ему более агрессивный профиль), и поставив шасси V-образного сечения, увеличив доступный объем туннеля. Эти изменения привели к повышению центра тяжести, но аэродинамический выигрыш с лихвой перекрыл этот недостаток.
Система охлаждения RB16B
Окончательный вариант автомобиля с плоским днищем. Низко расположенный нижний радиатор (край которого виден здесь спереди, синим цветом) помогает минимизировать высоту центра тяжести.
Система охлаждения RB19
Нижний радиатор (теперь более тонкой компоновки) перемещен вверх, чтобы создать больше пространства для контуров туннелей. Аэродинамические преимущества перекрывают любые потери от увеличения высоты центра тяжести.
Впускной коллектор (за воздушным коробом) и интеркулер вокруг него укорочены и наклонены дальше вниз. Эта перепланировка позволила установить выхлопные трубы ниже, что видно по тому, как выпускной патрубок теперь наклоняется вниз. Это компенсирует влияние на высоту центра тяжести в передней части.
Именно «Макларен», похоже, первым понял, откуда взялись преимущества RB19. Его обновление в Австрии включало переработанную систему охлаждения, которая позволила поднять переднюю часть боковых понтонов, обеспечив более агрессивную форму туннеля. Повышение конкурентоспособности «Макларена», похоже, вызвало озарение в других коллективах, и к Гран-при Сингапура «Альпин», «Альфа Таури» и «Альфа Ромео» представили аналогичные разработки.
Так что, возможно, спустя два года после того, как «Ред Булл» выиграл гонку развития, конкуренты будут готовы к разработке дизайна, в котором наконец-то будут воплощены их секреты. Однако они могут снова всех обойти. То же самое «Лотус» пытался сделать в 1979 году с полноразмерными вентиляционными трубами на модели 80. Это была катастрофа, и ее сняли с производства после нескольких гонок. На этом исторические параллели могут закончиться.
