Белая магия
Прекрасное создание
На первый взгляд все автомобили Ф-1 выглядят одинаково. Технический регламент определяет их облик, начиная от размеров зеркал заднего вида, которые аэродинамики, будь их воля, сделали бы величиной с почтовую марку. Однако главный конструктор команды Гэри Андерсон не спешит сетовать на отсутствие простора для творчества: «Как показывает опыт, из года в год одни делают очень хороший, а другие - очень плохой автомобиль в рамках тех же правил. Так что всегда есть поле деятельности для хорошего конструктора».
Разработка и совершенствование автомобиля Ф-1 - процесс непрерывный. Едва стартует сезон, как начинается работа над конструкцией будущего года. Цикл проектирования длится приблизительно 5 месяцев. Над созданием SF3 трудились 230 человек в штаб-квартире Stewart в Милтон-Кейнс, а еще 250 человек заняты на производстве двигателей на заводе Cosworth Racing в Нортхемптоне. Непосредственно проектированием занимаются 25 конструкторов: 6 работают над аэродинамикой, 4 разрабатывают подвеску, 2 - коробку передач, 4 занимаются композиционными материалами, 2 - прочностью, 1 - гидравликой, 1 - системами двигателя и 5 - общим проектированием.
Вместо традиционного карандаша конструкторы Stewart используют рабочее место, оборудованное компьютерами фирмы Неwlett-Packard; разнообразное программное обеспечение позволяет проводить все виды расчетно-проектировочных работ. Разработчики «вычерчивают» автомобиль в трехмерном пространстве, подгоняя друг к другу все детали конструкции. Процесс проектирования и доводки сопровождается оперативным обменом данными с Исследовательский центром Ford в Дирборне, с трассой, на которой в данный момент находится гоночная или испытательная команда, а также с аэродинамической трубой компании Swift в Сан-Клементе, Калифорния, использовавшейся Stewart в период разработки SF-3. Модели в масштабе 1:2 продувались там в течение 128 дней.
Шасси
Основу шасси составляет монокок, несущая конструкция, весом 45-50 кг, к которой крепятся все остальные узлы машины. По определению, монокок обязан быть твердым как камень и легким как перышко. Но вот что любопытно, если большинство команд давно использует полностью углепластиковый монокок, то в Stewart его центральный слой изготовлен из сотового алюминия - значительно более дешевого, зато менее прочного. Металлические соты с двух сторон вручную обклеиваются несколькими (до 20) слоями углепластика и спекаются в автоклаве. Число слоев и ориентация в них волокон определяются условиями нагружения в каждой точке конструкции. В результате монокок способен выдерживать чудовищные нагрузки при весе всего в 45 кг. Помимо пилота внутри монокока располагается 120-литровый бензобак. Вес топлива составляет 15% от массы всего автомобиля. Неудивительно, что его поведение так меняется по мере опустошения баков. Тем не менее, Гэри Андерсон намерен увеличить в следующем году объем баков Stewart.
Вес - предмет особой заботы конструкторов Ф-1. Поэтому даже краска здесь используется особая - низкой плотности. Ее поставляет компания ICI. После каждой гонки большинство элементов конструкции перекрашивают заново из-за многочисленных повреждений покрытия. Хотя в последние годы предпринимались попытки изменить правила с тем, чтобы устранить дискриминацию высокорослых пилотов (например, ограничить минимальную площадь проема кокпита), 600 кг минимального веса автомобиля, включающие вес гонщика, - реальность, которая дает преимущества более легким водителям.
Вокруг монокока собирается весь автомобиль: сзади к нему крепится двигатель, к двигателю - коробка передач, к ней в свою очередь - рычаги задней подвески. На сверхжесткую переднюю переборку монокока опирается передняя подвеска и носовой обтекатель с выполненным заодно с ним передним антикрылом. Таким образом, двигатель Ф-1 должен быть не только мощным, а коробка передач - не только надежной. Они должны быть еще и жесткими. О жесткости самого кокпита говорить излишне - ведь он должен обеспечить выживание гонщика при самой тяжелой аварии. Недаром официальное его название - капсула безопасности. Особое внимание в последние годы уделялось предотвращению травм головы и шеи. С 1996 года введена боковая защита головы, - гонщик все глубже утопает в машине, нормы крэш-тестов на боковой удар постоянно повышаются, применяется 75-миллиметровый энергопоглощающий «воротник» по кромке кабины.
Обеспечение жесткости всей конструкции - одна из приоритетных задач проектирования. Сотни часов конструкторы тратят на изучение взаимодействия основных элементов автомобиля при разных видах вибрации и нагружения. Как и во всякой цепочке здесь есть слабое звено: у SF-3 это место стыка монокока и двигателя. Ведь Ford Cosworth CR-1 крепится всего четырьмя болтами. Разумеется, это специальные болты, изготовленные из весьма дорогостоящего «экзотического» материала. Но все же их только 4.
Самое жесткое звено - это, конечно, монокок. Проблема конструкторов в настоящий момент состоит в том, чтобы сделать его не таким жестким, каким он получается при существующих технологиях и требованиях по прочности и безопасности, а «помягче», снижая вес и выгадывая объем. Монокок, а также некоторые мелкие детали вроде зеркал и заднего фонаря, - это единственные узлы, которые могут служить весь год. Если повезет, конечно, и удастся избежать серьезных аварий.
Что касается двигателя, то как раз его сделать жестким действительно трудно. Частые поломки Ford в прошлые годы зачастую были связаны как раз с недостаточной жесткостью, когда блок под воздействием нагрузок шасси деформировался настолько, что движущиеся детали не могли нормально функционировать. Большая надежность агрегата этого года вкупе с улучшением характеристик шасси говорит о том, что специалистам Cosworth удалось решить эту проблему.
Длина автомобиля, пожалуй, единственный важный параметр, который не ретируется правилами. Возможно потому, что это саморегулирующаяся величина в Ф-1. С одной стороны, чем длиннее база автомобиля, тем менее маневрен он в поворотах. С другой, - длинная машина более устойчива к продольным колебаниям и более выгодна с аэродинамической точки зрения. После недавнего сужения колеи многие находят, что современные машины Ф-1 выглядят непропорционально длинными, однако, даже поместив гонщика, топливный бак, двигатель и коробку передач наиболее компактным образом, конструкторы получают автомобиль длиной с семейный седан. В гонках Гран При не столь важно сделать автомобиль короче, как ниже - и здесь счет идет буквально на миллиметры.
Двигатель
60% комплектующих для SF-3 изготовляется непосредственно на заводе Stewart. Основной агрегат, который поставляется «сторонней» организацией, - это двигатель Cosworth CR1 V10. На самом деле именно двигатель в наибольшей степени влияет на облик автомобиля Гран При, определяя положение центра тяжести. А площадь радиаторов, необходимых для его охлаждения, определяет размеры и форму воздухозаборников.
Ничто в Ф-1 не окутано большей тайной, чем двигатель. Команды весьма болезненно реагируют даже на простое фотографирование «боевых» агрегатов в момент установки их на автомобиль, а для всевозможных презентаций готовят специальные выставочные образцы. Связано это с тем, что FIA еще не до конца удалось исключить возможность оригинальных решений в этой области. Какие только не ходят слухи о секретах двигателестроителей: о необычной формы поршнях, о прямом впрыске, о бездроссельных системах, о нетрадиционном количестве клапанов на цилиндр и, естественно, о самых экзотических материалах. Но, как утверждают сами конструкторы, прогресс нескольких последних лет достигнут в основном за счет увеличения эффективности сжигания топливной смеси, уменьшения внутренних потерь на трение путем правильного подбора материалов и снижения веса агрегата при сохранении его надежности. Четыре двигателестроителя уже близки к достижению предела в рамках действующего технического регламента; это Ilmor/Mеrcedes-Benz, Ferrari, Mugen-Honda и Cosworth/Ford. Это значит, что теперь им придется искать какие-то качественно новые пути.
Двигатель Ф-1 рассчитан всего на 500 км пробега. После чего он подвергается полной переборке, во время которой в нем меняют все кроме блока цилиндров, головок и, быть может, коленвала. Обходится этот «техосмотр» в 320 000 долларов.
Соотношение мощности и веса современного автомобиля Гран При составляет около 1100 л.с. на тонну. Это, конечно, не ракета, но уже почти вертолет.
Телеметрия
Информация со 120 датчиков записывается «черным ящиком», расположенным под левым боковым обтекателем. На каждом круге автомобиль «сбрасывает» в боксы приблизительно 1 МБ телеметрической информации о работе наиболее важных систем. Во время тестов существует возможность в течение 5 кругов накапливать на борту до 40 МБ телеметрии, которая считывается при визите в гараж. Ее анализом занимаются 6 специалистов Stewart и 6 представителей Cosworth.
Подвеска
Подвеска SF-3 по схеме - два поперечных треугольных рычага неравной длины и толкающая штанга - не отличается от всех остальных машин Ф-1. Рычаги изготовлены из углеволоконного композита. Ресурс рычагов составляет 2500 часов. Амортизаторы подвески можно регулировать с помощью гидравлики, изменяя жесткость подвески, ход колеса, упругость демпфирования. Ход переднего колеса составляет всего 15-25 мм в зависимости от трассы, заднего - 40-60 мм.
Подвеска спроектирована так, что становится жестче по мере увеличения нагрузки. Это сделано для того, чтобы прижимная сила, растущая пропорционально квадрату скорости, не заставила в конце концов автомобиль ползти на брюхе. Передний и задний амортизаторы поперечной устойчивости с каждого борта регулируют крен автомобиля в зависимости от боковых перегрузок в поворотах и также могут настраиваться под определенную трассу. У большинства машин Ф-1 существует также и третий амортизатор, который помогает стабилизатору поперечной устойчивости или даже заменяет его. Что вполне оправдано: ведь на старте стоит автомобиль весом 600 кг, а в конце прямой едет уже совсем «другая» машина, вес которой приближается к 2,5 тоннам. И это при том, что клиренс автомобиля впереди составляет на обычной трассе 15 мм (в Монако - 25), а сзади - 65-70 мм.
Тормоза
Внутри каждой колесной сборки установлены тормоза с углеволоконными дисками и накладками. Их рабочая температура превышает 700 °С. При этом тормоза раскаляются до вишнево-красного свечения. Выглядит это жутковато, но на самом деле таковы нормальные условия их работы. Тем не менее и углепластиковые тормоза нуждаются в охлаждении, для чего с внутренней стороны колес предусмотрены небольшие воздухозаборники.
Толщина дисков не превышает 28 мм. Сделано это, чтобы заставить гонщиков беречь тормоза и осторожнее проходить повороты. На таких трассах, как Имола или Хоккенхайм, к концу гонки диски стираются до 21 мм.
Углепластиковые тормоза - одно из самых дорогих «удовольствий» в автомобиле Гран При. За гоночный уик-энд превращается в пыль два-три комплекта стоимостью 50 000 долларов каждый.
Тормоза не имеют усилителей, так как FIA считает, что подобного рода устройства слишком легко превратить в антиблокировочные системы, строжайше запрещенные в Ф-1. В связи с этим гонщики часто говорят, что главная проблема чиновников FIA состоит в том, что большинство из них никогда не ездили в автомобилях Гран При. Ведь порой чтобы выжать педаль, приходится прилагать усилия до 150 кг. Тем не менее тормоза автомобилей Гран При настолько эффективны, что главная проблема для гонщика состоит не в том, чтобы приложить максимальное усилие к педали, а в том, чтобы тормозить максимально жестко, но избегая блокировки колес. Если же нажать на тормоз «от всей души», то при отрицательном ускорении в 5g подтянутый гонщик мгновенно превращается в висящего на ремнях 300-килограммового монстра, а жидкость из слезных протоков «горючими слезами» вылетает на забрало.
Впрочем, конструкторы утверждают, что эффективность торможения современного автомобиля Гран При определяется не тормозами, а шинами - первыми в истории человечества шинами, рисунок протектора которых предназначен для уменьшения сцепления с трассой.
Шины
Но оставим в стороне набившие уже оскомину споры о правильности решения FIA ввести резину с канавками. У нынешних высокопрофильных шин есть и другая проблема - деформация. Большинство команд Ф-1, и Stewart в их числе, вынуждены даже делать избыточный отрицательный угол развала колес, чтобы сохранить площадь пятна контакта при искажении шин под воздействием боковых сил в поворотах. Кроме того, высокие боковины шин ответственны за половину хода подвески, из-за чего элементам последней приходится не только демпфировать неровности трассы, но и гасить колебания шин. Точности работы подвески и улучшению управляемости это явно не способствует. Уже не говоря о таких мелочах, что старомодный высокопрофильный Bridgestone выглядит не слишком современно даже на фоне скоростных дорожных автомобилей с низкопрофильными шинами. Впрочем, не такая это и мелочь для вида спорта, основу популярности которого составляет зрелищность.
Аэродинамика
Именно аэродинамика определяет характеристики современного автомобиля Гран При. Передние и задние антикрылья обеспечивают 65% прижимной силы. 30% приходится на задний диффузор - устройство, создающее эффект трубки Вентури. Остальные 5% приходятся на всевозможные аэродинамические «навороты» и «прибамбасы», где и находит применение фантазия современных магов аэродинамики. Пару лет назад ныне покойный Харви Постлтуэйт придумал делать рычаги передней подвески в виде небольших треугольных крылышек. Федерация быстро наложила запрет на эту находку, установив, что ширина рычагов не должна превышать их толщину более, чем в 3,5 раза. Однако специалисты полагают, что и сегодня за счет передней подвески, рычаги которой имеют аэродинамически обусловленную форму, удается получить около 2% общей прижимной силы.
Аэродинамика - предмет особой гордости конструкторов Ф-1. Принято считать, что степень аэродинамического совершенства конструкции определяется коэффициентом лобового сопротивления. Однако у обычного дорожного автомобиля он составляет 0,3-0,4. У SF-3 на средней трассе - 0.7, а в Монако и Будапеште - более 1! Виной тому - широченные открытые колеса, воздухозаборники двигателя и радиаторов системы охлаждения и, конечно же, - антикрылья. Однако именно последние позволяют SF-3 проходить повороты с перегрузкой до 4g. Автомобиль Ф-1 предназначен, чтобы проехать быстрее всех 300 км извилистой гоночной дистанции.
В связи с аэродинамикой появляется еще одна задача и у подвески. При увеличении скорости и смещении центра аэродинамического давления (точки приложения суммарной прижимной силы) назад, автомобиль должен приседать на заднюю подвеску, уменьшая угол атаки антикрыльев и тем самым снижая лобовое сопротивление. Учитывая малый дорожный просвет и уровень действующих нагрузок, эта задача требует от конструкторов поистине хирургической точности.
Коробка передач
На SF-3 установлена в достаточной степени консервативная продольная 6-ступенчатая коробка передач в корпусе из магниевого сплава. В памяти конструкторов еще свежи воспоминания о прошлом сезоне, когда внимание зрителей автомобили Stewart привлекали большей частью дымом из-под капота. По некоторым сведениям, именно неудачные эксперименты с углепластиковым картером коробки передач в 1998 году вызвали недовольство Ford технической политикой Джеки Стюарта, что закончилось покупкой команды. Тем не менее Гэри Андерсон уверен, что углепластиковая коробка - это естественный путь будущего развития, от которого никуда не денешься.
Коробка передач и приводной вал могут использоваться только 1000 часов. После чего все это добро, вместе с выработавшими ресурс элементами подвески, переходит в распоряжение тестовой команды.
Кокпит
Сиденье в автомобиле Гран При - это скорее скульптура, чем сиденье в привычном понимании. Оно изготавливается из углепластика по отливкам, сделанным непосредственно с тела гонщика, подобно тому, как наготавливаются индивидуальные ложементы кресел в космических кораблях. Сиденье охватывает тело от плеч до ног и закругляется вокруг ребер, помогая выдержать боковые нагрузки. Привязные ремни с 6 точками крепления затягиваются до предела. Мартин Брандл, например, утверждает, что всегда просил механиков затягивать ремни до тех пор, пока он не почувствует боли, а потом еще дернуть раза два-три для полной гарантии. Но даже после этого уже на первом пит-стопе Мартин чувствовал, что «сбруя» становится слишком свободной.
Компания Lear при активном содействии Stewart разработала сиденье, которое можно извлекать из машины вместе с гонщиком в случае тяжелой травмы. С этого года подобное сиденье стало обязательным для всех команд.
Положение, которое гонщик занимает в кокпите, когда ноги находятся чуть ли не выше головы, новичкам Ф-1 сперва кажется весьма странным. Но к этому быстро привыкают. Из-за высокой боковой защиты и поднятого по современной моде носового обтекателя, глаза гонщика находятся на уровне среза кабины и он практически не видит трассу впереди себя. Однако для пилота Гран При всматриваться вдаль - далеко не самое главное. Гораздо важнее вписаться в поворот. На трассе гонщик обычно старается не пропустить точку торможения, посматривая то вправо, то влево вдоль носа автомобиля. Очень важно правильно установить зеркала заднего вида, чтобы они располагались на линии глаза - передние шины, а не загораживали и без того узкий обзор.
Педалей в кокпите SF-3 две: газ и тормоз. Подавляющее большинство органов управления основными системами сосредоточено на руле.
Рулевое колесо
Рулевое колесо - это нервный центр автомобиля. На нем установлены органы управления практически всеми системами SF-3, а также многофункциональный информационный дисплей. Цель состоит в том, чтобы гонщик как можно реже снимал руки с замшевой «баранки». Управление осуществляется с помощью реечного механизма. Угол поворота колес составляет всего 200. Oт одного крайнего положения до другого рулевое колесо делает приблизительно один с четвертью оборот. В связи с пониженным сцеплением шин (с 4 канавками) на SF-3 обошлись без усилителя руля, хотя некоторые команды продолжают использовать его.
Сзади на руле установлены рычаги сцепления и переключения передач. Рычаг сцепления включает гидросистему с электронным управлением, приводящую в действие многодисковое сцепление. Но используется он только во время старта и пит-стопов. Рычагов два - слева и справа на рулевом колесе - и гонщик может пользоваться любым из них в зависимости от положения, которое занимают его руки. Это важно, например, при вылете с трассы.
Передачи в полуавтоматической 6-ступенчатой коробке с электронным управлением и последовательным переключением (каждое занимает 25-30 мс, не более!) можно повышать или понижать при помощи рычажков справа и слева. Обычно переключение происходит очень мягко. Рывки начинаются, только если электроника перестает работать слаженно. Однако некоторым гонщикам нравятся толчки, это дает им ощущение мощи. При переключении передач значение может играть даже направление ветра. Если, например, ветер переменился во время гонки и стал дуть на длинной прямой в лоб, то команда обязана предупредить об этом гонщика. В противном случае, переходя на 6-ю передачу, он может «ударить» по ограничителю оборотов, что не слишком хорошо для двигателя.
В некоторых командах гонщики используют кнопки программируемого переключения передач, позволяющие автоматизировать понижение передач (например, с 5-й на 2-ю), однако в SF-3 такое устройство не применяется. «Наши гонщики предпочитают использовать все передачи, - говорит Андерсон. - Им нравится балансировать автомобиль, подтормаживая двигателем».
Когда несколько лет назад Ferrari впервые применила встроенную информационную панель на руле, это выглядело настоящим технологическим прорывом. Сейчас дисплей на руле есть у всех. Руль SF-3 выглядит сравнительно просто рядом с чудо-«баранками» других команд. Это тоже связано с принятой в Stewart концепцией - не усложнять излишне и без того непростые вещи. Постоянно на дисплее высвечивается лишь передача и время прохождения круга или отрезка трассы. Данные о температуре воды или масла появляются, только если эти параметры выходят за пределы нормы. Таким образом, от гонщика отсекается лишняя информация, что позволяет ему целиком сосредоточиться на вождении.
Функцию тахометра на руле выполняет горизонтальный светодиод, светящаяся линия на котором удлиняется и меняет цвет по мере увеличения оборотов.
Черный переключатель радиосистемы (приводится в действие большим пальцем левой руки) позволяет гонщику связаться со своим инженером. Обычно пилоты предпочитают «беседовать» в медленных поворотах. Большим пальцем левой руки нажимается также кнопка нейтрали (желтая). Эта кнопка приводит в действие аварийную систему выключения сцепления, используемую при вылете с трассы. Кроме того, по требованию FIA на видном месте вверху монокока расположена помеченная большой красной буквой N другая кнопка нейтрали, которой могут воспользоваться маршалы при эвакуации машины, если она заглохла с включенной передачей.
Кнопка включения системы ограничения скорости на пит-лейн (белого цвета) находится под большим пальцем правой руки. При нажатии этой кнопки поднимается крышка, закрывающая заправочную горловину. Однако если крышка не открылась, рядом предусмотрена еще одна кнопка (оранжевая), которая непосредственно приводит в действие механизм открытия крышки. Кроме того, на руле размещается кнопка включения заднего предупредительного огня на случай плохой видимости.
Электроника SF-3, включая системы управления двигателем, коробкой передач, сцеплением и дифференциалом, подчинена единой системе управления автомобилем, разработанной компанией Visteon.
Другие органы управления в кабине
Слева от пилота в кокпите расположены другие органы управления, с помощью которых можно менять характеристики автомобиля. Среди них выделяется зеленая рукоять регулировки тормозного баланса. Вращая ее, гонщик может изменить соотношение тормозных усилий на передних и задних колесах. Это делается во время гонки по мере расхода топлива, износа шин или изменения погодных условий. Настройки сцепления и дифференциала также можно менять, но только когда автомобиль неподвижен. Обычно это делают в боксах, но гонщик может заняться этим и после вылета или какой-нибудь иной остановки. Единственное исключение - если гонщик испытывает серьезные проблемы с этими системами, грозящие остановкой. Тогда разрешается выбрать аварийную программу, которая позволит если не продолжить гонку, то хотя бы добраться до боксов или съехать на обочину. Еще один переключатель относится к системе пожаротушения. Она может включаться вручную гонщиком и маршалами или автоматически - по командам датчиков. Кроме того, в кокпите есть переключатель угла опережения зажигания, органы управления системами регулировки хода и прогрессивных характеристик дроссельной заслонки акселератора и еще одна очень важная кнопка - подачи питья во время гонки.
Красный ремень под рукоятью тормозного баланса используется для фиксации гонщика в случае возникновения необходимости извлечения его из автомобиля вместе с сиденьем. Ремни безопасности для этого не годятся, так как крепятся непосредственно к кокпиту.
Автомобиль века автомобиля
У каждого конструктора Ф-1 свои секреты, свои способы достижения успеха. Гэри Андерсон - сторонник простоты. Той простоты, которая отличает лишенные аэродинамических излишеств локоничные обводы SF-3. Главный конструктор Stewart не любит пышных фраз или прямых сравнений чудо-автомобилей Гран При со своими дорожными собратьями. Эти конструкции несопоставимы. Например, разгон до 100 км/ч SF-3 осуществляет за 3,2 с — всего на одну десятую быстрее, чем дорожный McLaren F1, который тяжелее и на 20% менее мощен. Казалось бы, не слишком внушительное преимущество. Автомобиль Ф-1 мало эффективен на небольших скоростях. Его шины проскальзывают, аэродинамика не работает. Зато до 300 км/ч SF-3 разгоняется за 15 с. Это, конечно, не ракета, но автомобиль, вполне достойный своего века.
По материалам Ford
Журнал "Формула-1" ноябрь, 1999