ФОРМУЛА
Эти слова как нельзя лучше применимы к гоночным автомобилям формулы 1, которые всегда были в авангарде автомобильной техники. На этих самых сложных, самых дорогих и самых быстроходных машинах ежегодно начиная с 1950 года разыгрывается первенство мира по кольцевым автогонкам. Шестнадцать гонок в году, каждая протяженностью около 300 километров, причем эта дистанция складывается из 80 или 100 кругов, которые участники проходят по специально построенной трассе с многочисленными сложными поворотами.
Все участвующие в первенстве мира гоночные автомобили должны по конструкции соответствовать определенным техническим условиям. Например, рабочий объем двигателя должен быть не больше 1500 см3, масса незаправленного автомобиля не менее 540 кг, запас топлива не более 195 литров, размеры заднего антикрыла не более чем 80 X 60 см и так далее на многих страницах. Весь этот перечень четко сформулированных ограничений для высшего (№ 1) класса гоночных автомобилей называется лаконично «формулой 1». Так же именуются и машины, соответствующие этим требованиям.
Первенство мира на автомобилях формулы 1, помимо соперничества в чисто спортивном смысле, является также борьбой технических идей. И поскольку за ними стоят дорогостоящие исследования и эксперименты, они требуют немалых средств, для компенсации которых нужна солидная коммерческая деятельность. Это означает, что существование и перспектива развития низких одноместных машин, способных на прямых участках дороги развивать скорости до 350 километров в час, зависят от того, сколько денег будет вложено в их реализацию. О масштабах средств, вкладываемых в постройку и эксплуатацию таких автомобилей, можно судить по такому факту. Проектирование, постройка, доводка новой гоночной модели формулы 1, участие в 16 гонках первенства мира двумя автомобилями требуют годовых затрат около 15—20 миллионов долларов. По оценкам американской печати, в такую сумму обходятся 15 новейших реактивных истребителей.
По уровню технологии, насыщенности электроникой, точности изготовления и потребности в сложном обслуживающем оборудовании современные гоночные автомобили формулы 1 близки к истребителям.
Возьмем двигатели. Они должны обеспечить автомобилям формулы 1 максимально возможные мощности. Чтобы добиться этого, надо ввести в цилиндры за единицу времени как можно большее количество горючей смеси. Подбор формы впускных каналов и камеры сгорания, фаз газораспределения, применение четырех клапанов на цилиндр — вот способы решения этой задачи. Кроме того, сегодня все двигатели этих машин оснащены установкой турбонаддува. Отработавшие газы приводят во вращение миниатюрную газовую турбину, связанную с центробежным компрессором, который нагнетает в цилиндры горючую смесь под избыточным давлением в 2,5—3,5 бар. Таким образом в цилиндры двигателя буквально «насильно вталкиваются» топливо и окислитель (воздух). В результате в двигатель поступает за единицу времени очень большой поток энергии, содержащейся в топливе, и удается снять мощность от 710 до 900 л. с. при 11—13 тысячах оборотов в минуту.
Одновременно столь форсированный по рабочему процессу двигатель требует интенсивного отвода тепла. Так, через объемистые радиаторы, размещенные вдоль бортов автомобиля, все 15 или 20 литров воды, содержащиеся в системе охлаждения, проходят за 1,5 секунды. И все же тепловой поток через детали двигателя столь велик, что они постоянно работают на пределе своих температурных возможностей.
Электронная система с бортовым компьютером тысячу раз в секунду соотносит тепловую нагрузку двигателя с давлением наддува, давлением и влажностью воздуха, составом горючей смеси, нагрузкой на двигатель и частотой его вращения и вносит поправки в команды, которые гонщик подает двигателю, нажимая на педаль газа. Гонщик в процессе соревнований может регулировать давление наддува. Так двигатели БМВ, которые используются на машинах «Брэбхэм», «Эрроус», «Бенеттон», при давлении наддува 3,9 бар развивает мощность 920 л. с. При этом их ресурс работы составляет около двух часов — время, достаточное для участия в одной гонке чемпионата мира. Можно поднять давление наддува до 4,5 бар. При этом мощность возрастет до 1220 л. с., а ресурс сократится до 15 минут.
Безусловно, столь высокая мощность достигается дорогой ценой — автомобили с такими двигателями расходуют около 70 литров топлива на 100 километров. А один из параграфов формулы 1 ограничивает емкость баков 195 литрами при дистанции около 300 километров. Таким образом, в ходе гонки спортсмен варьирует режимы работы двигателя, находя наивыгоднейшее сочетание давления наддува, а следовательно, мощности и экономности, с ресурсом двигателя. В ходе гонок ЭВМ, установленная в ремонтных боксах в зоне старта — финиша, постоянно, на основе сигналов от датчиков, которые смонтированы на автомобиле, делает нужные подсчеты и оптимальные данные сообщает гонщику.
Масса автомобиля формулы 1 с полной заправкой (195 литров топлива) составляет 800—820 килограммов. При мощности двигателя 800—900 л. с. разгон с места до 100 километров в час занимает около 3,5 секунды, а до 200 километров в час — около 7,2 секунды. Для сравнения: ВАЗ-2105 разгоняется до 100 километров в час за 19 секунд. При резком трогании с места при старте гонщики испытывают значительные перегрузки под воздействием ускорения равного «g» величине земного притяжения. На поворотах же боковые ускорения могут превышать величину «2g». Под его воздействием наблюдаются случаи кратковременной потери гонщиками зрения из-за резкого отлива крови в сосудах глаз.
Чтобы реализовать столь высокую мощность по сцеплению шин с дорогой, гоночные автомобили формулы 1 оснащаются покрышками очень большого размера (шириной 456 мм и диаметром 660 мм) из очень мягкой резиновой смеси. Такие шины обеспечивают наилучшее сцепление с дорогой, лишь когда они нагреты до температуры 95—100 градусов. Долговечность покрышек невелика, и в ходе 300-километровой гонки приходится раз или два их заменять. Хорошо натренированная бригада механиков сменяет все четыре колеса за 7—8 секунд.
Но, спрашивается, как покрышки могут обеспечить на повороте движение автомобиля с боковым ускорением «2g»? Ведь их коэффициент сцепления не может быть более единицы и, следовательно, допускает езду с боковым ускорением не более «g». Секрет заключается в конструкции кузовов. Они оснащены аэродинамическими плоскостями, имеющими профиль перевернутого самолетного крыла. Эти плоскости, называемые также «антикрыльями», создают значительную силу, которая прижимает автомобиль к дороге. Тем самым увеличивается нагрузка на колеса и их сцепление с дорогой. Кроме того, отверстия для отвода воздуха от радиаторов, кромки и поверхности кузова расположены так, чтобы под днищем автомобиля создавалось значительное разрежение. Оно способствует тому, чтобы автомобиль дополнительно как бы «присасывался» к дороге. Здесь уместно отметить, что у наиболее удачных моделей, например, «Вильямс-ФВ11», суммарная аэродинамическая прижимающая сила в 2,4 раза больше, чем сила сопротивления воздуха.
Но для быстрого преодоления поворотов мало иметь высокое сцепление шин с дорогой. Необходимо, чтобы в зависимости от характера трассы было подобрано наивыгоднейшее сочетание жесткости пружин в подвеске колес, сопротивления амортизаторов и стабилизаторов поперечной устойчивости. Настройка подвески на большинстве машин формулы 1 производится механиками в ходе тренировок на основе данных, которые определяет ЭВМ.
У автомобилей «Лотос» работа подвески управляется бортовым компьютером и задается исполнительными гидроцилиндрами непосредственно при движении машины. Программу же составляет инженер-программист гоночной команды на месте соревнований.
Немаловажное значение имеет и снижение массы автомобилей. Их обтекатели и несущие корпуса изготовляются из углепластика, колеса и картеры двигателя и трансмиссии — из электрона, многие детали подвески колес — из титана. На гоночных машинах «Вильямc» материалом полуосей служит сверхпрочный сплав, который вчетверо дороже титана.
Возможно, что сегодня не всt технические и технологические решения, примененные на автомобилях формулы 1, могут быть механически перенесены на серийные модели. Но, будучи авангардными решениями, они служат делу технического прогресса и в перспективе в той или иной форме найдут применение на легковых машинах повседневного пользования.
Инженер Л. ШУГУРОВ
"Наука и жизнь"
