Основные принципы устройства болидов Формулы 1
1. Аэродинамика
2. Двигатель и топливо
3. Тормоза
4. Кокпит
5. Подвеска
6. Коробка передач
7. Монокок
8. Колеса и шины
9. Карбон
10.Электроника
11.Видеокамеры и макеты
12.Шлемы и костюмы
13.Стоимость обслуживания компонентов болида
14*Дополнительная информация
2. Двигатель и топливо
3. Тормоза
4. Кокпит
5. Подвеска
6. Коробка передач
7. Монокок
8. Колеса и шины
9. Карбон
10.Электроника
11.Видеокамеры и макеты
12.Шлемы и костюмы
13.Стоимость обслуживания компонентов болида
14*Дополнительная информация
Уже на протяжении чуть более 30 лет аэродинамика F1 постоянно претерпевает изменения, и, как вы, наверное, уже поняли, это самая важная характеристика болида. Принцип осуществления функций антикрыльев в F1 легко сопоставим с технологиями в самолетостроении. Но в то время как крылья самолетов способствуют взлету и планированию по воздуху, в F1 антикрылья выполняют прямо противоположную функцию - возникновение прижимной силы.
1. Давление в воздухе.
2. Кинетическая энергия воздуха (энергия движения).
3. Потенциальная энергия воздуха.
И уравнение в таком случае имеет вид:
p + 1/2 r v2 + rgh = a constant
Где: p = давление;
r = плотность;
v = скорость воздуха;
g = ускорение силы тяжести;
h = высота относительно опр. уровня.
Но, так как в процессе гонки F1 уровень ландшафта меняется не слишком сильно, то последнюю величину (потенциальную энергию) можно принять за константу, тогда мы получаем:
p + 1/2 r v2 = some other constant
А это мы можем записать в следующем виде:
p + q = H
Где: p = статичное давление;
q = 1/2 rv2 = изменяющееся давление;
H = some other constant;
Для начала мы посмотрим на аэродинамическую конструкцию "простого" крыла самолета. Крыло рассекает воздух и образует две мнимые части воздушного пространства, точнее, два различных воздушных потока. Один из потоков перемещается по поверхности под крылом, другой - над. Из-за конструкции крыла частицы верхнего воздушного потока движутся "поодаль" от крыла, и прямо противоположная ситуация с нижним потоком. Это и вызывает эффект того, что верхний поток значительно быстрее нижнего. По закону Бернулли под крылом оказывается большее давление, чем над крылом, что и способствует появлению так называемой подъемной силы (lift).
Обратная ситуация с антикрыльями. Антикрылья функционируют абсолютно по тому же принципу, но обеспечивают эффект "прилипания" к трассе, происходит это за счет формы. То есть зная об обычном крыле, мы легко можем представить себе, что есть антикрыло. Достаточно просто повернуть обычное крыло передней частью вниз.
Это как раз те две силы, которым посвящена практически вся аэродинамическая конструкция болида F1. Конструкции антикрыльев и самого болида должны быть совершенно оптимальны, то есть обеспечение прижимной силы должно быть реализовано так, чтобы это не вызывало силы сопротивления, мешающей скоростному движению, да и сам болид обязан быть наиболее приспособлен к преодолению этой самой силы.
Для вычисления силы сопротивления используется следующая формула:
F = 1/2 CDAV2
Где: F = аэродинамическая сила сопротивления;
C = коэффициент силы сопротивления;
V = скорость данного объекта;
A = лобовая площадь;
D = плотность воздуха.
В этом уравнении D как плотность воздуха выражается в kg/m3. Лобовая площадь - это площадь рассматриваемого объекта, подверженного давлению воздуха, выражаемая в m3
Приведенная ниже таблица показывает значение коэффициента C в зависимости от поверхности объекта:
сфера - 0.47
полусфера - 0.42
конус - 0.50
куб - 1.05
повернутый куб (ромб) - 0.80
длинный цилиндр - 0.82
короткий цилиндр - 1.15
объект каплевидной формы - 0.04
половина объекта каплевидной формы - 0.09 (форма антикрыла)
В F1 можно вычислить общий коэффициент улучшения (или ухудшения) аэродинамической конструкции, пользуясь данной формулой:
Seff = Sf/(Sf(1-f)+f)
Как известно, изменение характеристики аэродинамики болида зависит от замены или модернизации конкретных деталей. В формуле, записанной выше, f - процент действия силы сопротивления, приходящийся на рассматриваемую деталь от общей силы, действующей на весь болид; и данный процент при модернизации будет изменен (так например если процент составляет 5%, то f = 0.05). Sf - это так называемый коэффициент изменения, представляющий собой отношение силы сопротивления на деталь, которая была до модернизации, к той, которая стала после. И, наконец, само значение Seff - это общий коэффициент изменения действия силы сопротивления на болид. Если величина этого коэффициента принимает значение больше единицы, то сила сопротивления, распространяемая на весь болид, уменьшилась, и наоборот, если меньше единицы, то увеличилась.
Передние антикрылья на болиде обеспечивают около 25% всей прижимной силы, но эта цифра может быть снижена до 10% в то время, когда болид находится за другим примерно на расстоянии 20мм. Появляется эффект "засасывания" сзади идущей машины в переднюю, известный как слипстрим. И когда болиды оказываются на повороте, сзади идущий не может повернуть на развитой скорости из-за потери прижимной силы, таким образом, пилоту приходится сбрасывать скорость, что бы безопасно пройти поворот.
Переднее антикрыло, ширина которого соответствует ширине самого болида, прикрепляется к носовому обтекателю при помощи пилонов. На этой аэродинамической поверхности крепятся две "створки" (или элероны), каждая из которых является регулируемой частью антикрыла. Как правило, эти закрылки делаются из цельного куска карбона. На окончаниях антикрыла (слева и справа) крепятся специальные боковые пластины (или боковины), для обеспечения прохождения потока воздуха сверху и снизу относительно поверхности антикрыла, не огибая его. И эти пластины сыграли огромную роль в аэродинамике F1.
Конструкция элерона такова, что он является ассиметричным самому себе относительно центральной разделяющий вообразимой линии (если смотреть на болид спереди): чем ближе к носовому обтекателю элерон, тем меньше его "высота" (т.е. ближе к носу элерон сужается)
Такая особенность элерона позволяет проникать в радиатор большему количеству воздуха, а также пропускать воздушный поток по "днищу" болида, который затем попадает в диффузор, обеспечивая прижимную силу. В случае, если элероны не имеют такого сужения, охлаждение радиатором значительно уменьшается и температура мотора сильно возрастает. Также важно, что чем ниже будет расположено переднее антикрыло, тем лучше это влияет на проникновение воздушного потока в радиатор и диффузор, однако, всем известно, что имеется критическое положение, при котором антикрыло уже начнет задевать трассу. Правилами FIA установлено, что минимальное расстояние между трассой и передним антикрылом должно быть 40мм.
В 1998 году появились нововведения в области аэродинамики F1, что принесло множество дополнительных проблем командам. Из-за того, что колеса стали располагаться ближе к монококу, при виде спереди, переднее антикрыло визуально "ложилось внахлест" колес. Это приводило к турбулентности в зоне передних колес, резко понижая общую положительную характеристику аэродинамики болида. Для решения этой новой проблемы (а именно, появления нежелательного сопротивления (drag)) команды переделали боковые крылья на антикрыле путем образования новых ребер (боковин), таким образом они направили поток воздуха непосредственно на монокок, огибая колесо. Позже, в следующем сезоне, многие команды воплотили новую идею, поместив дополнительные ребра на внешнюю сторону боковых крыльев, в данном случае воздух огибал колеса по внешней стороне. Такое решение является неоднозначным, и крылья различных команд имеют достаточно заметные аэродинамические отличия .
Прямой поток воздуха попадает в заднее антикрыло, состоящее из множества закрылок, вызывая определенные реакции со стороны антикрыла. (Это упрощенное объяснение, т.к. на самом деле, к тому моменту, когда поток воздуха достигает заднее антикрыло, он вовсе не прямой, потому что сам болид создает некоторый эффект турбулентности потока воздуха).
Примерно треть всей прижимной силы обеспечивает заднее антикрыло болида, которое постоянно видоизменяется в F1 от трассы к трассе. Это приспособление может создавать более 1000Н (Ньютонов) прижимной силы и весит около 7 кг. Ввиду того, что заднее антикрыло вызывает наибольшее сопротивление в болиде, команды видоизменяют строения антикрыльев для каждой трассы. Рассмотрим разные конфигурации задних антикрыльев на двух примерах.
Монца в Италии. Скоростная трасса с длинными прямыми участками и несколькими поворотами. Здесь, на протяжении 70% всей длины трассы, пилоты едут "вдавив педаль газа в пол". Чем больше угол наклона пластин заднего антикрыла, создающих прижимную силу, тем соответственно больше сила сопротивления, мешающая скоростному движению болида. В Монце очень важна скорость, поэтому команды делают очень маленький угол наклона на заднем антикрыле, чтобы преодолеть проблему силы сопротивления. В Монако, где трасса в основном, насыщена поворотами, важным становится уже не скорость, а прижимная сила.
Заднее антикрыло сделано из двух наборов определенных аэродинамических поверхностей, соединенных между собой и держащихся на торцевидных пластинах заднего антикрыла. Верхний набор таких пластин (закрылок) обеспечивает наибольшую прижимную силу и является, как правило, наиболее видоизменяющимся от трассы к трассе. В большинстве случаев этот верхний набор состоит из 3-х элементов. Нижний же набор обычно состоит из двух элементов. По тому же принципу, как образуется прижимная сила (закон Бернулли) , зона низкого давления, прямо под антикрылом, помогает диффузору засасывать воздух, который так же в свою очередь обеспечивает прижимную силу.
Самая маленькая аэродинамическая "антикрыловая" деталь (из основных), которую можно обнаружить на болиде, - это диффузор. На самом деле принцип действия диффузора прямо противоположен принципу действия антикрыла: вместо того, чтобы отталкивать воздух, диффузор засасывает его. Эффект этот получается из-за аэродинамической формы. Диффузор находится в самой нижней, "хвостовой" части формулы, прямо под задним антикрылом, и объем диффузора увеличивается по мере приближения его к "концу" болида. Воздух, попадающий в диффузор из-под дна болида разрежается, за счет попадания его в увеличенный объем диффузора, отсюда и эффект засасывания (всем хорошо известен закон, что газ стремится выравнить давление в системе). Диффузор состоит из большого количества всевозможных "тоннельчиков" и "разделителей", которые аккуратно и очень точно контролируют потоки воздуха для лучшего засасывания. Так как диффузор находится в зоне выхлопных газов и заднего рычага подвески, то это накладывает жесткие требования на его конструкцию, в противном случае (при некорректном создании и регулировках диффузора) при изменении скорости выхлопные газы будут влиять на аэродинамический баланс болида.
P.S. Появление диффузоров обусловлено запретом FIA поднимать "хвостовую" часть болида. В этом случае невозможно обеспечить нужный аэродинамический эффект без диффузоров.
1.5. Боковые дефлекторы
Это приспособление было впервые применено в 1993 году. Без них набегающий поток воздуха будет идти прямо, и, соответственно, давить на заднюю стенку воздухозаборника, создавая лобовое сопротивление. Дефлектор же (если рассмотреть для примера левый относительно гонщика воздухозаборник) закручивает поток против часовой стрелки (глядя спереди), причем, когда поток входит внутрь воздухозаборника, то он уже направлен внутрь болида, т.е. на охлаждаемую поверхность. Таким образом, с помощью боковых дефлекторов достигается две цели : снижение лобового сопротивления и более эффективное охлаждение. Устанавливаются они, как правило, между передними колесами и боковыми понтами болида.
В сравнении с предыдущим поколением боковых панелей, новый дизайн является гораздо более сложными и тонким. В то время боковые панели представляли собой тонкие ровные поверхности в форме прямоугольника, но сейчас, после эволюции, они представляют собой гораздо более сложные разновидности. Теперь они приобрели некоторый объем и особые очертания, чтобы направлять воздушный поток в различных направлениях.
Williams и Jordan не имеют боковых панелей там, где располагают их на большинстве болидов. Обе команды устанавливают их между передними колесами и монококом (как раз между рычагами подвески).
Мотор F1 - наиболее сложный элемент всего болида, обладающий огромной мощностью и состоящий примерно из 1000 деталей, что и делает его настолько дорогостоящей единицей. Невообразимое количество оборотов (примерно 17,000 – 19,500 rpm) и колоссальные температуры вызывают проблему надежности мотора.
Ниже представлены основные ограничения на двигатели, установленные FIA:
1. Объем двигателя не должен превышать 3000 см3
2. Двигатель не может иметь более 5 клапанов в одном цилиндре
3. Агрегатный наддув запрещен
4. Максимальное число цилиндров – 10
5. Нормальное сечение каждого цилиндра обязано быть круглым
6. Разрешены только 4-х тактные двигатели с поршнем возвратно-поступательного хода
7. Выхлопные системы, поддающиеся изменению длины, запрещены
8. Коленчатый вал должен быть сделан из стали или чугуна
9. Запрещено делать поршни, головки цилиндров и сам блок цилиндров из карбона или арамида.
На данный момент (2000г.) все моторы имеют 10-цилиндровую систему, которая обеспечивает от 750 до 850 hp (лошадиных сил). Цилиндры сделаны из алюминиевого сплава. Для решения проблемы внутренней инерции некоторых компонентов их изготовили из керамики. Эти материалы настолько прочны, насколько требует этого конструкция мотора, и в то же время имеют маленький вес; это означает, что для их разгона требуется меньше силы, что в свое время идеально способствует низкой затрате горючего и высокой эффективности двигателя. Так же были попытки использовать другой материал - бериллий, но его надежность оказалась небольшой, и такой мотор не дал никаких улучшенных результатов. Во многих моторах F1 угол между блоками
(banks) составляет 70-80 градусов, однако команда Ferrari решила вернуться к старой
системе, где угол составляет 90 градусов, с целью уменьшения высоты мотора.
В 1998 году мотор Mercedes-Benz был возможно самым революционным двигателем. Но уже в 1999 Ford создали новый двигатель, который был легче на 25-30 кг, чем любой другой двигатель F1.
Единственная проблема, которая была у этого двигателя, - ненадежность. Благодаря этому
колоссальному сбросу веса, команда Stewart получила возможность добавить вес либо в зоне передних колес, либо в зоне задних, что способствовало более легкому прохождению поворотов и ускорению.
Стоит отметить, что крупнейшие мировые производители двигателей, рассматривают деятельность в Формуле 1, как испытательный полигон для своего автомобильного бизнеса в целом. Обычно инженеры, работающие на Формулу 1, передают собранные данные о поведении материалов в жесточайших условиях Формулы 1 своим коллегам из отделения дорожных автомобилей. Главенствующим соображением при выборе материалов для Формулы 1 является соотношение "вес-жесткость-прочность". Поиск критического равновесия между минимальным весом, максимальной жесткостью и высокой прочностью - это фундамент оптимального дизайна двигателя. Каждый тип материала тщательно отбирается в соответствии с требованиями, предъявляемыми к соответствующей детали.
Будущее и дорожных автомобилей, и болидов Формулы 1 зависит от внедрения новых и исследования уже знакомых материалов. Производители имеют целые группы инженеров, занимающихся исследованием новых материалов в рамках проектов Формулы 1. И реальные инвестиции в это направление подчеркивают важность исследований области применения новых материалов.
Основными материалами, используемыми в двигателях Формулы 1, являются алюминиевые магниевые, титановые и стальные сплавы, хотя в отдельных случаях могут применяться и другие, например, керамика и углеволокно.
Магний легче алюминия, но его жесткость ниже, так что он используется в таких частях как оболочки кулачков. Шатуны сделаны из титана, а некоторые части производят из valvetrain. Хотя эти материалы тяжелее алюминия, но гораздо жестче. Из стали (в состав которой входят различные количества никеля и хрома) делают коленчатый вал, поскольку на этот узел воздействует огромная энергия, а значит, требуется высокий уровень прочности. Углеволокно (карбоновое волокно), широко применяемое при изготовлении шасси, в производстве двигателя почти не участвует. Но его все же можно увидеть, например, в качестве оболочки пружин.
Низкий вес и изоляционные свойства керамики представляют широкий интерес для применения, однако недостаточная прочность пока ограничивают ее использование в двигателях Формулы 1. Некоторые производители применяют ее как покрытие впускных клапанов, чтобы предотвратить теплопередачу от выхлопных газов к головкам цилиндра. В некоторых командах из керамики сделаны выхлопные трубы. Сама система выхлопа сделана из инконеля, специального сплава никеля, цинка и хрома, который применяется в авиационных двигателях. Это очень тонкий и легкий металл, но выдерживающий высокие температуры, порядка 800-900 градусов. Он с легкостью выдерживает режимы быстрого нагрева и охлаждения, свойственные работе системы выхлопа болида Формулы 1.
Современные технологии позволили инженерам-мотористам добиться увеличения ресурса работы гоночного двигателя Формулы 1, при этом минимально пожертвовав в потере мощности. Современные двигатели (2006 г) могут развивать более 20 000 оборотов в минуту с мощностью до 850 лошадиных сил.
MERCEDES ILMOR FO110G (болид MP4/14)
Объем 2998 см3
Конфигурация 72 градуса V10
Количество цилиндров 10
Максимальное кол-во оборотов 17000
Внутренняя поверхность цилиндра и такт 91.00 x 46.09
Расположение и кол-во клапанов 2 распредвала на блок цилиндров и 4 на цилиндр
Блок алюминиевый сплав
Коленчатый вал стальной
Длина 590 мм
Ширина 546 мм
Высота 476 мм
Вес 107 кг
Зажигание TAG Electronic Systems
Кол-во эволюций за год 4
Как всем известно, топливо попадает в двигатель из бензобака. В F1 бензобак (fuel tank или 'cell') сделан из двух слоев резины, нитрат-бутадиена, и наружного кевларового покрытия, для предотвращения протечки. Бензобак F1 - как сумка, которая может деформироваться без каких-либо повреждений под давлением, однако прикрепляется к монококу так, чтобы не мог двигаться в момент перегрузок. Внутри бензобака находятся несколько секций, чтобы топливо не плескалось, также имеется до трех насосов, поглощающих горючее до последней капли. С постоянной интенсивностью топливо подается в насосы двигателя. Вокруг бака существует определенная конструкция, которая не даст повредить бак в случае аварии.
Болиды Формулы 1 используют деформируемые топливные баки, сделанные из высокопрочного кевлара, что сводит к минимуму риск возгорания при аварии. Бак изменяет свою форму в местах, где на него оказывается давление. Все топливопроводы, используемые в машине имеют механизм отсекания бензина при любой поломке оных. В самые опасные места машины устанавливаются огнетушители, которые автоматически включаются при аварии.
Размер бака так же важен при расчете конструкции шасси. В расчет берутся: потребление топлива, предполагаемая предельная длина, аэродинамика, и так далее. Так как бак находится под водительским сиденьем и чуть позади него, он определяет расстояние межу водителем и двигателем. Чем дальше боковые воздухозаборники и водитель будут отодвинуты назад, тем более чистый воздух будет поступать на воздухозаборники. Из этого следует, что для аэродинамических нужд, бак должен быть как можно меньше. Что наглядно показывает насколько важно уменьшить расход топлива, чтобы сократить время пит-стопов. Объем бака FIA не оговаривается, и все команды используют различный, так например команда Jordan использует 135 литровый бак.
В современной Формуле 1 расход топлива может достигать 180 - 200 литров на 300 км гоночной дистанции. Гонщики могут слегка регулировать эти числа с их руля и так же ехать более экономно, когда скорость не так важна, например, за машиной безопасности.
Гоночное топливо Формулы 1 отличается от топлива рядовых потребителей лишь пропорциями содержащихся в нем компонентов. Из-за этих ограничений, допустимые углеводороды можно поделить на две основные категории:
• Насыщенные: В этом случае молекулы содержат достаточно атомов водорода для насыщения атомов углерода.
o Парафин: (неразветвленная цепь с простыми соединениями) большой молекулярный вес алкановых углеродов с общей формулой CnH2n+2, где n колеблется между 22 и 27. Название происходит от латинского "parum" - мало и "athnis" - сходный; назван он так из-за нейтральности к большинству химических реагентов. Обычно белое, без запаха, без вкуса, вязкое вещество, с температурой плавления между 47°C и 65°C. Нерастворим в воде, зато неплохо растворяется в бензоле. Парафин не подвержен воздействию большинства реактивов, но легко окисляется.
o Нафтеновые кислоты: (большей частью одноосновные) алициклического ряда, содержащие один или несколько пятичленных (реже шестичленных) углеродных циклов. Имеют отличные низкотемпературные свойства, используются в основном для смазочных веществ.
• Ненасыщенные: В этом случае, молекулы не содержат достаточно водородных атомов для насыщения атомов углерода.Знать все о потреблении горючего болидом в процессе гонки очень важно для команд, хотя бы для того, что бы рассчитывать дозаправки. При максимальной скорости, для преодоления расстояния в 100 км, болиду потребуется 100 литров топлива. Во время же гонок, однако, на 1 км приходится примерно 0.6 - 0.67 литров топлива.
В качестве топлива двигателей в машинах Формулы 1 используется бензин. Большинство команд получает топливо бесплатно от своих технических партнеров, обычно от мировых поставщиков нефти и нефтепродуктов. Топливо (в данном случае бензин) это жидкость, которая при смешении с кислородом подается в цилиндры, после чего, воспламеняясь, взрывается и толкает поршень вниз. Чем лучше топливо, подаваемое в цилиндры и чем больше взрывоопасных частиц на кубический сантиметр (cc) в нем, тем большую мощность можно получить на одном количестве топлива, либо использовать меньше топлива при одной и той же мощности.
o Ароматические углеводороды: замкнутая цепь с двойными и переменными органическими соединениями, состоящими из углерода и водорода и содержащие бензольные ядра. Простейшие и наиболее важные представители - бензол (I) и его гомологи: метилбензол, или толуол (II), диметилбензол, или ксилол, и т.д.