Глава 6

Чтобы разогнать гоночный автомобиль и достичь максимальной скорости, вам потребуются три вещи: побольше мощности, поменьше веса и поменьше сопротивления воздуха. И если это прозвучит просто, то именно так оно и есть – если, конечно, не принимать в расчет механику прохождения поворота.

Поворот – это то место, где в дело вступает прижимная сила. Прижимной силой мы называем давление, которое прижимает машину к земле. Попытка сгенерировать эту прижимную силу – главная цель работы над аэродинамикой автомобиля. За счет нее можно добиться большего сцепления без увеличения массы. Другими словами: больше сцепления, но не в ущерб динамике.

Рис. 2. Как работает крыло и как оно создает воздушные потоки на своих концах

В целом перед конструктором гоночного шасси стоят следующие задачи:

1. Добиться равномерного и стабильного сцепления шин с асфальтом и на торможении, и в поворотах, и на разгоне.

2. Максимально снизить массу автомобиля.

3. Уменьшить лобовое сопротивление воздуха.

4. Сгенерировать максимум прижимной силы с учетом характера трассы.

Рис. 3. Создание торцевых пластин автомобиля на огромном крыле

В 1977 году в гонках прижимная сила была еще слабо изучена. В 40-х и 50-х о ней вообще не знали, и только в 60-х аэродинамика начала играть хоть какую-то роль, когда команды стали крепить спойлеры на спортивные автомобили. В Ле-Мане игры с прижимной силой привели к тому, что пилоты жаловались, что даже на прямых машина вела себя нестабильно. И лишь в 1967-м, с появлением на Chaparral огромного заднего антикрыла от Джима Холла, автомобили стали генерировать существенную прижимную силу. Инженеры тогда буквально искали вдохновение в небе – в конструкции самолетов.

Самолет взлетает за счет того, что контуры его крыла разрезают воздушный поток надвое, а образовавшиеся два потока движутся с разными скоростями. Давление на крыло низкое, в то время как под крылом образовывается область высокого давления. Крыло движется туда, где давление ниже – вверх, – и в итоге самолет взлетает. Мы называем это «положительным подъемом».

Крыло на гоночном автомобиле работает так же, но в обратную сторону: «негативный подъем» – или «прижимная сила» – прижимает автомобиль к земле и обеспечивает шинам больше сцепления.

Это довольно простое решение, и в 70-х антикрылья появились у всех. Команды постоянно стремились добиться еще большей прижимной силы, но вплоть до 1977 года особенного прогресса в этой области не было.

Чтобы объяснить, что произошло в 1977-м, мне понадобится немного рассказать об аэродинамике. Разница в давлении на плоскостях крыла создает искажение потока воздуха – циркуляцию. В случае с гоночным автомобилем это означает, что воздух позади машины поднимается вверх, создавая своего рода хвост. Этот эффект можно четко увидеть, когда машины Формулы-1 едут по влажной трассе. Однако бывает, что воздух со стороны более высокого давления огибает крыло, повышая давление с противоположной стороны и, следовательно, снижая эффективность крыла. Такого рода утечки в сочетании с движением машины создают спиральную, похожую на торнадо структуру, известную как концевой вихрь. Эти структуры можно увидеть, когда болиды едут в туманный день или когда самолеты приземляются в похожих погодных условиях.

Самолеты (и птицы) решают эту потерю за счет большого размаха крыла. Примером могут послужить планеры, у которых очень длинные и тонкие крылья. Однако в 1968 году, после ряда аварий в Формуле-1, произошедших по причине длинных антикрыльев, появились новые правила, которые ограничивали их размер. Команды ответили установкой торцевых пластин на концы урезанных крыльев. Это позволило добиться более эффективного отвода утекающего воздуха, однако общая эффективность все равно стала ниже. И с 1968 по 1977 год это была самая современная технология в Формуле-1.

Но природа, как это часто бывает, уже придумала решение проблемы. Если вы обращали внимание – даже довольно тяжелые птицы вроде лебедей способны парить прямо над водой, едва касаясь ее кончиками крыльев. Для этого они пользуются двумя мощными эффектами:

1. Когда крыло касается поверхности воды, пространство для утечки воздуха оказывается перекрыто, область низкого давления над крылом не разрушается, за счет чего крыло становится намного более эффективным.

2. Загрязнение воздуха за крылом (циркуляция) противодействует поверхности воды, создавая под рабочей плоскостью еще большее давление – феномен, известный как «граунд-эффект».

Представьте это вверх ногами и получите генерирующее прижимную силу антикрыло, нижняя кромка которого замыкается в землю, – и вы получите превосходное решение. Именно так поступили в Lotus в 1977 году. Большую часть днища своей машины они превратили в огромное крыло, замыкающееся с асфальтом кончиками «скользящей юбки».

Это была инновация, которую сегодня мы назвали бы «революционной технологией», она изменила правила игры и подтолкнула аэродинамику на передовую дизайна гоночных машин.

Когда все это происходило – в конце 1970-х, – я изучал аэродинамику в университете и надеялся однажды построить карьеру в Формуле-1 – спорте, который так внезапно раскрыл значение аэродинамики.

Стоит помнить, что в то время гоночные команды были очень маленькими – штат составлял 30 человек против восьми сотен, работающих сегодня в Red Bull. Конструкторы были в основном из числа инженеров-механиков, мало кто из них изучал аэронавтику. Но они решили сами разобраться, и аэродинамика развивалась случайным образом.

Это не критика. Отнюдь. Если бы я мог выбирать, в какой эпохе я хочу быть инженером, то выбрал бы эту. Потому что если вы взглянете на стартовую решетку начала 70-х, вы увидите, что все машины совершенно разные. Технический регламент тогда был маленьким, и у команд была огромная свобода, но относительно мало понимания того, как работает машина. И в первую очередь это связано с тем, что у них не было технологий, доступных нам сегодня. Они могли лишь мечтать о возможностях аэродинамических труб или современных симуляторов. А для нас это уже рутина.

Они были первопроходцами. Они пробовали новую геометрию подвески, которая бы не позволяла машине клевать носом на торможениях или задирать его на разгонах. Эта адаптируемая подвеска получилась мягкой и гибкой как шоколад. Кто-то придумывал великие идеи в душе, кто-то подолгу стоял перед чертежной доской, вглядываясь в космос. И все они получили всеобщее признание. Хотя большая часть этих идей почти сразу исчезала. Необычные были времена.

Из всех первопроходцев выделялся Колин Чепмен, основатель и босс Lotus. Он ближе всех к образу моего конструктора-героя.

Чепмен был одним из немногих, кто прежде изучал авиацию, и это ему очень помогло. Но у него была склонность начинать все заново, а не развивать имеющиеся успехи. Так, выиграв чемпионат с мотором Cosworth DFV в 1968-м – это был первый случай, когда машина с этим двигателем выигрывала титул, на следующий год Колин решил вложиться в идею полного привода. Дурацкая идея – автомобили оказались слишком тяжелыми, чтобы ехать быстро.

Рис. 4. Монокок со всеми его компонентами

В результате другой тупиковой ветви развития – проекта машины с газотурбинным двигателем – в 1970 году Lotus выступал в Формуле-1 на той же модели, которая гонялась еще в 1968-м. В середине 1970 года появился Lotus 72 – это была настоящая жемчужина, благодаря ей команда держалась на высоте вплоть до 1972-го. А затем наступила еще новая серия провалов. Только с Lotus 78, автомобилем с граунд-эффектом, они снова стали конкурентоспособными. И хотя эта машина так и не выиграла чемпионат, в следующем, 1978 году Lotus 79 равных не было.

Однако потом Lotus снова пошел не тем путем. Гордон Марри из Brabham придумал заменить рычажную подвеску тянущей, а Джон Барнард в McLaren ответил толкающей подвеской. Обе системы помогали автомобилям перерабатывать огромные нагрузки, создаваемые прижимной силой. Ответ Lotus представлял собой шасси с отдельной аэродинамической оболочкой, которая была соединена непосредственно с колесами и, минуя подвеску, передавала нагрузку прямо на колеса. Это так и не сработало и вскоре было запрещено.

Лично я с удовольствием познакомился бы с Чепменом. Он был удивительным человеком, настоящим новатором. Именно он поддерживал идею о том, что высокая мощность не так важна, как хорошая управляемость. У него был талант применять в Формуле-1 решения из других областей. Так, например, он известен тем, что первым сконструировал монокок. Теперь, вместо постройки шасси из стальных труб, вы могли сделать его из листов алюминия. Для Формулы-1 это была революция, но впервые эта идея была представлена в гонках на Jaguar D-Type в 1954 году. То же самое произошло и с идеей крепить двигатель прямо к шасси.

К сожалению, машина с граунд-эффектом оказалась последним успехом Чепмена. Вскоре после ее создания он связался с Джономом ДеЛореаном, проектировал его DeLorean, машину из фильма «Назад в будущее», а за этим последовали обвинения в сомнительных сделках, судебные разбирательства и смерть от сердечного приступа в 1982-м. Чепмену было всего 54 года.

Марио Андретти, пилот, выступавший на том самом Lotus с граунд-эффектом в год чемпионства, всегда утверждал, что Чепмен инсценировал свою смерть и сбежал от властей в Бразилию. Такое предположение было бы абсурдным, но не в случае с Чепменом.

Рис. 5. Технический чертеж из моего университетского проекта, иллюстрирующий 2D-разделы нижней формы крыла (venturi)

Тем временем в Саутгемптоне я заметил, что, хотя все команды Формулы-1 внедрили граунд-эффект (завершив эпоху сумасшедших идей и начало периода, в который дизайн болидов сойдется в одну общую форму), спорткары от них отставали.

Поэтому для своего дипломного проекта я выбрал исследование «Аэродинамика граунд-эффекта применительно к спортивному автомобилю».

Я приступил к работе. Я сделал крыло из алюминия. Оно должно было находиться снизу машины – дорожной спортивной модели. Я протестировал эту идею самостоятельно, меняя форму в небольшой аэродинамической трубе до тех пор, пока не был доволен результатом. Я сделал модель автомобиля в масштабе 1:4, снизу у него было размещено крыло. Ее я стал продувать в большом тоннеле размером 2 × 1,5 м.

Справедливости ради стоит отметить, что я провел немалую часть своей жизни в аэродинамических трубах. Так что неудивительно, что я считаю их отличным подспорьем при проектировании автомобилей. В аэродинамической трубе вы можете измерить, сколько прижимной силы и сопротивления воздуха вы создаете и как эта нагрузка распределяется, сколько уходит на переднюю ось, сколько – на заднюю. Здесь вы можете измерить все аэродинамические характеристики автомобиля, даже если он еще не построен.

По правде говоря, я потратил на свой проект больше сил, чем стоило, ведь он влиял лишь на 25 процентов финальной оценки. Но мне нравилась эта работа. Мне казалось, что я возвращаюсь к своим корням, будто я снова дома на летних каникулах, только теперь у меня есть аэродинамическая труба, в которой можно проверить свои наброски. Это было как мои лучшие летние каникулы, но одобряемые университетом.

Итоговый вариант определенно генерировал много прижимной силы. Я взял идею Lotus с «юбками», которые создавали под днищем разреженное пространство и препятствовали утечке воздуха. Они совмещались с полноразмерным днищем-крылом. И в то же время я собрал это все в оптимальный кузов, чтобы придать аэродинамике ее окончательный облик. Правда, для дорожной машины все это оказалось жутко непрактично: огромная прижимная сила требовала жесткой подвески, и ездить так в повседневной жизни было бы очень неудобно. Тогда я добавил систему переменной геометрии подвески, связанную со скоростью автомобиля – позже она станет известна как активная подвеска. Это было, насколько я знаю, первым серьезным исследованием граунд-эффекта в контексте спорткара.

Что еще важнее, я не только получил хорошее представление об аэродинамике граунд-эффекта, но теперь мог также показать что-то потенциальным работодателям. И в конце концов, этот проект принес степень. Если бы на первом курсе в Рождество мне сказали, что все закончится так, я бы грубо выругался в ответ.