В своем изучении аэродинамики инженеры прошли от темного средневековья, когда все болезни лечились кровопусканием, до чудесных открытий, позволивших получить преимущество буквально из воздуха. Аэродинамика приводила к великим победам и поражениям, изменению физиологии гонщиков и — иногда — к их гибели. Это история о том, как гоночные машины обрели крылья.
Появление механических компрессоров позволило автомобилям Гран-при выйти на уровень 600 лошадиных сил уже в тридцатых годах прошлого века, но аэродинамика по-прежнему оставалась мутной водой, и постижение ее базовых принципов заняло следующие десятилетия. Только спустя сорок лет профессия специалиста по аэродинамике стала одной из самых важных в команде. А ведь, казалось бы, что может быть проще — понять, как воздух обтекает кузов автомобиля? И научиться им управлять.
Как и в случае с самолетом, для автомобильных инженеров, прежде всего, важны показатели подъемной и прижимной силы, и сопротивления воздуха. Хотя в расчет принимается и боковая обтекаемость. От проработанности аэродинамики зависит стабильность автомобиля и его максимальная скорость, экономия топлива и скорость прохождения поворота. Даже дистанция торможения.
Первые попытки использовать воздух в своих интересах продолжались вплоть до Второй мировой войны, но имели хаотичный характер. Весь мир был помешан на рекордах скорости и инженеры, по аналогии с самолетами, полировали обводы кузова, чтобы снизить лобовое сопротивление и разогнаться еще быстрее.
Конструкторы Auto Union и знаменитый рекордсмен Малькольм Кэмпбелл даже пробовали понять, как снизить подъемную силу, на рекордном ракетном Opel RAK 2 конца двадцатых стояли боковые «крылышки», прижимавшие машину к земле, но под аэродинамикой в те годы, прежде всего, подразумевалось низкое сопротивление набегающему воздуху.
В самом автомобиле и без того хватало стремительно развивающихся областей — двигатель, тормоза, подвеска — чтобы тратить силы на что-то малопонятное и малоизученное. А низкие мощности послевоенных моторов только продлили тренд на обтекаемые кузова.
Самой революционной, но немного преждевременной попыткой изменить мир, был Porsche 550 швейцарского инженера Майкла Мэя. В 1956 году Мэй приладил к своему Porsche антикрыло, причем установил его прямо по центру — так оно нагружало машину в центре масс.
Чтобы понять природу этой инновации, нужно вспомнить принцип работы крыла самолета, которое похоже на каплю воды на столе. Снизу крыло имеет плоскую форму, и поток воздуха обтекает его по прямой. Верхняя часть крыла выпуклая и за то же самое время потоку приходится проходить большую дистанцию.
Как результат, воздух ускоряется, что, согласно закону Бернулли, вызывает снижение давления. За счет разницы давления под и над крылом и возникает подъемная сила, которая с ростом скорости превышает вес самолета и поднимает его в небо.
Собственно, форма кузова автомобиля, особенно спортивного, сама по себе похожа на крыло: воздух проходит по прямой под кузовом и вынужден огибать кузов сверху, что способствует появлению подъемной силы.
Ее, конечно, недостаточно, чтобы взлететь, но разгрузить шины на высокой скорости она способна. А это всего лишь четыре маленьких резиновых пятна, за счет которых автомобиль разгоняется, держится на дороге и тормозит.
Но ведь крыло можно перевернуть и направить эту силу вниз, увеличив давление в пятне контакта — а значит, увеличив и сцепление с дорогой?
Идея Мэя могла ускорить ход истории, но выглядела столь странно, что его просто не допустили на старт гонок в Монце и на Нюрбургринге. Под давлением заводской команды Porsche (!) судьи объявили, что крыло будет ограничивать едущим сзади гонщикам обзор.
Вплоть до начала шестидесятых инженеры увлекались вытянутыми обтекаемыми кузовами, но быстрый рост мощности и похожие на крылья аэродинамичные кузова спортпрототипов стали причиной появления столь заметной подъемной силы, что ее уже нельзя было игнорировать.
На участках некоторых трасс — вроде прямой Мульсан в Ле Мане — максимальная скорость за десять лет выросла с 280 километров в час (Maserati Tipo 63) до 359 (Ferrari 512 M), что начало приводить к серьезным проблемам со стабильностью и стоило гонщикам больших нервов.
Маленькие, похожие на пеналы кузова формул, не способствовали появлению подъемной силы, и это объясняет, почему первый значительный скачок в области аэродинамики был сделан именно на машинах с закрытыми колесами.
Крылатая революция
В попытке вернуть стабильность на высоких скоростях, инженеры начали приделывать к переду и заду автомобилей плоскости, которые не использовали принцип крыла, а грубо отклоняли поток вверх и придавливали кузов к земле.
Для таких автомобилей, как Porsche 917LH, это стало решением проблемы. С одной стороны, Porsche с их извечно маленькими моторами, были специалистами по не создающим сопротивления обтекаемым кузовам. С другой, их новая модель 917 с 580-сильным 12-цилиндровым оппозитником обещала стать первым шагом марки в высшую лигу и славилась как неистовой мощью, так и коварной, дерзкой управляемостью.
В качестве контрмеры во время тестов 1969 года механики команды J.W. Automotive просто начали приделывать к корме «девятьсот семнадцатого» алюминиевые листы, резать их ножницами по металлу и смотреть, как машина поведет себя на трассе.
Родившиеся в результате этих экспериментов короткохвостые Porsche 917K, с вздернутым «хвостом», имели большее лобовое сопротивление и были на 24 километра в час медленнее на прямой Мульсан, но меньше выматывали гонщиков и легко уходили вперед в поворотах. Оказалось, проблема дьявольского характера машины была совсем не в подвеске.
В итоге, первая победа Porsche в Ле Мане 1970 года пришлась не на вылизанную заводскую версию с низким лобовым сопротивлением, а короткий и клиновидный 917K.
При этом первая успешная попытка приладить к гоночной машине антикрыло произошла как минимум четырьмя годами ранее: в 1966 году на гонке Can-Am в Бриджхэмптоне штат Нью-Йорк американец Джим Холл выставил крылатый Chaparral 2E, а в следующем году его машина Chaparral 2 F уже стартовала в Ле Мане.
Холл, наконец, открыл инженерам всего мира глаза на новую благодатную область аэродинамики — прижимную силу, которую в авиационном духе пока называли отрицательной подъемной силой.
Можно представить, какое отвращение у окружающих вызывал вид этих очень странных автомобилей, но идея оказалась достаточно эффективной, чтобы ее быстро подхватили конструкторы Формулы-1 и младших формул.
Крылья Lotus 49B 1968 года на высокой скорости давили на автомобиль с силой в 270 килограммов (при стартовой массе машины всего в 505 килограммов), и позволяли быстрее проходить повороты и позже тормозить — чистое преимущество на круге составляло около 0,7 секунды. Правда, площадь антикрыльев сильно увеличивала лобовое сопротивление воздуху, что выглядело бы неприемлемо с позиции конструкторов довоенных Auto Union или современных массовых автомобилей.
Первым сопротивление от антикрыльев помешало бы набору максимально возможной скорости. Вторым – подпортило бы показатели экономичности: крылатая машина затрачивает больше топлива, чтобы продираться через воздух, и преодолевать большее сопротивление качению нагруженных шин. Но если у вас есть очень мощный мотор, а расход топлива не имеет никакого значения, эти проблемы отходят на второй план.
Очень кстати развитие аэродинамики совпало с приходом в Формулу-1 рекламы. Именно одна из ранних крылатых машин, Lotus 49B, стала первой в мире быстрой табачной витриной — на боках Lotus красовались названия сигарет Golden Leaf фирмы John Player & Sons.
Гоночные автомобили теперь редко красились в цвета стран, из которых они происходили, а на крыльях появились дополнительное места для рекламных наклеек. С этого момента бюджеты команд устремились к астрономическим высотам, позволяя инвестировать в исследование аэродинамики все больше и больше денег.
Крылья, юбки и хвосты
Получив первые большие деньги, команда Lotus провела 400 часов в аэродинамической трубе Имперского колледжа Лондона, прежде чем убедилась, что ее догадки действительно верны.
Инженеры быстро поняли, что эффективность антикрыльев и их размер нельзя увеличивать до бесконечности — ведь это ведет к чрезмерному росту сопротивления воздуху, и аэродинамическим качествам холодильника.
Идеальным решением было бы получение дополнительной прижимной силы без увеличения лобовой площади автомобиля, но как этого достичь?
Инженер Lotus Питер Райс во время испытаний в аэродинамической трубе заметил, что при определенной форме днища модель машины буквально припечатало к полу.
Для автоспорта это озарение было сродни яблоку Ньютона.
По сути, боковые понтоны Lotus 78, появившегося в конце семидесятых в результате вдумчивых исследований, стали огромными перевернутыми крыльями, которые создавали отрицательную подъемную силу.
Из-за разницы в давлении между нижней и верхней поверхности скрытого крыла, этот аэродинамический элемент создавал серьезную прижимную силу. Кроме того, дополнительный прижим обеспечивал и хорошо известный в авиации эффект, когда кпд крыла увеличивается с уменьшением расстояния до земли.
В итоге, машину буквально присасывало к трассе, а инженерам не приходилось, как в случае с традиционными антикрыльями, платить за это увеличением сопротивления воздуху и заметным снижением максимальной скорости.
А в конце семидесятых в Формуле-1 началась эра так называемого граунд-эффекта, вызвавшая самый взрывной рост аэродинамической эффективности за всю историю автоспорта.
Где твои крылья, которые нравились мне?
Пройдя путь от непонимания до первых фундаментальных открытый, инженеры теперь не просто шли в ногу со временем, а опережали уровень развития материалов, шин, подвесок и тормозов. Чуть раньше все тот же гениальный Джим Холл, который в шестидесятых ввел моду на антикрылья, предложил еще одно альтернативное «автомобилям-крыльям» решение — «автомобиль-пылесос».
Его Chaparral 2J тоже генерировал область низкого давления под днищем машины, но совсем другим способом — искусственно высасывая из-под машины воздух с помощью двух танковых вентиляторов. Годами позже будущий конструктор McLaren F1 Гордон Марри использовал подобную систему в формульном Brabham BT46B под видом продвинутой системы охлаждения.
Большим преимуществом «автомобилей-пылесосов» была постоянная прижимная сила, тогда как эффективность автомобилей, в которых подобный эффект достигался исключительно аэродинамическими решениями, падала пропорционально скорости — в медленных поворотах прижима уже не было.
Скорость вентиляторов зависела только от оборотов мотора, но поднимаемые ими с дороги камешки вылетали прямо в лицо соперникам. По сути, такая система была подвижным аэродинамическим элементом, которые были запрещены, и судьи быстро объявляли их вне закона.
Коллектив Lotus продолжил развитие идей граунд-эффекта и одержал с ними победу в чемпионате 1978 года. Огромный аэродинамический прижим позволил не просто быстрее проходить повороты и позже тормозить, но и в каких-то случаях не тормозить вовсе!
Изучить и приручать граун-эффект бросились все команды, а команда Tyrell просто купила сборную модель Lotus фирмы Tamiya в масштабе 1/12 и сделала ее полноразмерный вариант. Кстати, японцы производят эту модель до сих пор.
Так, используя уже знакомые сотню лет законы, конструкторы получили значительный прирост скорости без увеличения мощности. Проблема же была в том, что природа не терпит пустоты.
В метеорологии, когда где-то в атмосфере возникает область низкого давления, воздух старается заполнить ее и появляется ветер. Поэтому и область разряжения под днищем нужно было ограничить от притока воздуха с боков, который пытался выровнять давление — для этого конструкторы добавили своим творениям боковые «юбки». В видоизмененном виде они ставятся на многие спортивные машины и сейчас.
Сперва юбки были сделаны из простой плотной щетины, словно щетки дворников, потом – из резины с нестираемой накладкой, а более поздние версии были подпружинены и могли повторять профиль дороги.
Уровень эффективности и перегрузки в поворотах возросли настолько, что некоторые гонщики вынуждены были несколько раз за сезон менять гардероб — шея росла, как у быка.
Эволюция аэродинамики теперь влияла даже на физическую подготовку и анатомию пилотов.
И все же на неровностях внезапная разгерметизация юбки означала резкое падение прижимной силы прямо в повороте, а на прямиках колоссальный аэродинамический прижим мог привести к повреждению подвески и шин. В авариях с Патриком Депайе и Жилем Вильневом это привело к трагическим последствиям.
На фоне примитивных по нынешним меркам шин и подвесок, скорости опасно возросли, и граунд-эффект был объявлен вне закона — чемпионский Williams FW07 стал последней и самой совершенной машиной этой короткой, но яркой эры.
Днище между передней и задней осью теперь по правилам должно было быть плоским, но сзади от автомобилей с граунд-эффектом остался маленький рудимент — вздернутый вверх фрагмент днища под названием диффузор.
Оставшись без автомобилей-крыльев, Формула-1 бросилась экспериментировать с турбомоторами. Мощности быстро перевалили за тысячу лошадиных сил, и конструкторы искали любую возможность увеличить прижим в поворотах. Лобовое сопротивление уже никого не интересовало, так что 80-е стали временем самых больших мощностей и огромных антикрыльев.
Скорости вновь возросли до небезопасных, и возвращение в девяностые к атмосферным моторам вновь заставило конструкторов обратить внимание на баланс прижимной силы и лобового сопротивления, заглянув под автомобиль.
Согласно эффекту Вентури, поток воздуха, протекающий через узкую часть трубы, ускоряется, что вызывает снижение давления, а очень низкое днище гоночного автомобиля и могло быть подобием такой трубы.
Постепенно сужаясь, оно еще сильнее ускоряет поток и начинает генерировать область низкого давления и прижимную силу. Но где здесь знаменитый диффузор ведь расширение «трубы», согласно закону Бернулли, вновь замедлит поток?
Проблема в том, что проходя самое узкое место под днищем, воздух будет создавать донное сопротивление, которое возникает при отрыве потока от края объекта, и закупоривает горлышко этого «сосуда».
Диффузор же расширяется постепенно и приводит воздушный поток в спокойствие (максимально близким к атмосферному давлению), каким он был до попадания под днище. И чем лучше этот элемент спроектирован, тем эффективнее можно прокачать воздух под машиной, заставив работать область низкого давления.
Интересно, что пограничный слой воздуха над поверхностью земли, который под силой вязкого трения обычно замедляется, в данном случае дополнительно усиливал эффект, ведь дорога проносится под машиной в прямо противоположную сторону и тянет воздух за собой.
Знания в области аэродинамики и ее эффективность настолько выросли, что гоночные машины девяностых стали быстрее сумасшедших монстров турбо-эпохи.
Таким образом, пройдя путь от каменного века до понимания базовых основ и первых великих открытий в области аэродинамики, инженеры смогли прийти к решениям, позволившим получить наивысшую прижимную силу при наименьшем лобовом сопротивлении.
Аэродинамические комплексы теперь стоили как небольшие заводы и у самых богатых команд трудились круглые сутки. После эры обтекаемых рекордных машин, крыльев и граунд-эффекта, середина нулевых стала эрой аэродинамического бешенства, когда на использование воздушного потока работал каждый сантиметр кузова.