Крылья, юбки и хвосты

После того, как инженеры из мира автоспорта открыли для себя прижимную силу, конструкторы были готовы к следующему шагу — появлению автомобилей-крыльев и автомобилей-пылесосов. «Мотор» продолжает историю о великих открытиях в области аэродинамики — впереди были самые драматичные технические инновации, приводившие к победам и трагедиям.

В прошлый раз мы остановились на табачных деньгах, которые хлынули в Формулу-1 и позволили командам перебраться из замасленных гаражей в дорогостоящие лаборатории. 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.

И это иногда выглядело не лучше, чем самый первый гоночный Chaparral с антикрылом. В те годы пресса называла его уродцем, но на деле миру просто повезло — он ненадолго заглянул в лицо будущему.