Граунд-эффект в 2021: Почему он не сможет вернуться

12.11.2019 14:39

 

Нынешнюю Формулу 1 часто критикуют из-за недостаточного уровня борьбы на трассе - отчасти из-за слишком большой разницы в уровне машин трёх лидирующих топ-команд и остальной "полуторной" части пелетона, отчасти из-за "паровозных" гонок, которые являются следствием влияния текущего регламента - аэродинамическая эффективность современных машин слишком сильно зависит от "чистого" воздуха, а как известно, во время преследования или борьбы таковым обладает лишь обороняющийся болид, в то время как преследующий в полной мере ощущает все "прелести" влияния турбуленции - прижимная сила снижается в разы, эффективность работы резины так же снижается, силовая установка начинает перегреваться. Всё это в совокупности ведёт к тому, что даже лучшие пилоты современной Формулы, обладая сопоставимым, или даже чуть более быстрым автомобилем, даже в теории имеют слабые шансы на реальную атаку, и всё сводится к "паровозному" преследованию, исход которого зачастую решают ошибки лидера, избранная стратегия или разные форс-мажоры в лице Майландера, погодных условий или судейского вмешательства.

Само собой, подобная ситуация никому не нравится, и вот в 2021 году Liberty Media совместно с FIA решили исправить этот очевидный недостаток современных Королевских гонок, вернув "граунд-эффект". ЕЕЕЕЕ!!!

 

Но хочу охладить ваш пыл, c самого начала определившись с терминологией - в полноценном виде тот самый "граунд-эффект", каким его изобрёл Колин Чепмен в конце 70х годов прошлого века, не вернётся. Более того, он не может вернуться ещё и потому, что... Граунд-эффект собственно никуда и не исчезал)

Но обо всём по-порядку. Давайте для начала разбёремся, что же такое этот "граунд-эффект", и почему же широко обсуждаемый возврат к нему на самом деле оным не является.

 

Изначально прижимную силу на гоночных болидах формировали только антикрылья, однако здесь имелся один весьма неприятный эффект, который актуален и по сей день. Дело в том, что увеличить скорость в поворотах можно только путём увеличения сцепления с трассой. Но поскольку данное сцепление ограничено возможностями механической прижимной силы (куда входит работа подвески и возможности шин), то дополнительно увеличить скорость в поворотах можно лишь за счёт дополнительной прижимной  силы, которую могут генерировать антикрылья.

Однако, увеличивая прижимную силу от крыльев, вы неизбежно сталкиваетесь с возрастанием лобового сопротивления воздуху. Иначе говоря, чем сильнее антикрылья прижимают машину к трассе, тем медленнее она будет на скорости, причём данный эффект имеет геометрическую прогрессию, то есть с  увеличением скорости, сопротивление воздуху нарастает быстрее, чем повышается прижимная сила.

В связи с этим, конструкторы болидов задались целью найти другое решение в данной области, пытаясь найти вопрос на главный ответ - как увеличить прижимную силу, не повышая при этом сопротивление воздуха?

Самые первые разработки в этой области начал... Нет, не Чепмен. Более чем за полтора десятилетия до него над данной проблемой начал работать американец Джим Холл, который изначально вообще не был конструктором, а гонялся самолично в качестве пилота. Уроженец Техасса, с причёской как у Элвиса, стал автором многих оригинальных конструкторских решений, таких как алюминиевые блоки цилиндров, большой вентилятор сзади для увеличения прижимной силы, углепластиковые шасси, а также именно он стал прародителем того самого "граунд-эффекта" - именно Джим впервые в 1961 году применил на своей машине оригинальный профиль днища для повышения прижимной силы болида.

 

Chaparral 2J Холла. Обратите внимание на «юбку» из поликарбоната, изолирующую воздушное пространство под машиной

 

Однако, соперники стали жаловаться на "обстрел" идущих позади машины Холла других болидов камнями из вентилятора, который "вытягивал" воздух из-под днища, что привело к запрету данного изобретения, которое ко всему прочему ещё и нарушало регламент FIA, который запрещал подвижные аэродинамические устройства, к коим разумеется относился и вентилятор. Без вентилятора разработка Холла обладала столь невысокой эффективностью, что от неё было решено отказаться.

Всерьёз же о "граунд-эффекте" заговорили лишь в 1977 году после изобретения Колина Чепмена, который продолжил разработки Холла, и не только значительно повысил эффективность самой задумки, но и вывел её на новый, ранее недосягаемый уровень.

В основу разработки Чепмена лёг принцип ускорения за счёт разности давлений - так называемый эффект Вентури, открытый итальянским физиком Джованни Баттиста Вентури в конце XVIII - начале XIX века. В частности, в соответствии с ним работает т.н. трубка Вентури, принцип которой и использовал в свой работе Чепмен.

 

 

В соответствии с ним, в узкой части трубки скорость течения жидкости повышается, а на выходе из узкой части наблюдается меньшее давление, чем на участке трубы большего диаметра в начале. Большая часть этого перепада давлений обусловлена изменением скорости течения жидкости, и может быть вычислена по уравнению Бернулли. Устройства, использующее этот эффект, и назвали трубками Вентури.

Чепмен взял главный принцип работы системы за основу, создав внутри корпуса половинчатые трубки Вентури. Нижней частью чепменовской трубки становился асфальт, верхней - днище машины, а боковыми частями становились те самые «юбки», которые использовал ранее Холл.

 

В чем главный принцип работы инновации Чепмена? Если сделать среднюю часть днища достаточно узкой в вертикальной плоскости, а позади - широкой, а так же придумать способ "запечатать" пространства по бокам, то мы получали бы эффект ускорения воздушного потока в задне части машины, и у шасси в целом появляется эффект как бы присасывания – его и назвали "граунд-эффектом". Зона пониженного давления внизу машины заставляла воздух сверху машины (с более высоким давлением) действовать на болид и удерживать его на трассе.

Для "запечатывания"  своей трубки Вентури Чепмен и обратился к наработкам Холла, установив прорезиненные юбки на боковые понтоны (выделено на рис. ниже фиолетовым), опустив их край практически до самого асфальта (чтобы воздух не рассеивался и не уменьшал скорость потока). Таким образом, машина превратилась, по сути, в одно большое антикрыло.

Эффективность данного изобретения оказалась столь высока, что уже в первом сезоне с  Lotus-78 c граунд-эффектом выиграл 5 гонок и лишь из-за низкой надёжности всей машины в целом не смог побороться с Ferrari за Кубок конструкторов. Зато во втором сезоне машины Чепмена выиграли 8 Гран-при и взяли оба титула – и личный, и командный.

 

 

Разумеется, после столь удачного дебюта данную систему соперники начали копировать сплошь и рядом, и вот тут обнаружилась целая куча различных неприятных побочных эффектов.

В частности, юбки по бокам машины оказались очень ненадежными: они первыми получали повреждения при большинстве аварий, контактах или даже обычном вылете в гравий. Возвращаться к нормальному пилотажу даже после мельчайшего инцидента стало проблематично: потеря давления вызывала резкое уменьшение прижимной силы, следствием чего стали развороты и вылеты на самых быстрых участках, а из-за роста скорости любые аварии стали намного опаснее.

Кроме того, конструкторы старались подвинуть центр импровизированной трубки Вентури как можно ближе к асфальту для максимизации граунд-эффекта, и тогда при крене шасси на торможениях и разгонах, а также при резких поворотах в быстрых поворотах просвет между конструкцией и асфальтом резко менялся, что вызывало аэродинамическую нестабильность, вплоть до резкой потери управляемости.

Более того, на самых резких торможениях или больших кочках центр трубки вообще соприкасался с асфальтом, что вызывало аэродинамический коллапс: вся прижимная сила вдруг резко пропадала, и машину попросту срывало с трассы.

Конструкторы пытались исправить ситуацию стабилизацией дорожного просвета, максимально увеличив жёсткость подвески, но стало только хуже – на пилотов начали действовать еще и колоссальные вибрации, вызывавшие даже лёгкие сотрясения мозга. 

 

 

В итоге, эпоха граунд-эффекта запомнилась смертями Ронни Петерсона, Патрика Депайе, Жиля Вильнева и Риккардо Палетти. FIA просто не могла больше оставаться в стороне и в 1983 году запретила граунд-эффект в том виде, в котором он присутствовал на машинах, и обязала все команды использовать исключительно плоское днище. 

 

И вот теперь, все новостные ресурсы пестрят заголовками о том, что FIA решила вернуть граунд эффект, снизив таким образом аэродинамическое влияние антикрыльев, и по сути полностью убрав дефлекторы.

Однако, почему же в начале статьи мы упомянули, что никакого возврата к граунд-эффекту, вопреки заявлениям Брауна и Ко, не будет?

Всё очень просто - дело в том, что грунд-эффект до сих пор используется при конструировании машин Ф1. Да, разумеется никаких юбок по краям уже давно нет, да и название сменилось на "диффузор", но по большому счёту, аналоги тех самых "чепменовских" трубок Вентури до сих исправно работают на всех без исключения машинах Ф1.

 

днище Ferrari 150° Italia, 2011 год. Обратите внимание на выход диффузора в задней части машины - именно здесь присутствует тот самый аналог трубки Вентури.

 

Разумеется, в современной Формуле 1 граунд-эффект остался в крайне урезанном виде - от мощных трубок Вентури остались лишь одни воспоминания, и хотя нынешние машины так же "присасываются" к трассе с помощью пресловутого диффузора, который работает по принципу всё той же трубки Вентури, но всё же нынешняя система по эффективности не идёт ни в какое сравнение с тем, что было в эпоху Чепмена.

 

 

Ну ладно. Если граунд-эффект до сих пор присутствует в Формуле 1, что же тогда собирается изменить руководство Формулы 1 в 2021 году?

Очень просто - они хотят увеличить эффективность нынешнего диффузора, чтобы сила того самого "присасывания" к трассе существенно возросла, что позволит уменьшить уровень прижимной силы, генерируемой антикрыльями за счёт упрощения конструкции последних. Плюс полностью отменят дефлекторы, закрылки и кучу других всяческих "прибамбасов" в этой области, которые при малейшем контакте осколками разлетаются в разные стороны, и играют роль своеобразных шипов для шин.

К "плюсам" данного решения можно отнести существенное снижение турбуленции позади болида, и как следствие, упрощение преследования соперника. Кроме того, поскольку болид в значительно меньшей мере получает прижим от антикрыльев, само наличие турбулентных потоков в меньшей степени влияет на машину, нежели сейчас.

К "минусам" же можно отнести всё те же проблемы, которые были актуальны и во время гениального британского конструктора в конце 70х - любое изменение положения днища болида относительно трассы будет существенно влиять на уровень прижимной силы. К примеру, атака поребриков в поворотах станет весьма опасным занятием, поскольку резкое увеличение клиренса с одной стороны вызовет не менее резкое снижение прижимной силы, что, как и во времена Чепмена, сможет привести к потере контроля над управлением болида.

Варианты днища на машинах 2021 года

 

Но если с поребриками вроде бы всё очевидно - не наезжай, и будет тебе счастье, то с кочками такое уже не прокатит. В тот момент, когда колесо наезжает на кочку, особенно немаленькую (Остин этого года ещё свеж в памяти, не правда ли?), центральная узкая часть трубки Вентури, равно как и зазоры по бокам, резко увеличиваются, разность давлений уменьшается, и как и раньше, следствием становится потеря прижимной силы. Думаю не надо говорить, чем чревата потеря прижимной силы в скоростных поворотах.

В настоящее время кочки и поребрики точно так же влияют на эффективность диффузора, но создаваемая антикрыльями прижимная сила компенсирует спад в работе диффузора, что позволяет гонщикам атаковать без опасений вдруг стать пассажиром в собственной машине.

 

Тем не менее, не всё так плохо, и в FIA уже разработали ряд мер, призванных в какой-то мере компенсировать перепады в прижимной силе новых болидов из-за изменения клиренса. В частности, выход диффузора будет размещён не на шасси, как сейчас, а непосредственно на задней подвеске, и будет связан с тормозными воздуховодами, что позволит сделать эффективность диффузора более стабильной и независящей от продольного и поперечного крена шасси.

 

Как оно будет в дальнейшем, мы узнаем явно не раньше предсезонных тестов 2021 года, но несмотря на некоторые опасения, интереса к серии явно прибавится - столь кардинальные перемены в любом случае вызовут ажиотаж, а если теоретические предположения о более плотной борьбе на трассе получат подтверждения ещё и на практике - Формулу 1 ожидают весьма захватывающие времена.

В одном можно быть уверенным точно - Формула 1 после 2020 года уже явно не останется той, что была прежде.

 

32 Отзыва