Cоревнования Formula 1 — это один из самых зрелищных видов спорта и уступает по количеству зрителей лишь Чемпионату мира по футболу. Тысячи людей на трибунах автодромов и миллионы людей у экранов телевизоров 2 часа с азартом наблюдают за болидами F1, несущимся по трассе с бешенной скоростью. На прямой линии они развивают скорость вплоть до 348 км/ч и те, кто сидят на трибунах, видят автомобиль считанные секунды, не всегда успевая различить даже шлем пилота. Достигать таких скоростей и проходить повороты на скорости в 200 км/ч машинам Formula 1 не в последнюю очередь позволяют компьютеры и различные электронные системы, которыми буквально напичкан современный гоночный автомобиль. Так что помните об этом, когда будете наблюдать за гонками Formula 1 в Баку уже в следующем месяце. Давайте рассмотрим несколько ключевых технологических областей, в которых инженерные инициативы Formula 1 демонстрируют инновационный подход.
Активная аэродинамика и «эффект земли» для максимального увеличения прижимной силы и улучшения сцепления с трассой
Новейшие болиды Formula 1 отличаются аэродинамической конструкцией, в которой приоритет отдается «эффекту земли» (Ground Effect) и ограниченному количеству активных элементов для улучшения гоночных характеристик. Хотя «эффект земли» был запрещен на соревнованиях Formula 1 в 1982 году, пересмотр регламента соревнований в 2022 году вновь ввел это понятие, подразумевая использование туннелей Вентури. Вырезы на днище болида, работающие по принципу эффекта Вентури, сужают воздушный поток, что приводит к увеличению скорости потока и, как следствие, к снижению давления. Разница в давлении между верхней и нижней частями болида создает прижимную силу, прижимая машину к трассе. При движении автомобиля со скоростью около 150 км/ч прижимная сила, действующая на автомобиль, примерно соответствует минимальному весу болида или примерно 795 кг, а на максимальной скорости эта сила возрастает более чем в 5 раз. Другими словами, «эффект земли» заключается в расширении потока воздухи вдоль днища автомобиля, в результате чего образуется область низкого давления, которая прижимает автомобиль к земле. В свою очередь, это увеличивает сцепление шин с дорогой, что приводит к повышению скорости и лучшей управляемости в поворотах.
Эта функция направлена на уменьшение турбулентного следа и позволяет автомобилям более плотно следовать друг за другом, решая проблему «грязного воздуха». По сути, «грязный воздух» — это не частицы в воздухе, а ситуация, когда один автомобиль следует за другим вплотную. Когда ведущий автомобиль рассекает воздух, он распределяет его, а это означает, что у автомобиля позади не будет такого же количества сил, зависящих от воздуха, чтобы на равных продолжать гонку. Эти аэродинамические принципы определили направление нормативных требований Международной автомобильной федерации (FIA), подтолкнув команды к использованию подходов, основанных на «эффекте земли», которые коренным образом изменили конкурентную динамику этого вида спорта. Создавая прижимную силу от земли, а не от крыльев и кузова, автомобили смогли улучшить скоростные качества, создавая при этом менее разрушительный след позади себя. Все команды приняли концепцию туннелей Вентури, хотя некоторым пришлось столкнуться с такой проблемой, как «дельфинирование» (подпрыгивание, вызванное нестабильной работой воздушного потока под днищем автомобиля, который то пропадает, то появляется, что приводит к изменению прижимной силы и раскачиванию). В середине 2022 года FIA вмешалась, выпустив технические директивы (по минимальной высоте, жесткости асфальта и т.д.), чтобы решить эту проблему.
Системы снижения лобового сопротивления
Современные болиды Formula 1 также оснащены активируемым водителем аэродинамическим устройством: DRS (система снижения лобового сопротивления). DRS позволяет пилоту, находящемуся на расстоянии менее секунды от впереди идущей машины, при активации системы приоткрывать заднее антикрыло, что уменьшает лобовое сопротивление и увеличивает максимальную скорость для облегчения обгона. Команды постоянно совершенствуют конструкцию крыльев для максимального использования DRS. Например, болид Red Bull 2023 года был оснащен продуманной конструкцией диффузора и балочного антикрыла, которая обеспечивала большее срыв воздуха при открытии DRS, что давало им прирост максимальной скорости. А Mercedes в 2022 году экспериментировал с радикальным аэродинамическим пакетом «Zero Sidepod» для снижения лобового сопротивления, но был вынужден пересмотреть его из-за проблем с устойчивостью.
В перспективе Formula 1 планирует расширить применение активной аэродинамики в соответствии с правилами 2026 года. Подвижные элементы переднего и заднего антикрыльев позволят гонщикам переключаться между режимами высокой прижимной силы и низкого сопротивления, получившими название «Z-mode» и «X-mode». В режиме «Z» крылья создают максимальную прижимную силу в поворотах, а в режиме «X» они перестраиваются для минимального сопротивления на прямых. По сути, это усовершенствованная, автоматизированная версия DRS. Эти активные аэродинамические системы будут ограничены безопасными зонами (например, любой прямой длительностью более 3 секунд) и контролироваться FIA, отражая то, как правила способствуют инновациям в пределах безопасности. В целом, аэродинамические исследования и разработки в Formula 1 ведутся очень интенсивно. Они варьируются от небольших доработок закрылков до серьезных изменений концепции днища.
Гибридные силовые установки и системы рекуперации энергии
Современные силовые установки Formula 1 представляют собой турбогибридные системы, сочетающие 1,6-литровый двигатель внутреннего сгорания V6 с электромоторами-генераторами для рекуперации энергии. Эти гибридные конструкции, представленные в 2014 году, стали самыми эффективными гоночными двигателями. Система рекуперации энергии (Energy Recovery System — ERS) включает в себя MGU-K (кинетический мотор-генераторный блок), который собирает энергию торможения, и MGU-H (тепловой блок), который рекуперирует энергию от тепла турбокомпрессора, а также аккумуляторную батарею для хранения и использования энергии. Такие команды, как Mercedes и Ferrari, активно работали над этой технологией. Например, двигатель Ferrari 2022 года (Tipo 066/7) был совершенно новым, с улучшенной гибридной системой, перенесенной с моделей конца 2021 года, что помогло команде восстановить максимальную мощность. Результат — мощность более 1000 л.с. при гораздо меньшем расходе топлива, чем у предыдущих двигателей. В 2013 году автомобиль расходовал около 160 кг топлива за гонку, к 2020 году этот показатель составил 100 кг, а к 2026 году планируется снизить его до 70 кг за гонку. Кстати, в 2009 году Кими Райкконен (Kimi Raikkonen) захватил лидерство на Гран-при Бельгии, обогнав соперников с помощью системы рекуперации кинетической энергии (KERS). В итоге он выиграл гонку.
Рекуперация энергии критически важна: действующие правила позволяют использовать 4 МДж накопленной энергии на круге (примерно 120 кВт от MGU-K). Команды работают над оптимизацией того, когда и как этот электрический усилитель будет использоваться для улучшения времени круга или безопасного маневра. Система MGU-H, несмотря на впечатляющие технические характеристики (она может как генерировать энергию от выхлопных газов, так и устранять турбоямы за счет электрического вращения турбины), будет исключена из регламента на 2026 год. Заявленная причина — упрощение систем и привлечение новых производителей. Начиная с 2023 года, разработка двигателей была фактически заморожена правилами FIA (за исключением доработок по надежности) для сокращения расходов, что смещает фокус команд на программное обеспечение, настройку ERS и улучшение интеграции. Несмотря на эту заморозку, надежность и интеллектуальное управление энергией по-прежнему отличают производителей. Например, Honda из Red Bull (теперь Red Bull Powertrains) решила ранние проблемы с надежностью гибридов и смогла выиграть несколько гонок, в то время как Ferrari пришлось иногда сокращать использование гибридных силовых установок ради надежности в 2022 году.
В 2026 году новая формула двигателя увеличит электрическую мощность и сделает акцент на устойчивом развитии. Мощность MGU-K увеличится почти втрое, достигнув примерно 350 кВт. Это означает примерно одинаковое распределение мощности между электрическими и внутренними источниками. С большим количеством рекуперируемой энергии торможения и отсутствием MGU-H гонщикам и инженерам придется выбирать между использованием электрического наддува и управлением вероятными турбоямами. Топливо будет представлять собой 100% экологически чистый синтетический продукт, а ограничение стоимости двигателя и стандартизированные компоненты позволят сдержать расходы.
Современные материалы и облегченная конструкция
Вес — враг производительности, поэтому команды Formula 1 стремятся использовать легкие, прочные материалы и конструкции. Углеродные композиты часто являются основой конструкции болидов Formula 1. Например, они составляют значительную долю материалов для болидов в компании INEOS, которая является основным партнером команды Formula 1 Mercedes-AMG PETRONAS. Таким образом, все шасси, а также большая часть кузова и крыльев болидов Formula 1 изготовлены из углеродного волокна. Другие композитные материалы и арамидные волокна (кевлар, зайлон) используются в критически важных зонах для обеспечения прочности и безопасности. Например, панели из зайлона, препятствующие проникновению мусора, установлены на боковинах кабины. Титан часто используется для защиты кабины и различных крепежных элементов благодаря своей прочности, в то время как жаропрочные сплавы (инконель и др.) используются в выхлопной и тормозной системах. По данным Piran Composites, на протяжении многих лет команды внедряли новые технологии плетения, такие как растянутая углеродная ткань, которая позволяет значительно снизить вес по сравнению с традиционными методами плетения.
В последнее время наблюдается тенденция к использованию экологичных материалов без ущерба для производительности. Например, команда McLaren стала пионером в использовании композита на основе натурального льняного волокна для сиденья болида, дебютировавшего в 2021 году. По данным той же Piran Composites, этот биокомпозит обеспечил требуемую жесткость и снизил углеродный след детали на 75%. В 2023 году McLaren также стала первой командой, использовавшей элементы из переработанного углеродного волокна в своих автомобилях (некритичные детали, такие как фирменные панели салона) в рамках долгосрочной цели по переходу на циклический, безотходный процесс производства автомобилей. Тем временем Mercedes планирует внедрить экологичные композиты на основе углеродного волокна в свой автомобиль 2025 года благодаря партнерству с поставщиками материалов, учитывая, что такие композиты доминируют в конструкции их автомобилей.
Методы создания болидов также развиваются. Все команды используют передовые технологии аддитивного производства (3D-печать) для быстрого создания прототипов и даже готовых к гонкам деталей (например, облегченных титановых или армированных углеродным волокном компонентов). Новый завод Aston Martin оснащен оборудованием для аддитивного производства, позволяющим быстро производить и тестировать модели для аэродинамической трубы в масштабе 60% и даже некоторые полноразмерные детали. Такая гибкость в производстве итеративно улучшенных компонентов помогает командам не выходить за рамки лимита затрат и быстрее реагировать на проблемы. Даже краска подвергается тщательной проверке. В сезоне 2022-2023 годов несколько команд использовали автомобили с минимальным количеством краски или матовых покрытий, чтобы сэкономить несколько сотен граммов. Минимальный вес (в настоящее время около 798 кг, включая водителя) установлен правилами FIA, но команды стремятся уложиться в каждый килограмм, чтобы иметь возможность разместить балласт в идеальных местах для балансировки. Короче говоря, инженеры Formula 1 используют все возможные достижения материаловедения — от новых композитных смол до металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере, чтобы создавать более легкие и прочные автомобили. Так что все участники гонок проводят эксперименты в области материаловедения, аналогичные тем, что проводят исследователи в аэрокосмической и медицинской областях, только на скоростях до 350 км/ч.
Моделирование с использованием ИИ и машинного обучения помогает в подготовке к гонкам и не только
Современные команды Formula 1 — это не только гоночные команды, но и компании, работающие с данными. Они используют искусственный интеллект и машинное обучение для обработки огромных объемов данных в целях стратегического и практического повышения эффективности. Например, во время подготовки к гонкам команды используют симуляции на базе искусственного интеллекта, моделируя множество потенциальных сценариев и параметров трассы. Эти модели учитывают прогнозы погоды, модели износа шин, поведение гонщиков, вероятность столкновений и многое другое, помогая выбирать оптимальные окна пит-стопов и тактику гонки. Модели искусственного интеллекта могут оценить результат раннего появления автомобиля безопасности или предсказать, как борьба с другим болидом повлияет на температуру шин, что позволяет команде принимать более быстрые и обоснованные решения.
В сфере операционной деятельности ведущие команды сформировали технические партнерства в области больших данных и ИИ. Например, McLaren сотрудничает с Dell Technologies и Google Cloud для моделирования и аналитики, передавая данные из автомобиля в облако в режиме реального времени. Одна система McLaren может передавать с автомобиля 100 тысяч параметров в секунду для создания точных цифровых моделей для анализа производительности. Mercedes в партнерстве с TIBCO использовала аналитику машинного обучения для преобразования данных гонок в режиме реального времени в стратегическую информацию. А облачные вычисления Oracle позволяют Red Bull Racing проводить моделирование гонок в Монте-Карло для выработки стратегии и разработки новых автомобилей.
Регламент FIA не позволяет искусственному интеллекту превзойти человеческий фактор на трассе. Пилоты по-прежнему должны управлять автомобилем, поэтому беспилотные автомобили или автоматизированные системы помощи водителю не используются, а команды не могут управлять автомобилем удаленно. Однако вне трассы таких ограничений нет. В поисках оптимальных стратегий команды проводят столько виртуальных гонок, сколько необходимо. В некоторых исследованиях даже изучаются алгоритмы обучения с подкреплением для автономной разработки гоночных стратегий в симуляциях.
Телеметрия данных и мониторинг в режиме реального времени
Принятие решений командами Formula 1 основано на телеметрии данных, которые в режиме реального времени передаются с машины на пит-стоп и даже на удаленные заводы в течение каждой сессии. Современные болиды оснащены сотнями датчиков, измеряющих все: от давления и температуры двигателя до хода подвески, давления в шинах и даже биометрических данных водителя. Это генерирует огромные объемы данных: порядка 1 Tb и более на машину за гоночный уик-энд. Команды используют широкополосные радиосистемы для передачи телеметрических данных в режиме реального времени в боксы, где инженеры отслеживают состояние и характеристики автомобиля на нескольких экранах.
Высокоскоростные телеметрические каналы позволяют инженерам отслеживать такие показатели, как расход топлива, износ тормозов или уровень заряда аккумулятора от поворота к повороту и мгновенно корректировать стратегию. Если датчик давления в шине зафиксирует медленный прокол (Slow Puncture), то пит-стоп может вызвать гонщика еще до разрыва шины. Если температура тормозов резко подскочит, то воздуховоды тормозной системы можно будет отрегулировать на следующем пит-стопе.
Инновации, которые Formula 1 подарила миру
Даже если не брать во внимание феноменальные спортивные достижения — чемпионаты, рекорды и победы, Formula 1 оказала серьезное влияние на мир за последние 75 лет. Статус королевы автоспорта открыл двери для множества инновационных технологий, которые проникли в общество в целом, улучшая те сферы, в которых, казалось бы, даже малая часть прогресса могла быть связана с Formila 1.
Проект «Pitlane»
Когда пандемия коронавируса поставила жизнь на паузу, в 2020 году, команды Formula 1 оказались в уникальной ситуации. Отбросив ожесточенное соперничество, они объединили свои невероятные технологические возможности и ресурсы для создания жизненно важного дыхательного аппарата. Проект, получивший название «Pitlane», включал в себя совместную работу команд с правительством Великобритании над обратным проектированием существующих медицинских устройств, повышением эффективности производства аппаратов ИВЛ и разработкой нового устройства. Благодаря неустанным усилиям инженеров всех подразделений проект был завершен всего за четыре недели, что позволило быстро внедрить обновленный аппарат ИВЛ.
Холодильники для супермаркетов
Британские супермаркеты Sainsbury’s обязаны команде Williams своей миссией достичь нулевого уровня потребления энергии к 2040 году. Команда использовала свой опыт в области аэродинамики для снижения энергопотребления. Работая совместно с Aerofoil Energy, Williams создала алюминиевое устройство, напоминающее по форме заднее крыло болида Formula 1. На трассе оно обдувает машину и обтекает еt, максимизируя производительность. Однако в супермаркетах эта технология имеет иной эффект. При креплении к полкам холодильника устройство предотвращает утечку холодного воздуха и удерживает его внутри, экономя энергию и сохраняя тепло в помещении для покупателей. Другие британские супермаркеты, такие как M&S, Tesco и Asda, также внедрили эту технологию в своих магазинах. Sainsbury’s сообщает, что она обеспечивает сокращение выбросов углерода на 8763 тонны в год.
Управление воздушным движением
В работе с данными команде McLaren нет равных, что в последние годы очень пригодилось аэропортам по всему миру. Их технология точно отслеживает, где на трассе находится каждый автомобиль и с какой скоростью он едет, что не менее полезно для авиадиспетчеров, следящих за местоположением самолетов. Такие аэропорты, как Хитроу, используют технологию, созданную McLaren, для получения оперативной информации о вылетах и прилетах, что позволяет им заранее предвидеть задержки и уменьшить заторы.
Парусный спорт
Действия проходят на совершенно разных поверхностях, но парусный спорт во многом удивительно похож на Formula 1, что дает конструкторам лодок отличную возможность почерпнуть опыт этой серии. Безусловно, помогает тот факт, что один из этих конструкторов работал гоночным инженером в McLaren. Дэн Бернаскони (Daniel Bernasconi) отвечал за яхты Team New Zealand из Новой Зеландии, победившие в гонках Кубка Америки 2017 и 2021 годов. Опираясь на свои знания аэродинамики в Formula 1, он спроектировал яхту из углеродного волокна с использованием технологий моделирования. Аэродинамика и технология углеродных композитов — не единственные общие элементы. Яхты покрыты датчиками, которые в режиме реального времени передают данные команде для анализа, подобно тем, которые команды Formula 1 отслеживают во время каждой гоночной сессии.
5G для общественного транспорта
Для команд F1 трудно переоценить важность надежной связи. Сбор точных данных и их передача в различные отделы — залог успеха любой команды. Так что еще одной победой технологического подразделения McLaren стало использование технологии для связи сотрудников на пит-лейн. На ее основе создали Fleet Connect, которая сейчас внедряется в сети общественного транспорта. От Великобритании до Сингапура — она помогает передавать данные и предоставляет пассажирам высокоскоростное подключение к Wi-Fi, а также позволяет железнодорожным командам обмениваться данными с камер и показаниями датчиков по инженерным вопросам и техническому обслуживанию для принятия быстрых решений.
Использование карбона
Углеродное волокно — исключительно прочный материал, впервые опробовали в аэрокосмической промышленности в 60-х годах прошлого века, но тогда получили неоднозначные результаты. Его истинный потенциал раскрыл инженер McLaren Джон Барнард (John Barnard). В 1981 году он сконструировал первый композитный монокок из углеродного волокна, который теперь используется на трассе всеми командами, и продемонстрировал, насколько важным может быть этот материал как в гонках, так и в повседневной жизни. И сегодня из углеродного волокна изготавливается множество устройств.
Новшества из Formula 1 в обычных автомобилях
Вполне логично, что многие инновации Formula 1 нашли применение в производстве обычных автомобилей. Начиная с подрулевых переключателей/лепестков, которые внедрила в 1989 году Ferrari (поскольку они были одновременно и быстрее, и более щадящими для компонентов машин, чем ручная коробка), и заканчивая гибридными технологиями. Технологии, разработанные в конкурентной среде Formula 1, внедряются в суперкары, а затем постепенно появляются и в более распространенных автомобилях.
***
Нет никаких сомнений, что гонки Formula 1 являются неотъемлемой частью развития автомобильной промышленности. Без этих соревнований прогресс в этой области шел бы гораздо медленнее, так как ни одна компания не смогла бы себе позволить проводить столь дорогостоящие исследования без жесточайшей конкуренции на гоночных трассах и рекламного эффекта от гонок. Formula 1 необходима как незабываемые по своей красоте и зрелищности спортивные соревнования, но и в качестве донора передовых технологий!
