Как работает «Формула-1»

Технологии и «Формула-1» идут рука об руку. Сегодня «Формула-1» — это не только соревнование, но и тестовая площадка для испытания новых технологий. Здесь автомобильные производители обкатывают новейшие инженерные решения, которые потом могут найти свое применение в коммерческих автомобилях. В этой статье CHIP рассказывает об интересных исторических фактах «королевских гонок», а также о современных технологиях в «Формуле-1».

Гибриды: борьба за экономичность

Революционным изменением по сравнению с прошлым сезоном стало возвращение в F1 двигателей с турбонаддувом. На смену 2,4-литровому атмосферному мотору V8 мощностью 750 л. с. пришел скромный, казалось бы, 1,6-литровый шестицилиндровый турбо­двигатель V6 мощностью около 600 л. с., частота вращения коленчатого вала которого составляет до 15 000 об./мин.

Преобразилась и система рекуперации кинетической энергии, пришедшая в автоспорт еще в 2009 году, превратив болиды по сути в настоящие гибриды. Система под названием ERS поднялась на новый уровень продуктивности, открывая новые возможности перед командами. Теперь она позволяет не только генерировать кинетическую энергию при торможении, но и тепловую энергию выхлопных газов из турбокомпрессора двигателя. Полученная энергия преобразовывается в электрическую и наоборот, благодаря чему болид получает дополнительные 160 л. с. в течение 33 с на каждом круге.

Для сравнения, прошлогодняя система аккумулировала всего 80 дополнительных лошадиных сил, а время использования ERS составляло всего лишь 6,76 с на круге.

В этом году международная автомобильная федерация FIA впервые за всю историю «Формулы-1» ограничила потребление топлива — теперь каждый болид может использовать не более 100 кг на гонку. Для сравнения, в предыдущем году болиды сжигали в среднем по 160 кг топлива в течение гонки. Более того, сегодня и максимальный показатель мгновенного расхода топлива не должен превышать 100 кг в час. Как и многие другие изменения, эти новшества были направлены на повышение экономичности и эффективности работы двигателей, однако в целом не получили одобрения среди команд и пилотов.

Суперкомпьютеры в «Формуле-1»

Роль компьютеров в королевских гонках сложно пере­оценить — без лэптопа сегодня невозможно даже завести болид. А внушительные суперкомпьютеры позволяют инженерам команд спроектировать конструкцию болида. Переносные серверы, развернутые в мобильных центрах обработки данных, ударопрочные ноутбуки, гигабайты данных, передающиеся по спутниковому Интернету на другой континент после того, как были собраны с сотен датчиков болида. Все это — современный мир гонок «Формулы-1».

Супервычисления 
С помощью суперкомпьютеров каждой команде ежегодно приходится создавать новую модель авто с нуля, поскольку требования к ним постоянно меняются, а в течение года к каждому этапу чемпионата модель улучшается.

Создание гоночного болида начинается с проектирования, а чтобы пройти путь от первых набросков до запуска двигателя, команде требуется около девяти месяцев работы.

Например, для проектирования своего болида инженеры британской команды Catherham использовали кластер суперкомпьютера Dell, арендованный на время у руководства Кембриджского университета. Он представляет собой 186 серверов Dell, в каждом из которых находится по восемь процессоров Intel Xeon. Возглавляют вычислительную мощность три больших сервера, отвечающие за визуализацию всех тех вычислений, которые производит кластер. Кластер отвечает за моделирование влияния тех или иных элементов болида на его аэродинамику. Как говорят инженеры команды, еще десять лет назад о таком можно было только мечтать.

Модель новой детали нужно было сделать вручную, затем провести десятки испытаний в аэродинамической трубе. Справедливо отметим, что испытания в аэродинамической трубе никуда не делись, но сегодня инженеры применяют ее только на финальной стадии для тестирования полноценной модели болида в cборе.

За семнадцать часов работы кластер суперкомпьютера производит около 10 млрд вычислений, используя миллионы единиц исходных данных. Для поддержания работоспособности кластера Caterham на случай отключения электропитания используется 60 аккумуляторов, которые способны продержать его до 12 минут при максимальной загрузке. Ведь кластер суперкомпьютера эксплуатируется в режиме 24х7 практически круглый год. Исключение составляют две недели в августе, когда всем командам запрещено вести работы над болидами по правилам «Формулы-1». К слову, именно в эти дни и производится основная диагностика железа.

Измерения
Аэродинамические лаборатории команд «Формулы-1» грандиозны и по своим возможностям, и по стоимости. Однако, по мнению инженеров, цена ошибки в расчетах — еще дороже.

Вычисления не заканчиваются после проектирования болида. Во время гонки у каждой команды есть мобильная стойка, которая несет на борту 20 виртуальных серверов для работы 60 человек команды. Именно через такую мобильную стойку организовывается обработка всей телеметрии в течение гонки, что позволяет инженерам в режиме реального времени корректировать стратегию и настраивать болид.

Кроме того, после каждого заезда в случае с командой Catherham необходимо принять, обработать и отправить около 20 Гбайт данных по спутниковому Интернету в центральный офис команды в Лондоне. А ведь гонки проходят практически круглогодично по всему миру.

Здесь стоит упомянуть про негласное правило «Формулы-1»: для любого оборудования в гонке справедливо высказывание — «размер имеет значение». Обычному зрителю сложно даже представить, насколько дорого в «королевских гонках» что-либо перевозить. Стоимость транспортировки 1 кг веса обычно составляет около $100 (см. блок справа). Также интересен и тот факт, что, например, источник бесперебойного питания мобильного сервера существенно превосходит по весу последний.

Оборудование должно корректно работать в любых погодных условиях, будь то жара в Арабских Эмиратах, песчаные ветра Бахрейна или высокая влажности Малайзии. Кстати, этим и объясняется использование командами профессиональных ударопрочных и защищенных ноутбуков Lenovo, Panasonic или Dell с быстрыми SSD-накопителями. В гараже обыкновенный лэптоп не выдержал бы и часа работы — при запуске двигателя болида уровень шума достигает 150 дБ с сопутствующими вибрациями.

Логистика

Усилия логистов «Формулы-1» сложно переоценить — после каждого гоночного уикенда необходимо не только перевезти на место будущего Гран-при 22 болида без малейших повреждений, запчасти к ним и тонны оборудования, но и сделать это максимально быстро. Более того, нужно организовать переезд, транспорт и жилье для команд-участниц, на каждую из которых может приходиться до 100 гостиничных номеров.

Чтобы справиться с таким объемом работы, международная автомобильная ассоциация пользуется услугами немецкой логистической компании DHL, которая в настоящий момент является официальным партнером гонки. Каждая команда, участвующая в чемпионате мира, преодолевает между гонками и тестовыми сессиями в среднем около 160 000 км за сезон.

В перерывах между европейскими этапами основная часть оборудования, запасные детали и сами болиды погружаются в грузовики и отправляются в «путешествие» по автобанам Европы. При этом шины и топливо доставляются на место следующей гонки техническими партнерами «Формулы-1».

Что касается остальных гонок сезона, то без воздушных перевозок здесь просто не обойтись. Команды-участницы разработали особые грузовые контейнеры для своего оборудования, чтобы все укладывалось как можно компактнее, и время упаковки снаряжения заняло минимальное время.

Отдельно стоит упомянуть про мобильные лаборатории команд. Они также ездят по всему миру вместе с командой — сотрудники используют их для контроля состава топлива и масла. Они обрабатывают данные и регулярно отправляют их по спутниковому Интернету в головной офис команды, где осуществляется завершающая проверка на соответствие жидкостей установленным нормативам «Формулы-1».

Технологии «Формулы-1» в серийных автомобилях

Спойлер и антикрыло

Аэродинамика играет ключевую роль в поведение автомобиля на высоких скоростях. Расход топлива напрямую зависит от его аэродинамических характеристик. Аэродинамика болидов настолько экстремальна, что применять ее на серийных автомобилях невозможно из соображений безопасности. Однако некоторые элементы все же используются на быстрых серийных автомобилях —например, спойлер и антикрыло.

Композитный монокок
Высокопрочная конструкция, которая защищает водителя от внешних ударов, используется уже во многих автомобилях. Недавно инженеры продемонстрировали новый монокок из композитных материалов. Эти материалы обладают повышенной прочностью, устойчивы к горению и имеют малый вес. Аналитики рынка предсказывают появление подобных монококов в первых серийных автомобилях уже в ближайшие несколько лет.
Управление на руле
Кнопки расположены таким образом, чтобы пилот имел возможность менять настройки параметров болида, не отрывая руки от руля, а глаза — от дороги. Руль гонщика «Формулы-1» в 2014 году также обзавелся увеличенным ЖК-дисплеем. Вдохновленные этим примером, производители серийных авто тоже стали добавлять на руль кнопки управления бортовым компьютером.

Телеметрия
За кулисами «Формулы-1» трудятся несколько сотен десятков мощных компьютеров, которые в режиме реального времени собирают и обрабатывают диагностическую информацию с 250 сенсоров и датчиков, установленных на болиде. Сегодня серийные аналоги телеметрии уже появились. Например, вместо того, чтобы отвозить автомобиль в сервисный центр, уже сегодня вы можете получить помощь в диагностике дистанционно.

Роботизированная коробка передач
Впервые роботизированная коробка передач на гоночном болиде Ferrari была представлена в 1989 году. Около десяти лет новая технология тестировалась исключительно на гоночном болиде, а затем перешла и в «дорожные» версии спорткаров. Сегодня у всех крупных мировых автопроизводителей есть автомобили с роботизированной коробкой передач. Они весьма сложны в производстве, но позволяют существенно снизить расход топлива.

Система рекуперации кинетической энергии
Мотор-генератор, установленный на переднем валу двигателя, при торможении болида переключается в режим генератора и накапливает электроэнергию в литий-ионной батарее. При необходимости прибавки мощности, пилот нажимает кнопку BOOST на руле. Современные гибридные автомобили на дорогах общего пользования сегодня используют такой же принцип работы.
Керамические тормоза
В отличие от стальных дисков керамические значительно легче и меньше зависят от температуры, при этом по эффективности ничем им не уступают. Сегодня множество премиальных автомобилей оснащаются керамическими тормозными колодками. Кстати, в «Формуле-1» активно применяют карбоновые тормоза. Велика вероятность того, что в скором времени и эта технология выйдет на массовый рынок.
Антипробуксовочная система
Данная система была впервые представлена командой Ferrari в «королевских гонках» еще 24 года назад. Основное предназначение — сглаживание ошибок пилота во время гонки. Сегодня именно это и требуется в серийных авто, и сейчас даже самые бюджетные автомобили оснащаются ею. К слову, в Евросоюзе с 2004 года эти системы стали обязательными в любом новом автомобиле.