Страница:
Конструкция топливного элемента проста. Это сосуд с электролитом (водным раствором кислоты или щелочи), двумя пористыми электродами (анодом и катодом, как в аккумуляторной батарее) и трубками для подачи топлива (на анод) и окислителя (на катод). На аноде молекулы водорода распадаются на атомы, которые теряют свои электроны, становятся положительными ионами и уходят в электролит. Потерявший ионы анод приобретает отрицательный заряд по отношению к другому электроду, и свободные электроны движутся к последнему по внешней цепи. Там они соединяются с атомами кислорода – образуются отрицательные ионы. Последние проходят через электролит и соединяются с положительными ионами водорода. Так возникает замкнутая цепь, по которой идет электрический ток, и топливный элемент становится электрическим генератором. Кроме электроэнергии в нем образуется еще и побочный продукт – дистиллированная вода.
Одиночный топливный элемент создает напряжение около 1,5 В. Чтобы получить более высокое напряжение, элементы последовательно соединяют друг с другом в батареи.
Время непрерывной работы батареи зависит от запасов топлива, окислителя и износа (окисления) материалов электродов и составляет в действующих установках 1000 часов. Поэтому их сейчас используют только для электроснабжения автономных потребителей, таких как глубоководные аппараты или околоземные космические станции.
Сегодня чаще всего применяют водородно-кислородные топливные элементы. Однако значительно более эффективны воздушно-алюминиевые топливные элементы, в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом воздуха, анодом – пластина из алюминиевого сплава. Окисление идет с коэффициентом полезного действия восемьдесят процентов, и «сгоревший» при комнатной температуре килограмм алюминия способен выдать во внешнюю цепь примерно столько энергии, сколько дает килограмм каменного угля, сгорая на воздухе при очень высокой температуре.
«Достоинств у таких источников электроэнергии много: и простота конструкции, и полная безопасность эксплуатации, и хорошие удельные энергетические характеристики, – пишет в своей статье в журнале «Наука и жизнь» К. Климов. – А недостаток, в основном, один – дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом энергоемкостью процесса производства. Недостаток этот должен, однако, со временем уменьшаться, а благодаря последним разработкам Института металлургии имени А.А. Байкова Российской академии наук будет, вполне возможно, и вовсе устранен, и притом в самом ближайшем будущем.
Специалисты института разработали новый и весьма эффективный метод так называемых многокомпонентных химических реакций. В специально подобранной среде, обладающей одновременно ионной и электронной проводимостью, возникают при определенной температуре множественные и равномерно распределенные в объеме реактора микроэлектродные (так их называют) электрохимические реакции. С их помощью можно получать в чистом виде многие из известных элементов, в том числе металлы, и в частности – алюминий. Это делают уже сегодня, но пока в лабораторных условиях, а в качестве сырья используют обычную грунтовую глину или любое рудное сырье, содержащее глинозем.
Оксид алюминия (основной компонент глинозема) переводят при помощи хлористого кальция в хлорид алюминия и отправляют в реактор. Туда же поступают и пары металлического натрия, который получают нагреванием соды с углем. Таким образом, в реакторе образуется раствор натрия, перемешанный с расплавом алюминия, и создаются условия для одновременного возникновения множественных окислительно-восстановительных реакций. В результате этих реакций и получается жидкий алюминий. Некоторые из таких реакций идут с выделением тепла, что, разумеется, снижает энергоемкость процесса производства. Само же производство оказывается и проще, и дешевле, чем традиционный электролиз, и к тому же гораздо чище экологически».
Если промышленности удастся освоить новую технологию получения алюминия, то и он, и его сплавы станут намного дешевле. Это позволит решить сразу две задачи. Во-первых, ускорит решение проблемы автомобильного топлива. Во-вторых, кузов автомобиля можно будет производить из легкого и не поддающегося коррозии материала, что приведет к значительному снижению его веса. А снижение веса автомобиля позволит уменьшить энергозатраты при движении.
Воздушно-алюминиевые топливные элементы уже сегодня выпускаются во многих странах, в том числе и в России. Но особый интерес проявили к ним японцы. Они производят их по несколько десятков миллионов в год. Японцы не скрывают намерений в скором времени наладить выпуск электромобилей на алюминии.
Одним из пионеров внедрения этой технологии в автомобилестроение считается фирма «Мерседес-Бенц» (ныне «Даймлер-Крайслер»). В 1994 году на базе фургона ею был построен прототип автомобиля с топливными элементами «Некар-1». Спустя еще два года подобной силовой установкой оснастили пассажирский автомобиль V-класса. Новой ступенью стала премьера «Некара-3», использующего в качестве топлива метанол. Как пишет журнал «За рулем»: «Отличительная особенность этой модели – отсутствие батарей для хранения энергии. Процесс в системе происходит напрямую – при нажатии на педаль акселератора около девяносто процентов максимальной мощности доступно уже спустя менее двух секунд. Как следствие – достойная разгонная динамика машины, вполне сопоставимая с обычными дизельными или бензиновыми моделями. Что касается топлива, то применение метанола не требует каких-либо особых мер безопасности, а процесс заправки автомобиля мало чем отличается от заполнения бака бензином. Кстати, топливный бак «Некар-3» вмещает 38 литров топлива, на котором машина способна преодолеть 400 километров. Этот, казалось бы, уже неплохой результат побил «Некар-4» – следующий и наверняка не последний прототип на пути к массовой продукции.
Помимо концерна "Даймлер-Крайслер", исследования и разработку автомобилей с топливными элементами ведут многие фирмы – «Форд» и "Вольво", «Ниссан» и "Рено", "Мазда"… И хотя предстоит еще решить массу проблем на пути к серийному выпуску таких машин, по прогнозам "Даймлер-Крайслер", одна только эта компания сможет наладить выпуск от 40 до 100 тысяч штук автомобилей на топливных элементах уже в ближайшие 4-5 лет».
Ги Негр, конструктор «Формулы-1», основал фирму MDI, где занялся созданием нового двигателя – гибридного. В нем в качестве топлива, в частности, может выступать воздух!
Негр решил отказаться от классической схемы, когда все действия происходят в одном цилиндре. У него используется два: один объемом в 270, а другой в 755 кубических сантиметров. Цилиндры соединены клапанами со сферической камерой в 20 кубических сантиметров.
При работе двигателя на бензине в малом цилиндре происходит всасывание и сжатие горючей смеси, которая затем выталкивается в камеру сгорания. Там она поджигается искровым разрядом и сгорает при постоянном объеме (оба клапана камеры закрыты). Затем открывается клапан, ведущий в цилиндр расширения (большой).
У такой схемы ряд преимуществ. Фаза сгорания отделена от расширения и намного продолжительнее, чем в обычном двигателе, поэтому новый мотор может работать на предельно обедненных, медленно горящих смесях, ему не нужен глушитель, а токсичность выхлопа сравнима с обычным городским воздухом.
При работе на сжатом воздухе процессы в двигателе практически не изменяются. Казалось, цель достигнута, но Ги Негр принялся за новый двигатель и новый автомобиль. Он назвал его TOP – «такси с нулевым загрязнением». Такое название отражает концепцию: в этой машине не будет бензиновой подпитки, только сжатый воздух.
«Еще в проекте автомобиль вызвал огромный интерес не только у специалистов, – сообщает журнал «За рулем», – но и у власть предержащих. Так, в Мексике парламентская комиссия по транспорту заинтересовалась разработками французских инженеров, и после посещения мексиканцами в 1997 году завода в Бриньоле был подписан контракт о постепенной замене всех 87 тысяч такси Мехико, самой загазованной столицы в мире, машинами с чистым "выдохом". Собирать «TOP-модели» будут на месте – французы построят за океаном завод под ключ.
Предвидим возражения: дескать, для того чтобы закачать в баллоны воздух, нужна энергия, а электростанции – тоже источники загрязнений. Авторы проекта посчитали конечный КПД в цепочке "нефтеперегонный завод – автомобиль" для бензинового, электрического и «воздушного» автомобиля: 9,4, 13,2 и 20 процентов соответственно – «воздушник» лидирует с заметным отрывом.
Новый мотор во многом повторил уже обкатанный гибридный. Однако теперь поршни стали дольше «зависать» в мертвых точках (80 процентов времени) благодаря особым проскальзывающим муфтам на коленчатом валу. В цилиндр засасывается не наружный воздух, а часть выхлопа. Нет систем зажигания, впрыска топлива, бензобака. Зато под днищем аккуратно расположились четыре карбоновых (почти невесомых!) 50-литровых резервуара для сжатого воздуха. Его запаса (200 л при 200 атм.) хватает на 500 километров при скорости 40 километров в час или на 100 километров при 90 километрах в час.
При торможении энергия рекуперируется – компрессор высокого давления закачивает наружный воздух обратно в баллоны. «Заправлять» автомобиль можно двумя способами. От воздушной магистрали высокого давления – 2-3 минуты (по западным ценам всего за полтора доллара) или от электросети: тот же компрессор накачает баллоны за 4 часа – быстрее, чем заряжается электромобиль».
С 2001 года TOP должны появиться в продаже, причем по всему миру: уже продано 19 заводов мощностью 2000 автомобилей в год каждый – в Австралию, Новую Зеландию, Южную Африку, Мексику, Испанию, Францию, Швейцарию.
Машина «Формулы-1»
Реактивный автомобиль TRUST SSC
Одиночный топливный элемент создает напряжение около 1,5 В. Чтобы получить более высокое напряжение, элементы последовательно соединяют друг с другом в батареи.
Время непрерывной работы батареи зависит от запасов топлива, окислителя и износа (окисления) материалов электродов и составляет в действующих установках 1000 часов. Поэтому их сейчас используют только для электроснабжения автономных потребителей, таких как глубоководные аппараты или околоземные космические станции.
Сегодня чаще всего применяют водородно-кислородные топливные элементы. Однако значительно более эффективны воздушно-алюминиевые топливные элементы, в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом воздуха, анодом – пластина из алюминиевого сплава. Окисление идет с коэффициентом полезного действия восемьдесят процентов, и «сгоревший» при комнатной температуре килограмм алюминия способен выдать во внешнюю цепь примерно столько энергии, сколько дает килограмм каменного угля, сгорая на воздухе при очень высокой температуре.
«Достоинств у таких источников электроэнергии много: и простота конструкции, и полная безопасность эксплуатации, и хорошие удельные энергетические характеристики, – пишет в своей статье в журнале «Наука и жизнь» К. Климов. – А недостаток, в основном, один – дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом энергоемкостью процесса производства. Недостаток этот должен, однако, со временем уменьшаться, а благодаря последним разработкам Института металлургии имени А.А. Байкова Российской академии наук будет, вполне возможно, и вовсе устранен, и притом в самом ближайшем будущем.
Специалисты института разработали новый и весьма эффективный метод так называемых многокомпонентных химических реакций. В специально подобранной среде, обладающей одновременно ионной и электронной проводимостью, возникают при определенной температуре множественные и равномерно распределенные в объеме реактора микроэлектродные (так их называют) электрохимические реакции. С их помощью можно получать в чистом виде многие из известных элементов, в том числе металлы, и в частности – алюминий. Это делают уже сегодня, но пока в лабораторных условиях, а в качестве сырья используют обычную грунтовую глину или любое рудное сырье, содержащее глинозем.
Оксид алюминия (основной компонент глинозема) переводят при помощи хлористого кальция в хлорид алюминия и отправляют в реактор. Туда же поступают и пары металлического натрия, который получают нагреванием соды с углем. Таким образом, в реакторе образуется раствор натрия, перемешанный с расплавом алюминия, и создаются условия для одновременного возникновения множественных окислительно-восстановительных реакций. В результате этих реакций и получается жидкий алюминий. Некоторые из таких реакций идут с выделением тепла, что, разумеется, снижает энергоемкость процесса производства. Само же производство оказывается и проще, и дешевле, чем традиционный электролиз, и к тому же гораздо чище экологически».
Если промышленности удастся освоить новую технологию получения алюминия, то и он, и его сплавы станут намного дешевле. Это позволит решить сразу две задачи. Во-первых, ускорит решение проблемы автомобильного топлива. Во-вторых, кузов автомобиля можно будет производить из легкого и не поддающегося коррозии материала, что приведет к значительному снижению его веса. А снижение веса автомобиля позволит уменьшить энергозатраты при движении.
Воздушно-алюминиевые топливные элементы уже сегодня выпускаются во многих странах, в том числе и в России. Но особый интерес проявили к ним японцы. Они производят их по несколько десятков миллионов в год. Японцы не скрывают намерений в скором времени наладить выпуск электромобилей на алюминии.
Одним из пионеров внедрения этой технологии в автомобилестроение считается фирма «Мерседес-Бенц» (ныне «Даймлер-Крайслер»). В 1994 году на базе фургона ею был построен прототип автомобиля с топливными элементами «Некар-1». Спустя еще два года подобной силовой установкой оснастили пассажирский автомобиль V-класса. Новой ступенью стала премьера «Некара-3», использующего в качестве топлива метанол. Как пишет журнал «За рулем»: «Отличительная особенность этой модели – отсутствие батарей для хранения энергии. Процесс в системе происходит напрямую – при нажатии на педаль акселератора около девяносто процентов максимальной мощности доступно уже спустя менее двух секунд. Как следствие – достойная разгонная динамика машины, вполне сопоставимая с обычными дизельными или бензиновыми моделями. Что касается топлива, то применение метанола не требует каких-либо особых мер безопасности, а процесс заправки автомобиля мало чем отличается от заполнения бака бензином. Кстати, топливный бак «Некар-3» вмещает 38 литров топлива, на котором машина способна преодолеть 400 километров. Этот, казалось бы, уже неплохой результат побил «Некар-4» – следующий и наверняка не последний прототип на пути к массовой продукции.
Помимо концерна "Даймлер-Крайслер", исследования и разработку автомобилей с топливными элементами ведут многие фирмы – «Форд» и "Вольво", «Ниссан» и "Рено", "Мазда"… И хотя предстоит еще решить массу проблем на пути к серийному выпуску таких машин, по прогнозам "Даймлер-Крайслер", одна только эта компания сможет наладить выпуск от 40 до 100 тысяч штук автомобилей на топливных элементах уже в ближайшие 4-5 лет».
Ги Негр, конструктор «Формулы-1», основал фирму MDI, где занялся созданием нового двигателя – гибридного. В нем в качестве топлива, в частности, может выступать воздух!
Негр решил отказаться от классической схемы, когда все действия происходят в одном цилиндре. У него используется два: один объемом в 270, а другой в 755 кубических сантиметров. Цилиндры соединены клапанами со сферической камерой в 20 кубических сантиметров.
При работе двигателя на бензине в малом цилиндре происходит всасывание и сжатие горючей смеси, которая затем выталкивается в камеру сгорания. Там она поджигается искровым разрядом и сгорает при постоянном объеме (оба клапана камеры закрыты). Затем открывается клапан, ведущий в цилиндр расширения (большой).
У такой схемы ряд преимуществ. Фаза сгорания отделена от расширения и намного продолжительнее, чем в обычном двигателе, поэтому новый мотор может работать на предельно обедненных, медленно горящих смесях, ему не нужен глушитель, а токсичность выхлопа сравнима с обычным городским воздухом.
При работе на сжатом воздухе процессы в двигателе практически не изменяются. Казалось, цель достигнута, но Ги Негр принялся за новый двигатель и новый автомобиль. Он назвал его TOP – «такси с нулевым загрязнением». Такое название отражает концепцию: в этой машине не будет бензиновой подпитки, только сжатый воздух.
«Еще в проекте автомобиль вызвал огромный интерес не только у специалистов, – сообщает журнал «За рулем», – но и у власть предержащих. Так, в Мексике парламентская комиссия по транспорту заинтересовалась разработками французских инженеров, и после посещения мексиканцами в 1997 году завода в Бриньоле был подписан контракт о постепенной замене всех 87 тысяч такси Мехико, самой загазованной столицы в мире, машинами с чистым "выдохом". Собирать «TOP-модели» будут на месте – французы построят за океаном завод под ключ.
Предвидим возражения: дескать, для того чтобы закачать в баллоны воздух, нужна энергия, а электростанции – тоже источники загрязнений. Авторы проекта посчитали конечный КПД в цепочке "нефтеперегонный завод – автомобиль" для бензинового, электрического и «воздушного» автомобиля: 9,4, 13,2 и 20 процентов соответственно – «воздушник» лидирует с заметным отрывом.
Новый мотор во многом повторил уже обкатанный гибридный. Однако теперь поршни стали дольше «зависать» в мертвых точках (80 процентов времени) благодаря особым проскальзывающим муфтам на коленчатом валу. В цилиндр засасывается не наружный воздух, а часть выхлопа. Нет систем зажигания, впрыска топлива, бензобака. Зато под днищем аккуратно расположились четыре карбоновых (почти невесомых!) 50-литровых резервуара для сжатого воздуха. Его запаса (200 л при 200 атм.) хватает на 500 километров при скорости 40 километров в час или на 100 километров при 90 километрах в час.
При торможении энергия рекуперируется – компрессор высокого давления закачивает наружный воздух обратно в баллоны. «Заправлять» автомобиль можно двумя способами. От воздушной магистрали высокого давления – 2-3 минуты (по западным ценам всего за полтора доллара) или от электросети: тот же компрессор накачает баллоны за 4 часа – быстрее, чем заряжается электромобиль».
С 2001 года TOP должны появиться в продаже, причем по всему миру: уже продано 19 заводов мощностью 2000 автомобилей в год каждый – в Австралию, Новую Зеландию, Южную Африку, Мексику, Испанию, Францию, Швейцарию.
Машина «Формулы-1»
В 1894 году состоялись первые в истории автомобильные гонки по трассе Париж – Руан длиной 127 километров. К участию в них допускались автомобили с любыми двигателями. Заявки подали 102 гонщика. Однако только 21 автомобиль сумел взять старт (14 из них имели двигатели внутреннего сгорания, 7 – паровые двигатели), а закончили гонку только 13 бензиновых и 2 паровых автомобиля. Первый приз поделили «Панар» Левассора (который сам вел машину) и «Пежо» с двигателями Даймлера. Они показали среднюю скорость 20,5 километров в час.
Гонки «Формулы-1» стартовали в 1950-е годы. Сегодня машина этого класса стоит порядка 6000000 долларов. Болид «Формулы-1» – компьютер на колесах, мощности которого вполне хватит, чтобы обеспечить полет «Шаттла». Бортовая ЭВМ непрерывно фиксирует более 100 параметров. Часть информации она оставляет в своей оперативной памяти, остальную по телеметрии передает на стационарный компьютер в боксе. С его помощью механики и инженеры следят за основными параметрами двигателя – оборотами, температурой, давлением, расходом горючего, а также оценивают другие критичные характеристики – например, температуру подвески правого заднего колеса.
В общем, бортовой компьютер его помощник и друг. Но не единственный, конечно. Не забывают о пилоте и в боксах. Время от времени следуют команды по радио типа: «Мика, увеличь подачу горючего на единицу…» Или: «Дэвид, на следующем круге меняем колеса…» И команды эти безукоснительно выполняются гонщиками, которые понимают: все обсчитано, со стороны виднее…
Гоночные автомобили создаются на основе новейших технологий. Эти технологии впоследствии часто используются на обычных автомобилях. Так, дисковые тормоза и турбонаддув впервые были испытаны на гоночных автомобилях.
Корпус машин «Формулы-1» делают из сверхлегких материалов, в которые, например, входят углеродные волокна.
Базовая структура не зависит от дизайнера и состоит из трех основных узлов: кокпита, передней и задней подвесок с колесами и двигателя, сблокированного с коробкой передач. Одновременно двигатель служит и несущим элементом конструкции.
Основная часть передней подвески спрятана под носовым обтекателем. Он служит не только для улучшения аэродинамики. Вмонтированная в него толстая прочная стенка предохраняет ноги пилота в случае столкновения машины с каким-либо препятствием на трассе.
При отделке кузова обращают внимание даже на малейшие детали, способные помешать достижению максимальной скорости. Обтекаемая форма – результат кропотливых поисков инженеров и многократных тестов в аэродинамической трубе. Она значительно уменьшает сопротивление воздуха при высоких скоростях, а болиды на прямых едут быстрее трехсот километров в час, что позволяет снизить потребляемую мощность и расход горючего и, конечно же, в результате увеличить скорость.
Для того чтобы машина не теряла устойчивость на высоких скоростях сзади к корпусу крепится антикрыло. Переднее антикрыло обеспечивает машине прижимную силу.
Мощность гоночного двигателя – 850—900 лошадиных сил. Весит такой мотор около 150 килограммов, поскольку максимально облегчен за счет применения высококачественного алюминия для цилиндров, всевозможных легких, но прочных материалов для других деталей.
Жизнь мотора при сумасшедших гоночных нагрузках не очень долгая. Перед началом сезона и между гонками пилот-тестер проезжает сотни километров. На трассе за ним бдительно следит неподкупный модуль и все записывает в свой электронный «кондуит». Поэтому при малейшем «чихе» двигателя команда тут же запускает программу его тестирования. И если какой-то из диагностических тестов показывает, что в двигателе что-то не так, он тут же снимается, пакуется в красивый алюминиевый контейнер и отправляется производителю. А на автомобиль ставят запасной.
Во время гонки команде остается лишь молиться, чтобы с двигателем ничего не случилось. Его смена исключена. Другое дело шины.
На рубеже 1950—1960-х годов конструкторы гоночной техники поняли, насколько важно для скоростного автомобиля сцепление колес с дорогой. Почти полтора десятка лет с тех пор гоночные шины толстели и пухли не по дням, а по часам, пока, наконец, ширина профиля не превысила диаметр. Но тут вмешалась ФИА и ограничила размеры гоночных покрышек, повернув тем самым мысли шинных инженеров с экстенсивного на интенсивный путь. Ведь увеличить сцепление колес с дорогой можно не только за счет большего пятна контакта, но и применяя материалы большей вязкости. Так к началу 1980-х годов появились сверхмягкие шины.
Все гоночные шины похожи друг на друга больше, чем близнецы. Единственное отличие – на протектор некоторых нанесен рисунок, в то время как у других (их большинство) ровная матово-черная поверхность. Это так называемые слики – логический результат поисков увеличения максимального пятна контакта шины с поверхностью трассы. Появившиеся в 1970 году (до этого считалось, что рисунок способствует охлаждению покрышки), они теперь применяются повсеместно – не только в «Формуле-1», но и на любых других гоночных автомобилях. Понятно, что преимущества сликов могут проявиться лишь на сухой трассе. Едва пойдет дождь, как автомобиль на таких шинах превращается в настоящую «корову на льду». Для сырой погоды используется «дождевая» резина с канавками, ускоряющими расставание шины с влагой.
Современная покрышка имеет бескамерную радиальную конструкцию с каркасом из нейлонового корда различной толщины. Кордовые волокна герметизированы слоем резины, чтобы предотвратить их взаимное трение, при котором выделяется тепло. Беговая дорожка изготовлена из смеси натурального и синтетического каучука, сажи, масел и смол. Точный состав строго засекречен.
Конструкторам удалось так подобрать состав резиновой смеси, что шина буквально прилипает к трассе. Однако, как легко догадаться, такая резина недолговечна. Не потому, конечно, что действительно липнет к асфальту. Разогреваясь во время гонки, а оптимальная рабочая температура покрышки – в пределах 100 градусов Цельсия, смесь подвергается воздействию химических реакций, в свою очередь, еще более повышающих температуру внутри шины – свыше 120 градусов. Это приводит к тому, что покрышка как бы «закипает», начинает пузыриться и, в конце концов, разламывается на куски.
Еще в 1980-е годы остановки для смены колес были, в общем, случайными. Пилот заезжал в боксы на «пит-стоп», только если повредил шины во время столкновения с другим автомобилем, или съехал с трассы и на покрышки налипла грязь, или во время резкого торможения асфальт, как рашпилем, стер резину с заклинившего колеса.
Но с появлением шин разной жесткости менеджеры смекнули, что вместо одного комплекта более твердых и долговечных покрышек можно использовать мягкие сверхскоростные шины, заменив их в ходе гонки. Это дало выигрыш в несколько секунд, однако привнесло в соревнования дополнительный драматизм.
Для обслуживания автомобилей в боксах с 1994 года занято около двадцати человек. По три механика занимаются с каждым колесом, двое работают с домкратами спереди и сзади автомобиля, один поддерживает связь с пилотом, трое заправляют болид, двое дежурят с огнетушителями. Такая бригада меняет все четыре колеса и заливает в бак несколько десятков литров горючего за 10-12 секунд. Лучшее время замены колес (дозаправка тогда еще не была разрешена) было показано механиками «Макларена» в 1991 году – 4,28 секунды!
Однако до боксов еще нужно добраться – снизить скорость, заехать на «пит-лайн» («гаражный переулок»), потом вновь выбраться на трассу, пропустив мчащихся по ней соперников. В результате «пит-стопа» пилот теряет в общей сложности от 20 секунд до минуты (в зависимости от конфигурации трассы). Поэтому выигрыш от применения двух комплектов мягкой резины должен быть более тридцати секунд, иначе не стоит и огород городить.
Обилие разновидностей гоночной резины и возможность замены ее в ходе гонки привели и к отрицательным результатам. Во-первых, въезд-выезд из боксов означает известный риск и для гонщиков, и для механиков. Но главное – резко возросла стоимость «шинного сервиса».
Пилотов «Формулы-1» иногда называют гладиаторами. Действительно, риск получить увечье на трассе, а то и погибнуть, достаточно велик. Для того чтобы его максимально снизить, кокпит болида делают из особо прочных материалов. Часто во время трансляции гонок можно видеть, как при ударе в отбойник разлетаются в сторону колеса, куски корпуса машины. Кажется, пилоту не спастись, но он жив и здоров благодаря спасительному кокпиту.
Большое значение для безопасности пилота имеет его одежда. На заре чемпионатов мира, в 1950-е годы, одежда могла предохранить гонщика разве что от… легкого ветерка. Сегодняшние одежды формулистов больше напоминают одежду космонавта или пилота сверхзвукового истребителя. Стандарты Международной автофедерации, касающиеся максимального обеспечения безопасности гонщика, очень строги.
Шлем, который из простого головного убора, сделанного из папье-маше и сохранявшего, скажем, прическу, превратился в грозную защиту, превосходящую в эффективности и стальные шлемы средневековых рыцарей. Сегодняшние шлемы весят около 1,2 килограмма и втрое легче первых моделей, которые появились в 1968 году и изготавливались из фибергласа. Прозрачное забрало из материала LEXAN, в 1992 году заменившего стекло, выдерживает лобовой удар камня, пущенного со скоростью 500 километров час.
В современный гардероб пилота входит и страховочный «хомут», необходимый при перегрузках (до 4,5 g), возникающих на длинных, быстрых поворотах, где плохо тренированный пилот свободно может порвать мышцы шеи. Подшлемник («балаклава») сделан из огнеупорной ткани.
Нижнее белье и комбинезон сделаны из огнезащитного материала NOMEX – единственного разрешенного к использованию в «ателье» «Формулы-1». NOMEX гарантирует безопасность гонщика в ацетиленовом пламени: температура 700 градусов Цельсия в течение минимум 20 секунд! Даже нитки, которыми сшит комбинезон, сделаны из NOMEX.
Перчатки также из NOMEX с ладонью, отделанной кожей, обеспечивающей оптимальное сцепление с замшей руля; они сидят в обтяжку и крепятся на руке с помощью ремешков VELCRO. Гоночные ботинки сшиты из кожи и обтянутые, конечно же, NOMEX, имеют к тому же пенистые протекторы для защиты от ударов в кокпите. Подошва сделана из сильно спрессованной резины.
У каждого гонщика есть свои любимые трассы, где ему легче всего проявить свои лучшие качества. Есть легендарная трасса в Монте-Карло, на которой мечтает победить любой гонщик. И есть самая современная трасса, построенная на исходе XX века.
Трасса «Формулы-1» в малазийском Сепанге – стерильное супертехнологичное сооружение, мало похожее на классические трассы вроде Нюрбургринга или Сильверстоуна. Великолепный автодром спроектировала немецкая фирма Германа Тильке «Tilke Engineering amp; Architecture». Сегодня она практически не имеет конкурентов в этой области.
Малазийцы всего за три года завершили строительство гоночного кольца. Для этого пришлось вырубить на площади 250 гектаров банановые рощи. Вместо джунглей тут теперь трибуны с крышей, формой напоминающие банановые листья, колоссальный торговый центр и прочие радости цивилизации. Все это приправлено восточным гостеприимством, потрясающим сервисом и национальными амбициями. На строительство трассы потрачено 120 миллионов долларов.
Михаэль Шумахер охарактеризовал трассу одним словом: «заковыристая». Здесь есть очень быстрые повороты, которые гонщики проходят «педаль в пол» на пятой передаче. И есть совсем медленные, преодолеваемые на второй. Есть две 800-метровые прямые, одна за другой, где скорость за 300 километров в час. Соответственно нагрузка на тормоза – огромная, как в Монце или на немецких трассах.
Все команды и все гонщики виртуально тестировали трассу еще до первого прибытия в Малайзию в 1999 году: на компьютерных симуляторах. Рубенс Баррикелло сказал, что заранее выучил кольцо Сепанга с помощью обычной игровой приставки. Но реальность, как ей и полагается, оказалась сложнее, чем ее имитация. «Трасса выглядит более простой, чем она есть на самом деле, – говорил Ральф Шумахер после свободных заездов. – Повороты медленнее, чем они кажутся с виду, некоторые места на трассе очень скользкие».
Вообще, мнение большинства гонщиков сводится к тому, что трасса техничная, трудная, но красивая и многообещающая. «Здесь есть несколько закрытых виражей, – объясняет Эдди Ирвайн, – в которых ты не видишь выхода из поворота. Плюс к тому есть очень длинные повороты. И поскольку здесь столько поворотов разных типов, очень трудно найти правильный баланс машины. С точки зрения физической нагрузки трасса оказалась не очень трудной, и в машине прохладнее, чем снаружи».
Эдди, конечно, виднее, но после заездов гонщики вылезают из кокпитов в потемневших от влаги комбинезонах, словно только что плавали. А ведь дождя не было.
Менеджеры команд, впрочем, не устают восхищаться инфраструктурой трассы в Сепанге.
«Малайзия заслуживает самых высоких похвал, это кольцо XXI века», – говорил на пресс-конференции Эдди Джордан, владелец одноименной команды. Шеф «Макларена» Рон Денис был короток: «Трасса великолепна!»
Гонки «Формулы-1» стартовали в 1950-е годы. Сегодня машина этого класса стоит порядка 6000000 долларов. Болид «Формулы-1» – компьютер на колесах, мощности которого вполне хватит, чтобы обеспечить полет «Шаттла». Бортовая ЭВМ непрерывно фиксирует более 100 параметров. Часть информации она оставляет в своей оперативной памяти, остальную по телеметрии передает на стационарный компьютер в боксе. С его помощью механики и инженеры следят за основными параметрами двигателя – оборотами, температурой, давлением, расходом горючего, а также оценивают другие критичные характеристики – например, температуру подвески правого заднего колеса.
В общем, бортовой компьютер его помощник и друг. Но не единственный, конечно. Не забывают о пилоте и в боксах. Время от времени следуют команды по радио типа: «Мика, увеличь подачу горючего на единицу…» Или: «Дэвид, на следующем круге меняем колеса…» И команды эти безукоснительно выполняются гонщиками, которые понимают: все обсчитано, со стороны виднее…
Гоночные автомобили создаются на основе новейших технологий. Эти технологии впоследствии часто используются на обычных автомобилях. Так, дисковые тормоза и турбонаддув впервые были испытаны на гоночных автомобилях.
Корпус машин «Формулы-1» делают из сверхлегких материалов, в которые, например, входят углеродные волокна.
Базовая структура не зависит от дизайнера и состоит из трех основных узлов: кокпита, передней и задней подвесок с колесами и двигателя, сблокированного с коробкой передач. Одновременно двигатель служит и несущим элементом конструкции.
Основная часть передней подвески спрятана под носовым обтекателем. Он служит не только для улучшения аэродинамики. Вмонтированная в него толстая прочная стенка предохраняет ноги пилота в случае столкновения машины с каким-либо препятствием на трассе.
При отделке кузова обращают внимание даже на малейшие детали, способные помешать достижению максимальной скорости. Обтекаемая форма – результат кропотливых поисков инженеров и многократных тестов в аэродинамической трубе. Она значительно уменьшает сопротивление воздуха при высоких скоростях, а болиды на прямых едут быстрее трехсот километров в час, что позволяет снизить потребляемую мощность и расход горючего и, конечно же, в результате увеличить скорость.
Для того чтобы машина не теряла устойчивость на высоких скоростях сзади к корпусу крепится антикрыло. Переднее антикрыло обеспечивает машине прижимную силу.
Мощность гоночного двигателя – 850—900 лошадиных сил. Весит такой мотор около 150 килограммов, поскольку максимально облегчен за счет применения высококачественного алюминия для цилиндров, всевозможных легких, но прочных материалов для других деталей.
Жизнь мотора при сумасшедших гоночных нагрузках не очень долгая. Перед началом сезона и между гонками пилот-тестер проезжает сотни километров. На трассе за ним бдительно следит неподкупный модуль и все записывает в свой электронный «кондуит». Поэтому при малейшем «чихе» двигателя команда тут же запускает программу его тестирования. И если какой-то из диагностических тестов показывает, что в двигателе что-то не так, он тут же снимается, пакуется в красивый алюминиевый контейнер и отправляется производителю. А на автомобиль ставят запасной.
Во время гонки команде остается лишь молиться, чтобы с двигателем ничего не случилось. Его смена исключена. Другое дело шины.
На рубеже 1950—1960-х годов конструкторы гоночной техники поняли, насколько важно для скоростного автомобиля сцепление колес с дорогой. Почти полтора десятка лет с тех пор гоночные шины толстели и пухли не по дням, а по часам, пока, наконец, ширина профиля не превысила диаметр. Но тут вмешалась ФИА и ограничила размеры гоночных покрышек, повернув тем самым мысли шинных инженеров с экстенсивного на интенсивный путь. Ведь увеличить сцепление колес с дорогой можно не только за счет большего пятна контакта, но и применяя материалы большей вязкости. Так к началу 1980-х годов появились сверхмягкие шины.
Все гоночные шины похожи друг на друга больше, чем близнецы. Единственное отличие – на протектор некоторых нанесен рисунок, в то время как у других (их большинство) ровная матово-черная поверхность. Это так называемые слики – логический результат поисков увеличения максимального пятна контакта шины с поверхностью трассы. Появившиеся в 1970 году (до этого считалось, что рисунок способствует охлаждению покрышки), они теперь применяются повсеместно – не только в «Формуле-1», но и на любых других гоночных автомобилях. Понятно, что преимущества сликов могут проявиться лишь на сухой трассе. Едва пойдет дождь, как автомобиль на таких шинах превращается в настоящую «корову на льду». Для сырой погоды используется «дождевая» резина с канавками, ускоряющими расставание шины с влагой.
Современная покрышка имеет бескамерную радиальную конструкцию с каркасом из нейлонового корда различной толщины. Кордовые волокна герметизированы слоем резины, чтобы предотвратить их взаимное трение, при котором выделяется тепло. Беговая дорожка изготовлена из смеси натурального и синтетического каучука, сажи, масел и смол. Точный состав строго засекречен.
Конструкторам удалось так подобрать состав резиновой смеси, что шина буквально прилипает к трассе. Однако, как легко догадаться, такая резина недолговечна. Не потому, конечно, что действительно липнет к асфальту. Разогреваясь во время гонки, а оптимальная рабочая температура покрышки – в пределах 100 градусов Цельсия, смесь подвергается воздействию химических реакций, в свою очередь, еще более повышающих температуру внутри шины – свыше 120 градусов. Это приводит к тому, что покрышка как бы «закипает», начинает пузыриться и, в конце концов, разламывается на куски.
Еще в 1980-е годы остановки для смены колес были, в общем, случайными. Пилот заезжал в боксы на «пит-стоп», только если повредил шины во время столкновения с другим автомобилем, или съехал с трассы и на покрышки налипла грязь, или во время резкого торможения асфальт, как рашпилем, стер резину с заклинившего колеса.
Но с появлением шин разной жесткости менеджеры смекнули, что вместо одного комплекта более твердых и долговечных покрышек можно использовать мягкие сверхскоростные шины, заменив их в ходе гонки. Это дало выигрыш в несколько секунд, однако привнесло в соревнования дополнительный драматизм.
Для обслуживания автомобилей в боксах с 1994 года занято около двадцати человек. По три механика занимаются с каждым колесом, двое работают с домкратами спереди и сзади автомобиля, один поддерживает связь с пилотом, трое заправляют болид, двое дежурят с огнетушителями. Такая бригада меняет все четыре колеса и заливает в бак несколько десятков литров горючего за 10-12 секунд. Лучшее время замены колес (дозаправка тогда еще не была разрешена) было показано механиками «Макларена» в 1991 году – 4,28 секунды!
Однако до боксов еще нужно добраться – снизить скорость, заехать на «пит-лайн» («гаражный переулок»), потом вновь выбраться на трассу, пропустив мчащихся по ней соперников. В результате «пит-стопа» пилот теряет в общей сложности от 20 секунд до минуты (в зависимости от конфигурации трассы). Поэтому выигрыш от применения двух комплектов мягкой резины должен быть более тридцати секунд, иначе не стоит и огород городить.
Обилие разновидностей гоночной резины и возможность замены ее в ходе гонки привели и к отрицательным результатам. Во-первых, въезд-выезд из боксов означает известный риск и для гонщиков, и для механиков. Но главное – резко возросла стоимость «шинного сервиса».
Пилотов «Формулы-1» иногда называют гладиаторами. Действительно, риск получить увечье на трассе, а то и погибнуть, достаточно велик. Для того чтобы его максимально снизить, кокпит болида делают из особо прочных материалов. Часто во время трансляции гонок можно видеть, как при ударе в отбойник разлетаются в сторону колеса, куски корпуса машины. Кажется, пилоту не спастись, но он жив и здоров благодаря спасительному кокпиту.
Большое значение для безопасности пилота имеет его одежда. На заре чемпионатов мира, в 1950-е годы, одежда могла предохранить гонщика разве что от… легкого ветерка. Сегодняшние одежды формулистов больше напоминают одежду космонавта или пилота сверхзвукового истребителя. Стандарты Международной автофедерации, касающиеся максимального обеспечения безопасности гонщика, очень строги.
Шлем, который из простого головного убора, сделанного из папье-маше и сохранявшего, скажем, прическу, превратился в грозную защиту, превосходящую в эффективности и стальные шлемы средневековых рыцарей. Сегодняшние шлемы весят около 1,2 килограмма и втрое легче первых моделей, которые появились в 1968 году и изготавливались из фибергласа. Прозрачное забрало из материала LEXAN, в 1992 году заменившего стекло, выдерживает лобовой удар камня, пущенного со скоростью 500 километров час.
В современный гардероб пилота входит и страховочный «хомут», необходимый при перегрузках (до 4,5 g), возникающих на длинных, быстрых поворотах, где плохо тренированный пилот свободно может порвать мышцы шеи. Подшлемник («балаклава») сделан из огнеупорной ткани.
Нижнее белье и комбинезон сделаны из огнезащитного материала NOMEX – единственного разрешенного к использованию в «ателье» «Формулы-1». NOMEX гарантирует безопасность гонщика в ацетиленовом пламени: температура 700 градусов Цельсия в течение минимум 20 секунд! Даже нитки, которыми сшит комбинезон, сделаны из NOMEX.
Перчатки также из NOMEX с ладонью, отделанной кожей, обеспечивающей оптимальное сцепление с замшей руля; они сидят в обтяжку и крепятся на руке с помощью ремешков VELCRO. Гоночные ботинки сшиты из кожи и обтянутые, конечно же, NOMEX, имеют к тому же пенистые протекторы для защиты от ударов в кокпите. Подошва сделана из сильно спрессованной резины.
У каждого гонщика есть свои любимые трассы, где ему легче всего проявить свои лучшие качества. Есть легендарная трасса в Монте-Карло, на которой мечтает победить любой гонщик. И есть самая современная трасса, построенная на исходе XX века.
Трасса «Формулы-1» в малазийском Сепанге – стерильное супертехнологичное сооружение, мало похожее на классические трассы вроде Нюрбургринга или Сильверстоуна. Великолепный автодром спроектировала немецкая фирма Германа Тильке «Tilke Engineering amp; Architecture». Сегодня она практически не имеет конкурентов в этой области.
Малазийцы всего за три года завершили строительство гоночного кольца. Для этого пришлось вырубить на площади 250 гектаров банановые рощи. Вместо джунглей тут теперь трибуны с крышей, формой напоминающие банановые листья, колоссальный торговый центр и прочие радости цивилизации. Все это приправлено восточным гостеприимством, потрясающим сервисом и национальными амбициями. На строительство трассы потрачено 120 миллионов долларов.
Михаэль Шумахер охарактеризовал трассу одним словом: «заковыристая». Здесь есть очень быстрые повороты, которые гонщики проходят «педаль в пол» на пятой передаче. И есть совсем медленные, преодолеваемые на второй. Есть две 800-метровые прямые, одна за другой, где скорость за 300 километров в час. Соответственно нагрузка на тормоза – огромная, как в Монце или на немецких трассах.
Все команды и все гонщики виртуально тестировали трассу еще до первого прибытия в Малайзию в 1999 году: на компьютерных симуляторах. Рубенс Баррикелло сказал, что заранее выучил кольцо Сепанга с помощью обычной игровой приставки. Но реальность, как ей и полагается, оказалась сложнее, чем ее имитация. «Трасса выглядит более простой, чем она есть на самом деле, – говорил Ральф Шумахер после свободных заездов. – Повороты медленнее, чем они кажутся с виду, некоторые места на трассе очень скользкие».
Вообще, мнение большинства гонщиков сводится к тому, что трасса техничная, трудная, но красивая и многообещающая. «Здесь есть несколько закрытых виражей, – объясняет Эдди Ирвайн, – в которых ты не видишь выхода из поворота. Плюс к тому есть очень длинные повороты. И поскольку здесь столько поворотов разных типов, очень трудно найти правильный баланс машины. С точки зрения физической нагрузки трасса оказалась не очень трудной, и в машине прохладнее, чем снаружи».
Эдди, конечно, виднее, но после заездов гонщики вылезают из кокпитов в потемневших от влаги комбинезонах, словно только что плавали. А ведь дождя не было.
Менеджеры команд, впрочем, не устают восхищаться инфраструктурой трассы в Сепанге.
«Малайзия заслуживает самых высоких похвал, это кольцо XXI века», – говорил на пресс-конференции Эдди Джордан, владелец одноименной команды. Шеф «Макларена» Рон Денис был короток: «Трасса великолепна!»
Реактивный автомобиль TRUST SSC
21 августа 1991 года Эл Тиг разогнал по солончаковой равнине Бонневил (Юта, США) автомобиль собственной конструкции «Спид-О-Мотив Спирит оф 76» до 684,322 километров в час. Это на сегодняшний день рекорд скорости для автомобилей с колесным приводом.
До сих пор некоторые люди считают, что колесный привод себя не исчерпал и последнее слово он еще скажет, и вообще нет предела совершенству. Но, в любом случае, надо признать: им не сравняться по скорости с реактивными автомобилями.
Сам по себе реактивный наземный транспорт потенциально вполне безопасен, но… смотря при какой скорости. По теории, любой объект, превысивший скорость 330 метров в секунду (1188 километров в час) при стандартных условиях (то есть на уровне моря при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении) генерирует мощные механические колебания. Последние, естественно, достигают земли под автомобилем, затем отраженные от нее волны переменного давления ударяют в его днище…
В 1979-м Стан Барретт промчался с околозвуковой скоростью на своем Budweiser Rocket по полигону военно-воздушной базы Эдвардс. Согласно официальному отчету, задние колеса буквально отскакивали от земли и Барретта вытряхнуло из сиденья задолго до конца пробега.
Новое поколение сверхзвуковых автомобилей скорее напоминает эскадрон небольших самолетов-истребителей. Вышеупомянутая механическая вибрация гасится трубчатым фюзеляжем, а элероны не дают машине покинуть землю.
В 1983 году англичанин Ричард Нобл на реактивном Trust II официально установил наземный мировой рекорд скорости: 1019,26 километра в час. От заветного предела – скорости звука – его отделяли какие-то 169 километров в час! Но прошло пятнадцать лет, когда наконец-то мечта многих гонщиков сбылась и звуковой барьер был взят.
В борьбе за преодоление «сверхзвука» участвовало сразу несколько знаменитых гонщиков и фирм.
Арт Арфонс прославился 26 (!) моделями гоночных машин с авиамоторами. Всю серию оформлял дизайнер Джон Диэр Грин, посему она получила название Green Monster. Первый «монстр», построенный в домашних условиях в 1965 году и оснащенный турбореактивным двигателем «General Electric J79-GE-15A», принес Арфонсу и первую победу – ни много ни мало, 923,2 километра в час! В ноябре 1966-го – очередной мировой рекорд: 976 километров в час!
До сих пор некоторые люди считают, что колесный привод себя не исчерпал и последнее слово он еще скажет, и вообще нет предела совершенству. Но, в любом случае, надо признать: им не сравняться по скорости с реактивными автомобилями.
Сам по себе реактивный наземный транспорт потенциально вполне безопасен, но… смотря при какой скорости. По теории, любой объект, превысивший скорость 330 метров в секунду (1188 километров в час) при стандартных условиях (то есть на уровне моря при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении) генерирует мощные механические колебания. Последние, естественно, достигают земли под автомобилем, затем отраженные от нее волны переменного давления ударяют в его днище…
В 1979-м Стан Барретт промчался с околозвуковой скоростью на своем Budweiser Rocket по полигону военно-воздушной базы Эдвардс. Согласно официальному отчету, задние колеса буквально отскакивали от земли и Барретта вытряхнуло из сиденья задолго до конца пробега.
Новое поколение сверхзвуковых автомобилей скорее напоминает эскадрон небольших самолетов-истребителей. Вышеупомянутая механическая вибрация гасится трубчатым фюзеляжем, а элероны не дают машине покинуть землю.
В 1983 году англичанин Ричард Нобл на реактивном Trust II официально установил наземный мировой рекорд скорости: 1019,26 километра в час. От заветного предела – скорости звука – его отделяли какие-то 169 километров в час! Но прошло пятнадцать лет, когда наконец-то мечта многих гонщиков сбылась и звуковой барьер был взят.
В борьбе за преодоление «сверхзвука» участвовало сразу несколько знаменитых гонщиков и фирм.
Арт Арфонс прославился 26 (!) моделями гоночных машин с авиамоторами. Всю серию оформлял дизайнер Джон Диэр Грин, посему она получила название Green Monster. Первый «монстр», построенный в домашних условиях в 1965 году и оснащенный турбореактивным двигателем «General Electric J79-GE-15A», принес Арфонсу и первую победу – ни много ни мало, 923,2 километра в час! В ноябре 1966-го – очередной мировой рекорд: 976 километров в час!