Формула-1: Гибридные технологии и их влияние на гонки
На прошлых выходных по трассе Зандвоорт в последний раз прошли этапы, на которых соревновались болиды Формулы‑1. Двигатели в машинах Макса Ферстаппена и его коллег — сложнейшие технические изделия. Журнал AANDRIJFTECHNIEK погружается в тему гибридных силовых установок и выясняет, почему всё это техническое совершенство не везде вызывает восторг.
Легендарный Энцо Феррари знал, где его инженеры должны были расставить приоритеты. По его мнению, внимание прежде всего следовало уделять не кузову, а мотору. Когда в шестидесятые годы знания по аэродинамике росли и конструкторы Формулы‑1 создавали всё более компактные, лёгкие и обтекаемые машины, итальянец оставался при своём мнении. «Аэродинамика — для тех, кто не умеет сделать приличный мотор», — говорил Феррари. По его задумке мотор должен был находиться впереди машины, а не сзади, как это в то время было у большинства автомобилей. «Лошадь тянет повозку, она её не толкает», — ворчал «Комманданторе». Однако вскоре выяснилось, что даже маркированный расфокусом подход не оправдался: и сам «ревущий конь» из Маранелло в итоге стал выпускать болиды с мотором сзади.
В последующие десятилетия оказалось, что Феррари был неправ. Развитие шасси Формулы‑1 шло бешеными темпами, тогда как моторостроение отставало. Британская тюнинговая фирма Cosworth при финансовой поддержке Ford в конце шестидесятых предложила атмосферный трёхлитровый V8 Cosworth DFV, который надолго стал эталоном для гонок Формулы‑1. Переход к турбинам: от нестабильного зарождения до инструмента прогресса произошёл благодаря Renault, которая в конце семидесятых создала турбодвигатель 1,5 л для Формулы‑1. Технология была ещё молода: «турбопровал» был настолько велик, что пилоты приходилось заранее давить на газ, чтобы к выходу из поворота имелась нужная турбонагрузка. Двигатель перегревался и порой разваливался словно граната. Конкуренты глумились над легко воспламеняющимся Renault RS01, но уже вскоре Renault одержала первую победу с турбомотором, когда их гонщик выиграл этап домашнего Гран‑при.
Под давлением автомобильной промышленности турбонаддув в восьмидесятых сделал огромный рывок, пока международная федерация не запретила турбины из‑за высокой стоимости, хрупкости, неэффективности и чрезмерной мощности: в лучшие годы формульные турбомоторы выдавали свыше 1100 л.с. из 1,5 литра. Турбонаддув вернулся в начале второго десятилетия нынешнего века, но уже в сочетании с гибридными технологиями. На дорогах появились первые автомобили с регенеративным электрическим вспомогательным мотором, и автопроизводители рассчитывали перенести технологии из гонок в серийное производство, чтобы оправдать огромные затраты на разработку гоночных моторов.
Ключевой стала система восстановления кинетической энергии KERS — способ сохранять энергию при торможении, которая ранее терялась в виде тепла, и использовать её электрическим мотором в помощь двигателю внутреннего сгорания. Турбина удачно вписалась в эту схему. Гибридные решения в Формуле‑1 стали нормой и развивались двенадцать сезонов. Современные моторы — результат жестокой технологической гонки между автопроизводителями, которые выступают на высшей сцене. На момент подготовки материала в элите присутствуют Mercedes — помимо собственного заводского коллектива поставляющий моторы McLaren, Williams и Alpine — Ferrari, чьими моторами пользуются Haas и Cadillac, и Honda, снабжающая Aston Martin. Ford формально фигурирует как производитель, но фактически финансирует мотор, разработанный Red Bull, а также в чемпионате дебютирует Audi.
Поскольку независимые моторостроители вроде Cosworth уже не способны тянуть такие затраты, ФИА стремится выработать регламент, приемлемый для автоконцернов; нынешние правила были в том числе сформированы по просьбе Audi и Honda. Ранее техническое регламентирование оставляло больше свободы для оригинальных конструкций. Так, британская BRM когда‑то создала трёхлитровый 16‑цилиндровый мотор с 64 клапанами, представлявший собой два оппозитных восьмицилиндровых блока с отдельными коленвалами; из сорока использований этот агрегат ломался 27 раз. Это всё равно лучше, чем попытка Subaru в одном сезоне с 12‑цилиндровым оппозитом, который даже не сумел пройти квалификацию. В том же году итальянский конструктивный эксперимент с W12 также не увенчался успехом: «дребезжащая» двенадцатицилиндровая конструкция распадалась уже после нескольких медленных тренировочных кругов.
До недавнего времени в состав силовой установки Формулы‑1 входили 1,6‑литровый V6 двигатель внутреннего сгорания (ICE) и MGU‑K — Motor Generator Unit‑Kinetic. MGU‑K работала в двух направлениях: как генератор при торможении для накопления кинетической энергии и как двигатель при отдаче этой энергии. Подобно велосипедной динамо‑машине, она вырабатывает электричество, но при этом создаёт дополнительное сопротивление; команда использует это, чтобы во время торможения собирать энергию, затем отдавая её как вспомогательную тягу. Плюс к этому существовала MGU‑H, где H означает Heat — тепло. Это решение предназначалось именно для Формулы‑1: турбокомпрессор состоит из турбины, приводимой в действие выхлопными газами, и компрессора. MGU‑H позволяла часть энергии, отдаваемой турбиной, преобразовать и хранить в батарее, а затем использовать эту энергию для мгновенного раскрутки компрессора при разгоне, минимизируя турбопровал. Система была крайне сложной и дорогостоящей. MGU‑H оказалась настолько сложной, дорогой и мало релевантной для серийных автомобилей, что автопроизводители не могли применить её в массовых моделях. Это признают и бывшие участники чемпионата; MGU‑H была великолепной инженерной идеей, но неприменимой за пределами Формулы‑1. В результате ФИА убрала MGU‑H из технического регламента.
Однако двигатели от этого не стали проще: до реформы ICE обеспечивал около 80 процентов суммарной мощности, оставшиеся 20 процентов обеспечивала электрическая часть. Для нового регламента соотношение изменили примерно до половины на половину. Двигатель внутреннего сгорания сжали дополнительно — за счёт исчезновения MGU‑H, снижения турбонагрузки и лимита по топливу. Топливо теперь полностью возобновляемое и получают его в том числе из биомассы. Электродвигатель при этом получил значительно большую роль: его мощность почти утроили до 350 кВт, а ёмкость батареи увеличили до девяти мегаджоулей. ICE и MGU в сумме способны выдавать примерно тысячу лошадиных сил.
Несмотря на впечатляющие теоретические параметры, на практике начались трудности: чтобы накопить 350 кВт электрической мощности, пилоты должны при торможении собрать 8,5 мегаджоулей кинетической энергии. На большинстве трасс это оказалось нереализуемо. В результате пилоты стали прибегать к технике «lift and coast», в гоночной среде быстро получившей сокращение «Lico». Суть — заранее сброс газа и небольшое «катание» с последующим торможением, аналогично тому, как автомобилисты подходят к светофору. Для Формулы‑1 это непривычное поведение: пилоты вынуждены раньше уходить в отпуск газа, позволяя MGU через заднюю ось генерировать энергию, и только затем действовать тормозами. Даже этого иногда было мало.
Появился феномен, названный «super clipping»: бортовой компьютер — ECU, Electronic Control Unit — обнаруживает, что для накопления требуемого электрического запаса одного Lico недостаточно, и включает MGU‑K на подхват ещё до того, как пилот начнёт тормозить, в то время как водитель всё ещё держит газ в пол. По ощущениям это похоже на велосипед, который сам крутит свою динамо‑машину, — заметное влияние на обороты и максимальную скорость, что особенно слышно и видно на бортовых видеокадрах, широко используемых трансляцией. Это приводит к тому, что один пилот может держать полную скорость до тормозной отметки, а другой начнёт сбрасывать газ за сотни метров до неё. Подобная разница уже приводила к серьёзным инцидентам: на этапе в Японии столкновение между двумя гонщиками произошло из‑за того, что один врезался с полной скоростью в машину, которая в тот момент подзаряжала аккумулятор. К счастью, оба остались невредимы.
Распределение того, как и где на круге собирать и отдавать энергию, пилоты не определяют вручную. Компьютерные симуляции заранее рассчитывают наиболее выгодную стратегию распределения, иногда диктуя значительное снижение скорости в участках, где ранее проходили на полном газу, чтобы сэкономленная энергия позволила выиграть больше времени на последующем отрезке трассы. Для многих гонщиков это стало последней каплей. Максим Ферстаппен выступил одним из самых громких критиков текущего регламента: по его словам, нынешние правила «уже не имеют отношения к гонкам», поскольку сводятся к постоянному энергоменеджменту. И многие команды разделяют мнение, что цели ФИА по гибридизации зашли слишком далеко.
ФИА планирует скорректировать соотношение электро‑ и двигательной составляющей в сторону восстановления роли ДВС примерно до 60 процентов от суммарной отдачи, а президент организации высказывается и вовсе за возвращение более простых конфигураций, в том числе возможным использованием V8 с небольшой гибридной поддержкой, учитывая наличие возобновляемого топлива. Следующее поколение моторов Формулы‑1, вероятно, появится совсем скоро, поскольку регламенты и технические подходы продолжают меняться в попытке сбалансировать спортивную зрелищность, технологическую релевантность для серийных автомобилей и экономическую устойчивость участников.
