Автомобиль с открытыми колёсами

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Автомобиль с открытыми колёсами (монопост, одноместный болид, формульный болид) — тип гоночного автомобиля, представляющий собой одноместный[1] автомобиль с колёсами, вынесенными из кузова. Этот тип, появившийся в начале XX века — ныне один из самых распространённых типов гоночных автомобилей.

Названия[править | править вики-текст]

Этот тип имеет два названия, указывающие на его конструктивные особенности — в Америке укоренилось название «open wheel car» — автомобиль с открытыми колёсами, тогда как в Европе указывают на его одноместную конструкцию — монопост (англ. single seater, нем., итал., чешск. — monopost). В Америке же технические требования к таким автомобилям начали сводить в специальные документы, получившие название «формул». Постепенно слово «формула» стало фигурировать в названии большинства чемпионатов и серий монопостов, начиная с Формул-1, −2, и −3, что дало повод называть такие гонки «гонками формульного типа». В России слово «формула» все чаще стало применяться и к самим машинам, участвующим в таких гонках. Также и в Западной Европе все шире распространяется термин «formula car».

История[править | править вики-текст]

Луи Шевроле на гонке Кубка Вандербильта 1910 г.

Первые автомобили данного типа появились в США в начале ХХ века, и поначалу были вовсе не одноместными, вместе с водителем в гонке участвовал механик, так как дистанции были большими, а надежность машин невысока. Постепенно гонки переместились на закрытые трассы относительно небольшой длины, а надежность машин выросла, после чего механик переместился на обочину, а позже в специальную зону технического обслуживания. Результаты гонок на «больших автомобилях» начали идти в специальный зачет, ведшийся Американской автомобильной ассоциацией. Так родился первый чемпионат. Технические требования стали сводиться в специальные документы, получившие название «формул».

В Европе гонки на автомобилях с открытыми колёсами стали проводиться в 20-х гг. Новые машины получили название монопостов и они начали участвовать в престижных гонках Гран-При. С 1930 г. результаты некоторых Гран-При стали заноситься AIACR в отдельный зачет, создав личный чемпионат Европы, а в 1946 г. была создана FIA, которая определила основные классы монопостов — Формула-1, −2 и −3. В 1950 г. был организован чемпионат мира, проводимый на машинах Ф1.

Устройство[править | править вики-текст]

Ходовая[править | править вики-текст]

Mercedes W196 — один из немногих монопостов с закрытыми колёсами
6-колёсный Тиррелл П34

Согласно названию, колёса автомобилей должны находиться вне корпуса. Впрочем, бывали и исключения — в 1954 г. команда Ф1 Мерседес, воспользовавшись лазейками в регламенте, выставляла на некоторые гонки, преимущественно скоростные, машины с колёсами, закрытыми лёгким кузовом. В дальнейшем регламент Ф1 был пересмотрен с целью исключения подобных случаев.

Также вне корпуса находится и подвеска. Сейчас это двойной поперечный рычаг с толкаемой либо тянущей штангой (push-rod и pull-rod, соответственно).

Число колёс, как правило, не превышает 4, хотя были случаи и 6-колёсных автомобилей — впервые такой автомобиль появился в 1948 г. в Национальном Чемпионате ААА, в 1976 г. команда Ф1 Тирелл также представила автомобиль с 6 колёсами, однако попытка команды Ф1 Уильямс выставить в 1982 г. шестиколёсный автомобиль натолкнулась на запрет, с тех пор все автомобили с открытыми колёсами имеют их не больше 4.

Двигатель[править | править вики-текст]

Впервые заднее расположение мотора было реализовано на автомобилях Auto Union
Дизель Cummins на родстере для Indy 500
Газотурбинный автомобиль Парнелли Джонса на Инди500 1967 г.
Газотурбинный Лотус 56Б

Двигатель долгое время находился впереди гонщика, приводя в движение заднюю ось посредством карданного вала, так или иначе проходившего через кабину. Впервые иное расположение двигателя — позади кабины — было предложено немецким инженером Фердинандом Порше в 1920-х гг., но реализовано в металле было лишь в 1934 г. в гоночных автомобилях Ауто Унион, построенных под руководством того же Порше. Впоследствии эта схема получила развитие на автомобилях Ауто Унион, но Вторая мировая война положила конец их эволюции, а после войны уже не использовалась. Вновь эта схема была применена уже в 1950-х гг. Эшли Купером. В 1961 г. автомобили заднемоторной схемы дебютировали в США, в 1965 г. выиграли гонку Инди-500, и с тех пор заднемоторная схема стала стандартом для автомобилей с открытыми колёсами, за исключением спринт-каров, используемых для гонок по грунтовым овалам.

Сами двигатели — почти исключительно четырёхтактные поршневые, работающие по циклу Отто, атмосферные или с турбокомпрессорами. В первые годы существования гонок двигатели были сплошь атмосферные, достигая порой огромных величин рабочего объема, до 20-30 литров. После Первой Мировой войны, когда были опробованы механические компрессоры, с приводом от самого двигателя, то, переместившись на гоночные трассы, они вызвали существенное падение рабочих объемов (а следовательно и массы) до 1,5-2 литров в Европе, и 3 литров в Северной Америке. Во время Второй Мировой войны моторостроители освоили производство турбокомпрессоров, с приводом от турбины отработавших газов, но свою дорогу на гоночные трассы они нашли не сразу. Турбокомпрессоры имели турболаг — задержку в раскрутке при изменении режимов работы двигателя, что затрудняло управление ими, уменьшало их надежность. Оборотистые безнаддувные моторы вновь получили широчайшее распространение. Однако моторостроители справились с турболагом, сначала в США, где гонки по овалам не предъявляли больших требований по приемистости двигателя, а затем и в Европе — с 1977 г. команда Ф1 Рено начала активное использование турбокомпрессоров, вначале ненадежных, но затем, в начале 80-х гг. принесших ей титул чемпиона мира, и положивших начало т.н. «турбоэре» в Формуле-1, продлившейся до конца десятилетия, когда турбонаддув был запрещен в рамках борьбы за снижение стоимости участия. В Северной Америке CART использовал турбодвигатели до самого конца своего существования в 2008 г. В начале XXI столетия прогресс в технологиях и рост цен на нефть привели к росту спроса на двигатели с турбокомпрессором, более дешевые и экономичные по сравнению с прежними моделями.

В американском чемпионате проводили опыты с дизельными двигателями (долгие гонки по овалам благоприятствуют дизелям с их узким рабочим диапазоном и меньшим удельным расходом топлива), также в Америке и в Европе были попытки применения газовых турбин. При этом если на американских овалах турбина продемонстрировала все свои положительные качества — турбинный автомобиль едва не выиграл Инди-500, после чего турбина попала под запрет — то на европейских трассах, с частыми разгонами и торможениями, турболаг оказался неистребимым недостатком.

Топливо долгое время никак не регламентировалось, что привело к использованию сложных алкогольных смесей, порой настолько токсичных, что требовался полный слив по окончании квалификации, иначе на следующий день двигатель оказывался безнадежно испорчен. Однако такие смеси повсеместно оказались под запретом, уступив место «коммерческому» бензину (предполагалось, что бензин с октановым числом 100 можно найти в коммерческой продаже), к которому разрешались некоторое количество присадок (до 1%). В США бензин в 1960-х гг. уступил место менее взрывоопасному метанолу, а в 2000-х гг его сменил, в свою очередь, в рамках борьбы за экологию, этанол.

Дополнительные источники энергии встали на повестку дня в конце 90-х гг., когда команда Ф1 Макларен начала разработку системы рекуперации энергии торможения, однако FIA быстро запретила это, но десять лет спустя, в связи с ростом технологий и цен на бензин, подобные системы были вновь разрешены, хотя их использование, в силу дороговизны, ограничено лишь сериями высочайшего уровня, вроде Ф1.

Аэродинамика[править | править вики-текст]

В начале XX столетия вопросы аэродинамики не сильно волновали конструкторов массовых автомобилей, которые еще не развивали высоких скоростей. Гоночные конструкции тех лет уже достигали скоростей, на которых влияние характера обтекания воздухом кузова автомобиля становилось заметно, однако представление об аэродинамике их конструкторы имели как правило довольно смутное: например, кузову придавали сигарообразные обводы, а затем устанавливали его на совершенно открытую угловатую раму, которая сводила на нет весь достигаемый за счёт обтекаемости такого кузова эффект.

Впервые вопросом аэродинамики озаботился Фердинанд Порше на машине Бенца «Падающая капля».

Первая Мировая война дала толчок исследованиям в области аэродинамики, и с возобновлением в 1920-х годах гонок Гран-При некоторые инженеры (как, например, Фердинанд Порше) решили применить каплевидные обтекаемые кузова с закрытыми колёсами. Между тем, основная масса гоночных автомобилей этого периода всё ещё имела открытые колёса. Их создатели исходили из ложной предпосылки — полагали, что снижение сопротивления воздуха за счёт уменьшения лобовой площади (миделя) автомобиля с открытыми колёсами может быть более весомым, чем преимущество имеющего ощутимо большую площадь миделя полностью закрывающего шасси кузова в обтекаемости. Дальнейшие исследования показали обратную картину — уже к началу пятидесятых годов стало понятно, что аэродинамическое совершенство формы кузова намного важнее величины его лобовой площади. После этого автомобили с открытыми колёсами окончательно выделяются в отдельный класс, а полностью закрывающими шасси кузовами снабжаются в основном рекордно-гоночные машины, рассчитанные не на соревнование друг с другом, а на достижение наилучших скоростных характеристик абсолютном измерении.

С середины 1950-х — 1960-х годов требования аэродинамики все больше учитываются при создании гоночных автомобилей, конструкторы стараются добиваться не только уменьшения лобового сопротивления, как раньше, но и увеличения прижимной силы — лёгкие машины не могли реализовать всю мощь своих моторов из-за пробуксовки в поворотах. Монопосты начинают обрастать теми или иными аэродинамическими приспособлениями. Наиболее часто встречаются переднее и заднее антикрылья, прижимающие к дороге соответственно переднюю и заднюю часть автомобиля. Поначалу, в 1968-1969 гг., крылья крепились непосредственно к колёсам на высоких стойках, и снабжались средствами механизации, однако ненадежность таких конструкций (вибрации передавались прямо на крыло) привела к нескольким тяжелым авариям, после чего антикрылья были ограничены в размерах, конструкции и способе крепления к кузову.

Граунд-эффект позволял обходиться без переднего крыла (Lotus 91, 1982)
Диффузор автомобиля Ф1

В 1977 г. команда Лотус представила новое решение — граунд-эффект, заключающийся в ограничении доступа воздуха под днище, посредством особой формы корпуса и заградительных эластичных юбок по бокам. В Северную Америку это решение попало уже на следующий год, на машинах Chapparal. В итоге, к началу 80-х автомобили Ф1 обходились без передних крыльев, прижимная сила была столь высока, что приводила к повреждению колесных дисков, а боковые перегрузки выматывали гонщиков до потери сознания. Однако в 1982 г. граунд-эффект в Формуле-1 был запрещен по соображениям безопасности — он требовал строго фиксированного положения корпуса, что было невозможно обеспечить при подскоках автомобиля на препятствиях. В эти моменты происходил прорыв воздуха под днище, с полным исчезновением прижимной силы, отрывом автомобиля от трассы и его неуправляемым движением (в т.ч. с подлетом) по прямой, в ограждения. В CART граунд-эффект продержался дольше, в силу особенностей овальных трасс, не требующих атак поребриков с последующим подскоком машины. Сейчас граунд-эффект практически везде запрещён, а прижимную силу создаёт диффузор — расположенная в задней части днища открытая сужающаяся П-образная полутруба, ускоряющая протекающий под сильнопрофилированным днищем воздух (Эффект Вентури).

Спринт-кары для гонок на грунтовых овалов полагаются на механическое сцепление широких шин
Маломощные монопосты могут обходиться и без антикрыльев (Автомобиль Формулы 500)

Открытые колёса являются важным аэродинамическим элементом — они имеют большую ширину, а их верхний край движется навстречу набегающему потоку. В итоге они производят серьёзные воздушные завихрения, сильно ухудшающие аэродинамическую эффективность автомобиля (коэффициент лобового сопротивления достигает 1,0-1,2) и, таким образом, не может сравниться со спортпрототипами, у которых колёса закрыты (коэффициент лобового сопротивления 0,3-0,4). Предпринимавшиеся различные попытки закрыть колёса от набегающего потока пресекаются контролирующими органами.

Маломощные монопосты, а также спринт-кары (используемые для гонок на грунтовых овалах) могут вообще не иметь аэродинамических элементов — развиваемые ими скорости не столь велики, механическое сцепление полностью обеспечивается шинами (в случае спринт-каров весьма широкими).

Корпус[править | править вики-текст]

Лотус 72 с радиаторами в боковых понтонах

Корпус монопоста имеет минимальное поперечное сечение, с тем чтобы только закрывать пилота. С 1962 года команда Ф1 Лотус применяет новую конструкцию корпуса с использованием монококов — жёстких пространственных конструкций, более устойчивых к кручению и ударам. Тогда же гонщик изменил свою позицию в кокпите — он больше не сидел более-менее прямо, а занял практически полулежачую позицию. Это не только уменьшило лобовое сопротивление, но и улучшило переносимость перегрузок. В первой половине 80-х в Формуле-1 появились углепластиковые монококи, которые затем широко распространились на все остальные серии. В монококе располагается кокпит — открытая кабина пилота (хотя и предпринимались различные попытки закрыть пилота). Сразу за кабиной располагается дуга безопасности, призванная принимать удары при переворотах машины, нередко дуга интегрирована в верхний воздухозаборник, расположенный над головой пилота с целью обеспечения динамического наддува двигателя (дает до 20 л.с. на максимальных скоростях). Спереди к монококу крепится передняя подвеска и передние аэродинамические элементы, сзади — двигатель, к которому крепится коробка передач, а к той — задняя подвеска и задние аэродинамические элементы. Однако не всегда силовая установка включается в силовую конструкцию кузова, варианты с двигателем в раме, к которой крепятся задние подвеска и аэродинамические элементы также существуют. С 1970 г. команда Ф1 Лотус располагает радиаторы в боковых понтонах, что позволило придать носу машины максимально эффективную с точки зрения аэродинамики форму. Переднемоторные родстеры, использовавшиеся в американском чемпионате, имели асимметричную конструкцию, вызванную особенностями овальных гонок, с поворотами лишь налево — в частности, часть агрегатов была смещена на левый борт.

Трансмиссия[править | править вики-текст]

Полноприводный Cosworth F1, 1969 г.

Привод, независимо от расположения двигателя, чаще всего делался задний, хотя в серии Индикар были попытки использования переднеприводных автомобилей (с целью снижения центра тяжести), а полный привод использовался и в Индикаре, и в Формуле 1. Переключение передач всегда ручное, хотя в последнее время повсеместное распространение получили разработанные ещё для Формулы 1 секвентальные полуавтоматические коробки с переключением подрулевыми переключателями.

Пилотирование[править | править вики-текст]

Автомобили с открытыми колёсами обычно имеют наименьшую массу среди всех гоночных машин своего класса мощности и наибольшую концентрацию мощности среди автомобилей своего веса. Массы монопостов находятся в пределах 455—700 килограммов, а мощности могут достигать и превосходить 1 000 лошадиных сил. Это, а также высокая аэродинамическая оснащенность, определяет их наибольшие возможности по ускорению в поворотах и делает их наиболее быстрыми среди всех гоночных автомобилей.

Прототипы в принципе отличаются лишь закрытыми колесами, а потому теоретически тоже могут достигать таких динамических показателей, но на данный момент такие машины используются лишь в гонках на выносливость, а потому не могут сравниться с монопостами в скорости. В то же время возможна постройка прототипа из монопоста путем установки на него легкого кузова, закрывающего колёса — именно так были построены прототипы Can-Am второй половины 70-х.

Высокие динамические характеристики монопостов накладывают повышенные требования к физической подготовке пилотов. Также автомобиль с открытыми колёсами даёт небольшое преимущество, так как пилоту проще строить траекторию движения из-за того, что он видит колеса авто. Кроме того, пилотирование требует большей аккуратности, монопосты практически не способны переносить без повреждений контакты, а контакт колесо-на-колесо очень опасен ввиду того, что один из автомобилей может взлететь и перевернуться.

Производители машин с открытыми колёсами[править | править вики-текст]

Участники гонок на машинах с открытыми колёсами могут строить их сами (так в Чемпионате Мира Формулы-1), а могут закупать у стороннего производителя (в большинстве остальных случаев). Современные производители монопостов:

Международные чемпионаты на автомобилях с открытыми колёсами[править | править вики-текст]

Автомобили с открытыми колесами участвуют практически исключительно в кольцевых гонках на трассах с твердым покрытием — стационарных, временных или трассах овального типа. Спринт-кары и миджеты используются в гонках по коротким гаревым трекам. Также списанные из других серий монопосты могут использоваться в соревнованиях по подъёму на холм.

Действующие[править | править вики-текст]

В прошлом[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Двухместные болиды изредка строят для обучения или рекламы; гонки среди таких машин не проводятся.