Формула 1

Маховик, который притворялся электромотором

Светлое пятно инженерной изобретательности в болоте стандартизированных электрогонок.

Гонщик Икс сам немного удивился, что поднятая им тема про акустических шпионов срезонировала со всплывшей новостью про календарь Формулы-Э и через призму ле-мановского упоминания о «Крайслере Пэтриоте» с его маховиком для накопления энергии, выдала самую поразительную историю из этого чемпионата, способную перекрыть даже достопамятные генераторы.

Вы думаете, в «Формуле-1» жульничают по-крупному? Э, нет. Скотт Мэнселл с канала Driver61 раскопал инновацию в ФЭ, заставившую нас снять шляпу перед инженерами, занимающимися проектом.

В автоспорте инженерные сенсации редко начинаются с пресс-релиза. Чаще - с чего-то странного. В случае с «Ниссаном» из ФЭ таким странным обстоятельством оказался звук.

Инженеры одной из команд разбирали записи бортового аудио соперников - обычная практика, если хочется понять, чем живет чужая силовая установка. Но у электромобиля «Ниссан» обнаружилась любопытная особенность. Вместо одной характерной частоты электромотора присутствовали сразу две. Более того, одна из них вела себя совершенно нелогично: при торможении частота росла, а при разгоне - уменьшалась.

Так электромоторы не работают. Если только один из них не выполняет совсем другую работу.

Уроки чтения между строк

История началась в 2017 году, когда перед инженерами поставили почти безумную задачу: найти не десятую секунды, а секунду с круга. Подобные выигрыши не появляются благодаря новому диффузору (что в ФЭ запрещено, так как шасси стандартное) или удачной калибровке инвертора. Приходится возвращаться к фундаментальным ограничениям.

В Формуле-Э их было всего два. Количество энергии, разрешенной на гонку, и максимальная мгновенная мощность. Оба параметра жестко ограничивались регламентом.

Значит, вопрос следовало сформулировать иначе. Можно ли получить на колесах больше мощности, не забирая ее из батареи?

Звучит как попытка обмануть физику. На самом деле инженеры собирались обмануть вовсе не физику, а формулировки регламента.

Самый древний гибрид в истории

Идея оказалась неожиданно древней. Не аккумулятор, не суперконденсатор, не химический элемент. Маховик!

Технология, которая была известна еще гончарам несколько тысячелетий назад, отлично умеет запасать кинетическую энергию вращения. Проблема заключалась лишь в том, что использование маховика в машине Формулы-Э правила запрещали.

Зато разрешали использовать два электромотора. Большинство производителей этим даже не пользовались. Второй мотор означал дополнительную массу и сложность без очевидной выгоды.

Именно здесь инженер (а нынче уже целый академик) Кристофер Вагг увидел лазейку.

Электромотор сам по себе представляет вращающуюся массу. Если раскрутить его до неприличной скорости, он начинает работать как самый настоящий маховик. Формально - это второй двигатель. Фактически - накопитель энергии.

 

Планетарная передача вместо сцепления

Самое интересное было впереди. Нельзя было просто раскрутить второй мотор и отключить его сцеплением. Регламент требовал постоянной механической связи между обоими двигателями. Выручила планетарная передача.

По сути, она стала зеркальным отражением автомобильного дифференциала. Если обычный дифференциал распределяет скорость одного входа между двумя полуосями, то здесь два двигателя объединялись в один выход на ведущие колеса.

Это позволяло одному мотору ускоряться или замедляться независимо от другого, оставаясь полностью соединенным с трансмиссией.

Юридически конструкция была безупречной. Инженерно – умопомрачительно изящной.

Вариатор без вариантов

На этом преимущества не заканчивались. Электромотор, как и двигатель внутреннего сгорания, имеет область максимального КПД (она гораздо выше, чем у термических двигателей, но все-таки не 100%). За ее пределами энергия начинает уходить в тепло. Большинство машин Формулы-Э работали с фиксированным передаточным отношением, неизбежно жертвуя эффективностью на разных участках круга.

Система «Ниссан» неожиданно получила еще одну способность. Изменяя относительные скорости двух электромоторов через планетарный механизм, инженеры фактически создали бесступенчатую трансмиссию. Без ремней и шкивов получился эдакий вариатор.

Передаточное отношение непрерывно менялось, удерживая оба двигателя рядом с наиболее эффективной рабочей точкой. Получилась трансмиссия, одновременно выполнявшая функции коробки передач, накопителя энергии и системы управления эффективностью.

Обход пределов

В том сезоне регламент разрешал рекуперировать не более 250 кВт при торможении. Все, что превышало этот предел, механические тормоза превращали в тепло. В «Ниссане» молча предложили другой сценарий.

После достижения лимита основные 250 кВт продолжали поступать в батарею, а избыток энергии раскручивал второй мотор до огромной скорости. На выходе из поворота этот запас возвращался обратно на колеса. Пока остальные участники буквально грели тормозные диски, «Ниссан» сохранял значительную часть энергии и повторно использовал ее на разгоне. Фактически инженеры получили преимущества сразу в двух фазах круга - при торможении и при ускорении.

Сто тысяч оборотов

Разумеется, за красивой идеей скрывались каверзные инженерные проблемы. Чтобы накопить заметное количество энергии, второй мотор пришлось раскручивать примерно до 100 000 об/мин. Для понимания масштаба: окружная скорость ротора превышала скорость звука. Центробежные нагрузки пытались буквально разорвать ротор. Инженерам пришлось усиливать его углеволоконной оболочкой.

Воздух создавал настолько большие потери, что двигатель поместили в вакуумную камеру. Но вакуум требовал герметичного уплотнения вращающегося вала. А внутри еще работали зубчатые передачи, которым требовалась смазка, - и масло на таких скоростях тоже начинало становиться источником серьезных потерь.

 

Иногда самая сложная часть проекта - вовсе не идея, а борьба с последствиями ее реализации.

Инженер-оптимизатор

Уже построив систему, в «Ниссане» столкнулись с новой задачей. Когда именно использовать накопленную энергию? В начале прямой? В конце? На каждом торможении? Или только после самых тяжелых зон замедления? Количество возможных комбинаций оказалось настолько велико, что человеческая интуиция перестала работать. Пришлось обращаться к математической оптимизации.

Специалисты «Канопи Симулейшнз» (Canopy Simulations) построили полноценную модель автомобиля и доверили поиск решения алгоритму, который одновременно подбирал траекторию, точки торможения, положение педали акселератора, скорости обоих электромоторов, распределение энергии и даже тепловые режимы.

Компьютер неожиданно предложил стратегию, противоречившую человеческой логике.

Вместо того чтобы сначала расходовать энергию батареи, а затем подключать маховик, оказалось выгоднее делать наоборот. Сначала использовать накопленную кинетическую энергию, а электричество оставить на вторую половину прямой. Так автомобиль дольше сохранял «полный газ».

Именно подобные открытия и объясняют, почему современный инженерный автоспорт все чаще выигрывается не только в аэродинамической трубе, но и внутри оптимизационных алгоритмов.

Быстро и очень неудобно

Гийом Удо (Guillaume Oudot), тогдашний гоночный инженер команды «Ниссан», вспоминает, чтопервая версия машины оказалась почти неуправляемой. При выходе из поворотов дополнительная энергия иногда возвращалась настолько резко, что задние колеса срывались в пробуксовку. В квалификациях «Ниссан» был практически недосягаем. В гонках - регулярно проигрывал собственному характеру. Добавились перегрев, повышенная масса, механические проблемы.

Четыре двойных схода подряд выглядели совсем не так, как представляли себе создатели проекта.

Но постепенно инженеры приручали систему. К середине сезона скорость начала превращаться в результаты. Появились лучшие круги, затем пришла и первая победа. Причем, по признанию самих разработчиков, автомобиль использовал лишь около трех четвертей своего потенциала.

Следующий сезон обещал стать настоящей демонстрацией инженерского превосходства. Но продолжения не случилось. После давления со стороны соперников ФИА изменила регламент и фактически запретила концепцию с двумя электромоторами. Причина была понятна. Подобную трансмиссию невозможно было быстро повторить: слишком необычная архитектура, слишком сложная механика.

Автоспорт - это далеко не только борьба гонщиков с секундомером. Это, в большинстве своем, бесконечная охота за идеей, которая прячется между строк технического регламента даже в том чемпионате, где, казалось бы, ничего интересного нет.

Найти такую лазейку невероятно трудно.

Сделать так, чтобы она еще и работала, - почти искусство.