Формула 1

Сэкономили на базе: «Макларен» заплатил прижимом

Почему короткобазная версия МКЛ40 сначала получила преимущество в массе, а затем упёрлась в собственную геометрию. Задраить форточки! Будет душновато.

Если коротко, то машину укоротили, чтобы она стала легче; когда научились делать её легче другими способами, выяснилось, что отрезанные сантиметры теперь очень пригодились бы аэродинамикам. Именно в таком положении оказался «Макларен» (McLaren) с МКЛ40 (MCL40). Дальше можно не читать.

Нил Хоулди (Neil Houldey), технический директор Макларена по инженерной части, рассказал изданию The Race, а следом и FormulaPassion, что при проектировании машины 2026 года в Уокинге сознательно выбрали сравнительно короткую колёсную базу. Причина была вполне рациональной: новый регламент резко обострил борьбу с массой. Более компактная машина позволила начать сезон с некоторым запасом и затем тратить сэкономленные килограммы там, где они приносили скорость. Но по мере развития МКЛ40 команда научилась облегчать конструкцию другими средствами - и обнаружила, что теперь ей не хватает уже не килограммов, а квадратных сантиметров днища. На 2027 год «Макларен» собирается машину немного растянуть.

Никакой мистики. Просто физика, поразмыслив пару миллисекунд, выставила счёт.

Сначала «Макларен» выкинул килограммы

Регламент 2026 года и без того уменьшил предельную колёсную базу машин «Формулы-1» до 3400 мм. Предыдущее поколение могло растягиваться на 200 мм дальше. Одновременно минимальная масса была снижена, а сама машина стала уже. Иными словами, конструкторов попросили одновременно построить более компактный и более лёгкий автомобиль - после многих лет, когда масса машин только росла.

Поэтому решение «Макларена» выглядело вполне здраво. Укороченный автомобиль потенциально означает меньше материала в силовой структуре, меньше поверхности днища и кузова, более компактную разводку некоторых систем и вообще меньше конструкции, которую надо сделать достаточно жёсткой, чтобы она выдерживала аэродинамические и механические нагрузки.

Причём выигрыш даже от 1 килограмма здесь несколько масштабнее обычного «машина стала легче - значит быстрее».

Если автомобиль действительно находится выше минимальной разрешённой массы (проще говоря, тяжелее оптимального), уменьшение m снижает силу, которую шина должна развивать почти во всех режимах движения.

В повороте:

Fᵧ = m·v² / R

Чтобы двигаться с той же скоростью v по тому же радиусу R более лёгкая машина требует меньшей боковой силы. Шины говорят спасибо.

При разгоне:

aₓ = Fₓ / m

При одной и той же тяговой силе уменьшение массы увеличивает ускорение.

При торможении надо рассеять кинетическую энергию:

Eₖ = m·v² / 2

Меньше масса - меньше энергии приходится превращать в тепло тормозов.

Но есть ещё одна приятная подробность: гоночная шина обладает нагрузочной чувствительностью. Удвоение вертикальной нагрузки обычно не даёт удвоения доступной боковой силы. Поэтому лишние килограммы вредят не только через школьное F = m·a: они заставляют шины работать в менее выгодной области собственной характеристики.

Правда, если машина уже достигла минимально допустимой массы, похудение само по себе секунд не приносит. Зато появляется возможность вернуть массу в виде балласта туда, где конструктору выгоднее получить нужное положение центра тяжести, либо потратить запас на более эффективную, но несколько более тяжёлую деталь.

Именно о последнем говорит Хоулди: короткая машина дала «Макларену» запас, позволивший добавлять характеристики в других областях. То есть короткая база была не ошибкой как таковой.

Это был обмен площади на массу по тогдашнему курсу.

Проблема в том, что курс изменился.

А потом аэродинамики попросили вернуть сантиметры

Прижимная сила днища - это не какой-то непонятный коэффициент, пытающийся описать то, что творится под машиной. В предельно упрощённом виде она является результатом суммирования разности давлений по всей работающей поверхности днища.

В математической записи:

F_z = ∬ Δp(x,y) dS

Здесь Δp - разность давлений между поверхностями, а dS - бесконечно малая часть площади.

Есть два способа увеличить итоговую силу.

Можно сделать больше Δp: сильнее разогнать поток, эффективнее сформировать поле давлений, лучше организовать вход воздуха под машину, работу краёв днища и расширение потока в задней части.

А можно получить больше S - площади, на которой вообще есть возможность создавать эту разность давлений.

Разумеется, длинное днище автоматически хорошим не становится. Можно добавить десять сантиметров абсолютно бесполезной поверхности, испортить пограничный слой и получить только сопротивление.

Но инженер-аэродинамик предпочёл бы сам решить, нужны ему эти десять сантиметров или нет. И вот именно этого выбора короткая база его лишает.

По словам Хоулди, по мере развития днища инженеры «Макларена» поняли, что способны эффективнее использовать дополнительную площадь. На ранней стадии проекта потеря длины почти не выглядела потерей времени на круге; теперь потенциальная рабочая поверхность стала ценнее.

Не короткое днище вдруг стало хуже. В «Макларене» научились извлекать эффективность из днища, и теперь им просто не хватает его площади.

Сто миллиметров

Представим совершенно условно - это не реальные размеры МКЛ40, - что один проект имеет базу 3300 мм, другой 3400 мм. Разница - всего 100 мм, на фотографии почти не разглядеть.

Для инженера-аэродинамика это дополнительная продольная область, в которой можно управлять: формой канала; распределением давления; скоростью развития пограничного слоя; взаимодействием продольных вихревых структур; подводом потока к задней части днища; положением плоскости расположения сил аэродинамического давления.

Причём значение имеет не только дополнительная сила, но и место её приложения.

Если небольшой участок днища создаёт дополнительную силу ΔF_z, её вклад в тангажный момент относительно центра тяжести равен:

ΔMᵧ = ΔF_z · l

где l - продольное расстояние от центра тяжести.

Поэтому один и тот же ньютон прижима в разных местах автомобиля аэродинамически не равноценен. Вся машина живёт не только суммой общей вертикальной аэродинамической силы F_z, но и положением плоскости действия результирующей аэродинамической силы.

Миграция этой плоскости при торможении, разгоне, изменении дорожного просвета, рыскании и повороте руля во многом определяет, получит гонщик спокойную машину или непослушное устройство, которое меняет свой характер между входом и серединой одного поворота.

Поэтому дополнительные сантиметры базы - это не обязательно просто «больше прижима». Это больше пространства для формирования нужной карты прижима.

Но короткая база действительно делает машину проворнее?

Очень хочется написать: короткая база - машина лучше поворачивает. После чего можно закрыть учебник и пойти пить чай.

Суровая правда жизни учит, что расслабляться рано. В чисто геометрической двухколесной модели («велосипедной», когда рассматривается только один борт машины) без увода шин необходимый угол поворота колёс примерно равен:

δ ≈ L / R (вообще, конечно, tan δ = L / R, но при небольшом δ получается δ ≈ L/R)

где L - колёсная база, R - радиус поворота.

При одном радиусе более короткая машина действительно требует меньшего геометрического угла поворота.

Но гоночный автомобиль проходит быстрый поворот не как тележка из супермаркета. Передняя и задняя шины работают с углами увода, возникает момент относительно вертикальной оси, а поведение определяется распределением вертикальных нагрузок, жёсткостями увода, аэродинамическим балансом, характеристиками дифференциала и десятком других вещей.

В свете этого рассмотрим влияние на одну область. Момент инерции машины относительно вертикальной оси (мера того, насколько машина сопротивляется тому, что вы хотите завернуть ее в поворот) можно записать как:

I_z = ∫ r² dm

Масса, расположенная далеко впереди или позади центра тяжести, особенно дорога: расстояние r входит в формулу в квадрате.

А угловое ускорение автомобиля при заданном вращающем моменте:

α_z = M_z / I_z

Или, если говорить непосредственно о скорости рыскания:

dω_z / dt = M_z / I_z

Поэтому более компактная компоновка потенциально позволяет уменьшить I_z и получить более быструю реакцию на возникающий момент рыскания.

Но опять-таки: потенциально.

Достаточно перенести тяжёлый узел к краю машины - и убедительное рассуждение о короткой базе отправляется в мусорку. Геометрический размер автомобиля и распределение его масс - не одно и то же.

Неприятный перенос нагрузки

Есть ещё одна цена короткой базы, уже почти совсем школьно-физическая. При продольном ускорении изменение вертикальной нагрузки на осях в простейшей квазистатической модели:

ΔF_z = m·aₓ·h / L

где:

m - масса машины;

aₓ - продольное ускорение;

h - высота центра тяжести;

L - колёсная база.

Тут у нас база сидит в знаменателе.

Чем машина короче, тем больше продольный перенос нагрузки при одинаковых остальных условиях. Если для иллюстрации сравнить базы 3400 и 3300 мм, не утверждая, что именно такими являются размеры каких-либо двух машин «Формулы-1», то отношение переноса нагрузки будет:

3400 / 3300 = 1,0303

То есть укорочение базы со 3400 до 3300 мм увеличит квазистатический продольный перенос нагрузки примерно на 3,0%.

Небольшая цифра? Возможно.

Только торможение современной «Формулы-1» - это тот случай, когда несколько процентов приходится прикручивать к очень большим силам.

Передняя ось получает больше вертикальной нагрузки, задняя сильнее разгружается. На разгоне происходит обратное. А дальше подключается та самая нагрузочная чувствительность шины: перераспределение нагрузки между осями не просто меняет баланс механического сцепления - оно меняет эффективность использования четырёх пятен контакта.

И здесь очень легко понять, почему нельзя отдельно задавать колёсную базу, отдельно проектировать подвеску, отдельно шины (то есть, хотя бы очень точно знать их нагрузочные характеристики) и отдельно днище. Их физика перемешана до состояния прекрасных наваристых щей.

И аэродинамика добавляет свой перенос нагрузки

Причём настоящая работа МКЛ40 сложнее описываемой нашей формулой ещё на порядок.

При торможении меняются нагрузки на подвеску и дорожные просветы. Машина получает тангаж. Изменяется положение днища относительно дороги. Изменяется расход воздуха под машиной. Меняется поле давлений.

Следовательно, механический перенос нагрузки вызывает изменение аэродинамических сил, а аэродинамические силы вновь меняют нагрузки на колёсах.

Получается замкнутая система:

aₓ → ΔF_z → ход подвески → положение днища → Δp → Fаэро → F_z колеса

И всё это происходит непрерывно на входе в поворот.Вот почему фраза «у Макларена слишком короткая база для днища» позволяет, при желании, развернуть неплохую физическую дискуссию на тему того, а стоило ли оно того или нет.

Команда выбрала не просто длину автомобиля. Она выбрала геометрический коэффициент сразу для нескольких связанных физических систем.

Причем тут антикрылья?

У машин 2026 года добавляется ещё одна особенность: активные переднее и заднее антикрылья переводятся между конфигурациями поворота и прямой. Значит, задача заключается уже не просто в получении максимального отношения прижимной силы к сопротивлению в одной конфигурации, а в сохранении хорошей аэродинамической эффективности при существенно разных состояниях машины. В «Макларене» признают, что соперники сейчас временами эффективнее и в режиме поворота, и в режиме прямой.

А днище-то кнопкой не складывается. Оно остаётся фундаментом аэродинамической платформы.

Не случайно даже после отказа нынешнего регламента от экстремальной концепции эффекта анти-экрана («граунд-эффекта») предыдущего поколения днище снова оказалось одним из главных источников развития МКЛ40.

Если команда сможет получить больше эффективного прижима снизу при приемлемом сопротивлении, ей становится проще разгружать другие аэродинамические элементы, управлять балансом и искать выигрыш не только в максимальном F_z, но и в отношении:

F_z / Fₓ

Иначе говоря - получать ньютон прижима дешевле по курсу ньютонов сопротивления. А пока в «Формуле-1» еще не додумались вводить ограничения по эффективности (прижим/сопротивление), как в МЧМ (FIA WEC), то это остается одной из главных забот конструкторов.

В «Макларене» ошиблись?

Слишком громкое заявление. На раннем этапе проекта команда столкнулась с одной задачей оптимизации: минимизировать массу. И выбрала короткую машину.

Через несколько месяцев ситуация изменилась. Вес удалось снять другими средствами, а развитие днища показало перспективы, которых первоначальные расчёты не обещали.

Теперь функция оптимизации выглядит иначе: максимизировать аэродинамическую эффективность при уже приемлемой массе.

И оптимальная геометрия получилась другой. Недостижимой с нынешней короткой колесной базой.

Так работает практически любое настоящее гоночное конструирование. Не существует «идеальной длины базы», «идеальной жёсткости подвески» или «идеального центра тяжести» самих по себе.

Есть только набор величин, связанных друг с другом. Сдвинул одну - несколько остальных непременно придут за расчётом.

«Макларен» в начале года сэкономил несколько (неизвестных нам доподлинно) килограммов конструкции и получил возможность вложить их в скорость.

Теперь машина достаточно развита, чтобы аэродинамики попросили вернуть им несколько (неизвестных нам в точности) сантиметров. Получат они их только в следующем году.

Получается МКЛ40 уперся не в отсутствие новой идеи, а буквально в конечность собственного интеграла по площади днища.