Формула 1

Не греть или не остужать

Что «Макларен» сделал с передними колёсами на «Зандворте». И что могут делать с этими колпаками другие. Хотя в ФИА и не хотели бы этого.

Одной из самых любопытных (для нашего воспаленного воображения) новинок «Макларена» на «Зандворте» оказался вовсе не очередной закрылок. Перед Гран-при технический директор по прикладным разработкам Нил Хоулди (Neil Houldey) совершенно буднично сообщил: МКЛ40 получил новые передние колёсные диски, чтобы помочь с набором температуры шин. Только передние. И команда собиралась использовать их весь уик-энд. Это первая часть истории, в кторой гадать вообще не требуется. 

После гонки появилась вторая. При сравнении машин выяснилось, что вместе с новым ободом «Макларен» применил спереди более закрытый наружный колёсный диск, оставив конструкцию заднего колеса без изменений. Итальянские обозреватели связывают это с уменьшением воздействия холодного наружного воздуха на обод и, соответственно, с более высокой его температурой. В квалификации всё сложилось прекрасно: «Макларен» смог сразу получить рабочую переднюю шину, тогда как некоторым соперникам понадобился дополнительный круг подготовки. Но это всё ещё корреляция, а не термодинамическое признание из Уокинга. 

На этом поставим жирную (не белую) черту. 

Новый передний обод - факт. Более закрытый наружный колпак - факт. Желание получить больше температуры передних шин - прямо подтверждённый «Маклареном» факт. 

А вот утверждение, что «колпак направляет тепло тормозов через диск прямо в пятно контакта» - уже инженерная модель. Вполне разумная, но модель. 

Тем более колесо в «Формуле-1» 2026 года остается весьма обширной областью для инженерных интерпретаций. Дарио Маррафуски (Dario Marrafuschi) из «Пирелли» ещё весной рассказывал, что после либерализации конструкции ободов команды используют полые спицы и внутренние полости, которые в паддоке называют «карманами», и получают заметно разные тепловые режимы. Одним нужно сильнее охлаждать колесо, другим - наоборот, сохранять в нём тепло. Особенно занятно это в 2026-м: машины создают меньше аэродинамической нагрузки, активная аэродинамика разгружает шины на прямых, а рекуперативное торможение отбирает часть работы у фрикционных тормозов. Значит, и привычного потока тепла от тормозных дисков к колесу стало меньше. Переднюю ось зачастую приходится будить дольше задней. Опять-таки, если требуется! 

На «Зандворте» «Макларену» как раз и хотелось разбудить переднюю ось. Но как его может разбудить кусок пластика снаружи колеса? 

Немного обязательной душноты 

Самое первое объяснение, которое приходит в голову, не затуманенную исследовательским зудом, выглядит так: тормозной диск - обод - шина - пятно контакта. 

На самом деле между первым и последним элементом сидит довольно длинная цепочка тепловых сопротивлений, теплоёмкостей и временных задержек. 

Начнём с тормоза. Горячий углеродный диск может передавать энергию окружающим деталям тремя обычными путями. 

Конвекцией: 

Q̇_conv = h · A · (T_disc − T_air), 

где h - коэффициент конвективной теплоотдачи (Вт/(м²⋅К)

A - площадь поверхности контакта (м²). 

Излучением: 

Q̇_rad = ε · σ · A · (T_disc⁴ − T_sur⁴) (да,да, разница температур в 4 степени!), где 

ε - коэффициент излучения (степень черноты) поверхности диска. Он принимает значения от 0 до 1;

σ – 5,67*10^-8 Вт·м⁻²·К⁻⁴ (как раз, чтоб кельвинов в 4 степени сократить). 

Теплопроводностью через механические связи - колокол, ступицу и далее детали колёсного узла: 

Q̇_cond = (k · A / L) · (T₁ − T₂), где 

k - коэффициент теплопроводности материала (в Вт/(м·К)

L - толщина материала, расстояние, которое проходит тепло (в метрах). 

Причём тормозной диск не «дует теплом в шину». Воздух внутри колёсного узла отводит часть энергии, часть получает окружающая конструкция, часть уходит излучением, часть - через ступицу. Обод оказывается одним из элементов этого баланса. 

Для него грубо можно написать: 

C_rim · dT_rim/dt = Q̇_brake→rim + Q̇_hub→rim − Q̇_rim→air − Q̇_rim→tyre 

а охлаждение наружным воздухом приблизительно представить как: 

Q̇_rim→air = h_out · A · (T_rim − T_amb) 

На этом месте на сцену выходит колпак «Макларена». 

Чтобы получить более горячий обод, совершенно необязательно подвести к нему больше тепла. Можно просто постараться отобрать у него меньше. 

Если более закрытая наружная поверхность действительно уменьшает обмен воздуха между холодным внешним потоком и деталями колеса, снижается эффективный коэффициент h_out, меняется расход воздуха около обода или оба эффекта происходят одновременно. При прежнем притоке энергии температура равновесия колеса повысится. 

Иными словами, лучше всего сказать не «МКЛ40 греет шины колпаком», а «МКЛ40 меньше охлаждает переднее колесо». 

Разница кажется филологической только до тех пор, пока не открываешь регламент. 

Дальше тепло должно попасть из обода в саму шину. Здесь путей тоже несколько. Обод непосредственно соприкасается с бортом шины; нагревается внутренняя поверхность колеса и газ; тепло распространяется через борт, боковину, каркас и брекер. Для любого отдельного участка можно снова записать: 

Q̇ = (T_hot − T_cold) / R_th 

где 

R_th = L / (k · A) – термическое сопротивление. 

Одновременно нагревается газ внутри шины. В первом приближении: 

pV = mRT 

и при почти неизменных объёме и массе 

Δp / p ≈ ΔT / T. 

То есть изменение температуры внутренней части колеса нужно команде не только ради температуры резины как таковой. Оно меняет давление, а давление - жёсткость оболочки, её деформацию и геометрию пятна контакта. Именно поэтому в «Пирелли» называет нынешнюю работу с ободами ещё и инструментом управления тем, как давление растёт от стартового значения к установившемуся на серии кругов. 

Тут стоит ещё придраться к термину (bulk). В разговорах им часто называют просто «температуру шины внутри», но в нормальной тепловой модели лучше разделять как минимум три вещи: очень тонкий поверхностный слой протектора, более массивный слой резины под ним - собственно bulk - и лежащие глубже брекер, каркас и внутренний герметик. В современной трёхслойной модели поверхность берут толщиной порядка 0,5 мм: она очень быстро реагирует на асфальт и проскальзывание. Этот ваш bulk служит тепловым аккумулятором, а внутренний слой связан уже и с газом в шине. 

Поэтому тепло, которое пришло от колеса изнутри, вовсе не оказалось в месте, где резина касается асфальта. 

Внутри протектора работает закон Фурье: 

q″ = −k · dT/dх, где 

- q′′ - плотность теплового потока (Вт/м²);

- k - коэффициент теплопроводности материала (Вт/(м·К));

- dT/dx - градиент температуры по направлению x (К/м)

 Знак здесь хорош. Теплу до лампочки, что инженеру «Макларена» надо его доставить в пятно контакта. Оно всегда идёт от горячего к холодному. 

Если поверхность протектора в быстром повороте стала горячее внутренней части протектора, энергия пойдёт с поверхности внутрь. Если после прямой поверхность успела охладиться, а массив остался горячим, направление развернётся, и внутренняя часть начнёт подогревать поверхность – тепло идет наружу. 

Характерное время такого процесса растёт приблизительно как 

t_diff ≈ L² / α 

где 

α = k / (ρ · c_p) - температуропроводность материала:
k - теплопроводность

ρ - плотность материала (кг/м³)

c - удельная теплоёмкость при постоянном давлении (Дж/(кг·К)), показывает, сколько энергии нужно, чтобы поднять температуру единицы массы на один градус. 

 

Для резины её порядок величины - около 10⁻⁷ м²/с. Поэтому несколько миллиметров глубины означают уже десятки или сотни секунд, а не один оборот колеса. Это только оценка масштаба - реальная шина многослойна, армирована и анизотропна, - но она хорошо убивает картинку, в которой тепло от тормозного диска мгновенно пробегает через колесо и появляется под шиной в следующем повороте. 

Да ему это и не обязательно это делать. 

Непосредственно в пятне контакта существует собственная маленькая печь. При проскальзывании часть механической мощности превращается в тепло: 

Q̇_slide ≈ η · F_t · v_slip 

- η - коэффициент перехода механической энергии в тепло (доля работы трения, переходящая в теплоту, часто близка к 1).

- F_t - сила трения.

- v_slip - скорость проскальзывания в пятне контакта. 

При циклическом смятии каркаса и протектора появляется ещё Q̇_hyst – выделение тепла при гистерезисе. 

Современные модели гоночной шины именно поэтому считают отдельно температуру поверхности, массива и внутренних слоёв: тепло рождается и в пятне контакта, и внутри деформирующейся шины, одновременно уходя в трассу и окружающий воздух.

 Значит, цель не обязательно состоит в том, чтобы доставить тормозное тепло до асфальта.

 Для лучшего понимания можно представить холодную переднюю шину как многослойный теплоотвод. Гонщик энергично готовит её на круге выезда, поверхность начинает нагреваться от скольжения и деформаций - а холодная внутренняя масса тут же высасывает часть этого тепла внутрь. Если заранее поднять температуру обода, газа, каркаса и глубинных слоёв хотя бы немного, температурный градиент уменьшается. Поверхностному слою проще добраться до нужного режима и не провалиться обратно после прямой.

 То есть тепло тормозов должно помочь пятну контакта, а не совершать героическое путешествие от тормозного диска непосредственно к асфальту. Оно подогревает тепловой фундамент шины.

 Есть и обратная сторона. Если массив и внутренний газ уже слишком горячие, наружному слою становится некуда отдавать накопленную в поворотах энергию. Одновременно растёт давление. Тогда конструкция, прекрасно работавшая холодным субботним утром на «Зандворте», способна стать совершенно ненужной на трассе с тяжёлыми торможениями и высокой температурой полотна. Именно поэтому в «Пирелли» наблюдают противоположные подходы: одни машины при помощи конструкции колеса стараются сохранять тепло, другие - эффективнее его высвобождать.

 И тут наконец появляется ФИА.

 Наружный колёсный диск сам по себе никакой серой зоной не является. Его форма жёстко ограничена: он должен быть осесимметричным и непрерывным по окружности. Кроме того, регламент запрещает сквозной проход воздуха между внутренней и наружной полостями обода. А отдельным пунктом C10.7.2(k) прямо запрещены элементы, предназначенные для изменения теплопередающих характеристик самого обода; конструкция диска подаётся ФИА на одобрение.

 Ещё жёстче статья C10.8.3. Разрешённое специальное средство нагрева шины – «грелка». Любое иное устройство, система или процедура, предназначенные для нагрева колёс, ступиц или тормозов либо сохранения их температуры, запрещены; отдельно ограничены и способы принудительного охлаждения.

 Поэтому с популярным объяснением про «теплообменник в диске» надо обращаться осторожно. Если читать формулировки буквально, ФИА как раз пытается не допустить отдельной детали, единственная функция которой - быть тайным радиатором наоборот. Но регламент не способен отменить теплопередачу в обычной разрешённой конструкции. Изменили геометрию обязательного колпака - изменилось течение разрешённого воздуха. Изменилось течение - поменялась конвекция. Поменялась конвекция - при том же потоке тепла от тормозного узла установилась другая температура колеса.

 Именно поэтому версия колпака «Макларена» хороша. Это не ещё одна история о секретном канале, по которому инженеры тайком гонят горячий воздух в шину. Судя по тому, что известно сейчас, всё куда прозаичнее - и технически изящнее. Команда использовала новый передний обод ради контроля температуры. На машине действительно появился более закрытый наружный диск. Физика позволяет такому решению уменьшить охлаждение колеса и сдвинуть тепловое равновесие всей передней шины.

 А всё остальное - сколько именно ватт сохранили, какая часть эффекта пришла от колпака, какая от внутренней геометрии нового колеса «Энкей» (Enkei) и насколько это помогло тому самому быстрому кругу в третьем сегменте, - мы можем только предполагать, причем формул (с корнями или без них) у нас нету. Ну, хотя бы разобрались, что не только греют, но и охлаждают. Главное – тепловой баланс. Внутри шины!

• < Назад
• Вперёд >