27 мая 2020

Как болиды «Формулы-1» становятся легче и безопаснее? Инженер рассказывает о композитных материалах в гоночных машинах

Насколько прочны композитные материалы на основе пластика, как их используют в болидах для «Формулы-1» и как элементы из углепластика помогают сделать машины быстрее и защитить пилотов? Об этом на вебинаре, организованном Фондом инфраструктурных и образовательных программ (Группа РОСНАНО) и «Бумагой», рассказал инженер, старший преподаватель МГТУ им. Н. Э. Баумана и один из авторов нашей научной рассылки Андрей Новиков — публикуем основные тезисы.

Подписаться на рассылку «Что с нами будет?» можно здесь. Научные письма приходят по пятницам. В них ученые из разных областей рассуждают о том, какие открытия, технологии и явления меняют настоящее и формируют будущее.

Андрей Новиков

инженер, старший преподаватель МГТУ им. Н. Э. Баумана

Композиты придумали в конце XIX века, а сейчас их делают на основе пластика

— Первым осмысленным композитом является железобетон, его придумали в конце XIX века. Именно с этого момента можно говорить о появлении композитных технологий. Собственно, на примере железобетона отлично видна структура материала — у нас есть металлическая сетка и бетон. И мы видим четкую макрограницу между ними.

Сталь, как известно, тоже состоит из двух материалов: железа и углерода. Но она не является композитным материалом, потому что там нет макрограницы — в стали углерод внедряется в кристаллическую решетку железа.

Современные композиты — это материалы на основе пластика: углепластики, стеклопластики и органопластики. В композитном материале пластик подобно тому, как стальная сетка усиливает бетон в железобетоне, усилен волокнами из стекла, углерода или арамида.

Именно волокна воспринимают нагрузку. А для того, чтобы она распределялась равномерно, их «связывают» друг с другом матрицей. Вкратце принцип работы композитов можно описать так: у нас есть какой-то материал, например пластик, и его разрушению препятствуют волокна внутри.

Первый композитный автомобиль — машина Trabant из ГДР

— ХХ век считается веком пластика. Пластик — технологичный материал, легкий, дешевый, но хрупкий. Это проблема. Технологи и конструкторы по аналогии с железобетоном решили армировать пластики — так появились стеклопластики. А в 1970-е годы начались исследования в области углепластиков.

Первый пример массового использования композитов и первый пример массового производства композитного автомобиля — это машина Trabant. С точки зрения техники — ничем не выдающийся автомобиль из ГДР. Однако внешние элементы этой машины изготавливались из дуропласта — материала, который делали из отходов хлопчатобумажного производства и формальдегидной смолы. За счет него машина не ржавела.

Сегодня автомобильная промышленность продолжает использовать композиты. Например, углекерамика — керамика и углерод — применяется в тормозных дисках. Если покупать новый BMW, Mercedes или Audi, то как опцию можно заказать углекерамические тормозные диски. Они дороги — 600–800 тысяч рублей — и для обычных автомобилей в некоторой степени избыточны: в городе нет такой нагрузки на диски, которую выдерживают углекерамические тормоза. На спортивном треке — да, там преимущество очевидно: такие тормоза легче и у них заметно выше рабочая температура.

Композиты активно используют в «Формуле-1» — они легче и защищают пилотов

— Тормоза у болидов «Формулы-1» из углеродистой керамики — это углерод, по структуре похожий на керамику, но не керамика в привычном понимании. Такие тормозные диски получаются сверхтеплостойкими и очень легкими — они в восемь раз легче металлических. Но их средний ресурс — до 1 тысячи километров. В принципе, на одну гонку их и хватает. Это очень дорогие тормоза, только «Формула-1» пока ими пользуется — могут себе позволить.

Также в «Формуле-1» используются углепластики. Из них делают элементы подвески, монокок (это жесткая силовая структура, которая сохраняет гонщику жизнь в случае аварии), руль, сидения. А также дугу безопасности — гало, — защищающую от падения на машину колеса или другого болида.

На гран-при Бельгии 2018 года на болид Шарля Леклера (ныне это гонщик Ferrari) упала машина Фернандо Алонсо. Там произошла небольшая заварушка на старте, машину Фернандо Алонсо подбросило, и она сверху упала на болид Шарля Леклера.

Тогда был первый год внедрения гало, многие критиковали эту структуру — говорили, что она выглядит плохо, затрудняет обзор, но после той аварии, когда именно она спасла гонщику жизнь, вопросы отпали.

Шлемы гонщиков также сделаны из углепластика. По двум причинам: во-первых, безопасность, во-вторых — масса. На гран-при в Сочи есть затяжной левый поворот вокруг Олимпийского парка, там перегрузки достигают 5 g. Для сравнения — на старте «Союза» этот показатель составляет 3 g. Поэтому гонщики «Формулы-1» тощие, но с накачанной шеей, так как мышечная масса — это тоже масса, а в «Формуле-1» всё легкое: и пилот, и машина.

Еще одна авария произошла на гран-при Европы 2010 года. Тогда австралийский пилот Марк Уэббер наехал на колесо впереди идущего автомобиля и вот что случилось.

Болид практически полностью оказался разрушен, но осталась жесткая силовая структура, которая сохранила пилоту жизнь. Причем через неделю после этой аварии Марк Уэббер выиграл гран-при Великобритании. То есть он не получил вообще никаких травм.

Кстати говоря, здесь удар был такой силы, что у болида отлетели колеса. Хотя в «Формуле-1» внутри стержней подвески проложены арамидные тросы и в большинстве аварий колеса не отлетают.

На гран-при Китая команда Toro Rosso экспериментировала с подвеской, и в итоге переборщила с толщиной стержня — после длинной прямой на торможении у гонщика, это был Себастьян Буэми, просто отлетели оба колеса. И он на машине без колес на скорости около 200 км/ч врезался в стену.

Буэми тогда не пострадал. Но, по идее, так быть не должно. Это очень опасно: колесо может попасть в сотрудника трассы, в другого пилота и так далее. В «Формуле-1» каждый год внедряются новые элементы, чтобы сделать этот один из наиболее опасных видов спорта как можно более безопасным для участников.

Бумага
Авторы: Бумага
Если вы нашли опечатку, пожалуйста, сообщите нам. Выделите текст с ошибкой и нажмите появившуюся кнопку.
Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить
Все тексты
Новые тексты «Бумаги»
На «Бумаге» — премьера клипа «Научи меня жить» от группы «Простывший пассажир трамвая № 7»
От хюгге-кэмпа до экофермы: блогеры рекомендуют необычные места для путешествия по Ленобласти
Чем технология 5G будет полезна экономике и почему вокруг нее столько страхов? Рассказывает кандидат технических наук
На Рубинштейна постоянно проходят уличные вечеринки, где веселятся сотни людей. Местные жители жалуются на шум, а полиция устраивает рейды
Как проходило голосование по поправкам в Петербурге: вбросы бюллетеней, коронавирус у членов комиссий и участки во дворах
Мобилизация
В России зарегистрировали новый иск об оспаривании мобилизации. Его подал 48-летний петербуржец
Более 200 тысяч человек мобилизовали в России, заявил Шойгу. Что еще рассказал министр обороны
На границах с Латвией и Эстонией развернули мобильные призывные пункты, рассказал губернатор Псковской области
«Я пересмотрела свой взгляд на государство». Жены мобилизованных — о том, как провожали мужей на войну
За полмесяца из России уехало минимум 300 тысяч человек. Как менялся поток автомобилей на границах: графики
Визовые ограничения
На финской границе развернули более 500 россиян после введения запрета на въезд для туристов. До этого отказы были единичными
Helsingin sanomat: финскую границу закроют для российских туристов сегодня ночью
Финляндия скоро запретит въезд всем российским туристам. Что об этом известно
«Они должны выступить против войны». Что говорят о бегущих от мобилизации россиянах в других странах. Обновлено
Сейм Латвии запретил продлевать ВНЖ россиянам, не владеющим латышским языком, а также выдавать рабочие визы
Давление на свободу слова
Обвиняемый по делу о «фейках» Борис Романов в четвертый раз не явился на заседание горсуда
Петербургскому депутату, просившему обвинить Путина в госизмене, пытались вручить повестку о мобилизации
Роскомнадзор заблокировал Soundcloud
Петербургская прокуратура потребовала признать движение «Весна» экстремистской организацией и запретить ее деятельность
В Ленобласти возбудили уголовное дело против жены активиста Правдина. Ранее его задержали из-за плаката «Русские, вы нелюди»
Свободу Саше Скочиленко
Обвинение Скочиленко опирается на экспертизу, где говорится, что Саша лжет, а военные РФ «гуманны». «Бумага» разобрала документ
«Имея предубеждение — неприязненное чувство…». Саше Скочиленко предъявили обвинение
«Вы совершили тяжкое преступление против государства». Как прошла встреча Саши Скочиленко и омбудсмена Агапитовой — две версии
Саша Скочиленко рассказала про типичный день в СИЗО — с обысками, прогулками в крошечном дворе и ответами на письма
Саше Скочиленко, арестованной по делу о «фейках» про российскую армию, срочно нужно обследование сердца
Экономический кризис — 2022
Сеть H&M закрыла треть своих магазинов в Петербурге
Россияне все чаще покупают криптодоллары, чтобы вывезти деньги из страны. Вот что нужно знать об этом финансовом инструменте
Курс евро на Мосбирже опустился ниже 52 рублей впервые за шесть лет. Что происходит?
Акции «Яндекса» и Ozon с начала войны подешевели на 73 %. Почему российский фондовый рынок уже неделю падает, а рубль нет?
Российский фондовый рынок продолжает падение на фоне новостей о мобилизации. Доллар также растет к рублю
К сожалению, мы не поддерживаем Internet Explorer. Читайте наши материалы с помощью других браузеров, например, Mozilla Firefox или Chrome.