 |
Tigra, он же Яша Гринберг. Один из самых "старых" читателей и друзей сайта. Комодератор нашего "главного" форума и автор раздела "Desktop F1". Могу сказать, что без Яшиной помощи сайт не был бы таким, какой он есть. Данная статья готовилась для "Компьютерры", здесь опубликован полный, авторский вариант. |
Не секрет, что Формула-1 один из самых зрелищных видов спорта и уступает по количеству зрителей только чемпионату мира по футболу (да и то, по самым последним данным, уже не уступает). Тысячи людей на трибунах автодромов и миллионы людей у экранов телевизоров два часа с азартом наблюдают за автомобилями Формулы-1, носящимися по трассе с бешеной скоростью. На прямых болиды развивают скорость вплоть до 348 км/ч (Хоккенхайм - Дэвид Култхард) и те, кто сидят на трибунах видят автомобиль считанные секунды, не всегда успевая различить шлем пилота. Именно скорость делает Формулу-1 столь популярной. А что же позволяет машине Формулы-1 достигать таких скоростей и проходить повороты на скорости в 200 км/ч? Не в последнюю очередь Формула обязана этим компьютерам и различным электронным системам, которыми напичкан современный гоночный автомобиль. Итак, компьютеры - каков же был их путь в королевские гонки, и как развивались электронные системы с годами?
РАЗВИТИЕ И УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
В 1950 году стартовал первый чемпионат мира по автогонкам в классе Формула-1, в ту пору борьба за победы шла между командами Alfa Romeo и Ferrari. Как раз в это время произошел переход от магнето к батарейному зажиганию. Обычная система зажигания с контактным прерывателем при частоте вращения более 100 Гц уже не обеспечивала надежную работу шести- восьмицилиндровых двигателей. Сначала (с 1952 года) был совершен переход на двойную систему зажигания, обеспечивающую до 600 Гц, а затем и на транзисторную, гарантировавшую 1000 Гц.
В 60-е годы в системе питания двигателя находит применение как механический впрыск топлива («Lucas», «Spika»), так и электронный («Bosch», «Kugelfischer»). Система зажигания, применяемая в большинстве гоночных автомобилей, базируется на бесконтактном транзисторном зажигании «Lucas Opus», единственным недостатком которого является повышение потребления энергии в среднем на 75% по сравнению с предыдущими разработками. В 1975 году система зажигания получила дальнейшее развитие с появлением комплекса «Magneti Marelli Dinoplex», имевшего плюс ко всему еще и меньшую массу. Вся система зажигания, состоящая из электронного блока, усилителя, выпрямителя, катушки и ограничителя оборотов, имела массу 5,6 кг. Проведенная вскоре модернизация довела массу системы до 2,8 кг. Новая система зажигания «Magneti Marelli Raisplex», распространившаяся с 1978 года, имела массу всего 1,9 кг.
Постоянное совершенствование системы электрооборудования привело к значительному улучшению ее параметров, повышению надежности и, что немаловажно, к снижению массы. Если все электрооборудование «Феррари 312Т-3» 1978 года весило 13,22 кг, то «Феррари 156 F-1» 1986 года - на 4 кг меньше.
Я не случайно уделяю важное место весу электронных агрегатов болида, в Формуле-1 продолжается нескончаемая «гонка» за снижением веса всех узлов и частей автомобиля, начиная от двигателя и кончая краской, покрывающей машину. Мои слова иллюстрирует мнение одного из руководителей команды "Рено" Жана Саже: "Если из двух аэродинамически равных автомобилей один будет иметь на 50 кг меньшую массу, то в повороте он будет иметь скорость в среднем на 6 км/ч большую». В техническом регламенте современной Формулы-1 полная масса автомобиля ограничивается снизу 600 кг, но, если инженерам с помощью применения новых более легких материалов, удается сконструировать машину легче положенных 600 кг, то они имеют возможность размещать балласт на свое усмотрение там, где это даст преимущество в управляемости автомобиля.
В конце 80-х, начале 90-х годов для обеспечения оптимальной работы всех систем двигателя получили распространение комплексные системы управления двигателем, базирующиеся на 16-битных микропроцессорах. Например, система Bosch MP-1,8 оснащена следующими датчиками:
|
No. |
Назначение датчика |
Кол-во |
Такая структура позволяет обеспечивать программное регулирование угла опережения зажигания в зависимости от оборотов двигателя, положения дроссельной заслонки и давления во впускном трубопроводе, оптимальную дозировку и фазирование впрыскиваемого топлива с учетом температур и давлений в системах смазки, охлаждения и питания. Все применяемые в Фомуле-1 системы отличаются высокой надежностью: к примеру, система «Lucas-468» обеспечивала работу двигателя даже при отказе 95% всех датчиков.
Применение современных систем проектирования позволяет не только обеспечить высокий уровень всех элементов двигателя, но и создать несколько его вариантов (5-6) под специфические условия гонок на городских, скоростных либо сложных трассах с большим количеством поворотов. Для каждой трассы чемпионата мира лучшие команды имеют как минимум по одной специальной модификации двигателя. Времена, когда двух - трех двигателей хватало на весь спортивный сезон, а регулировка и настройка осуществлялись вручную одним «кудесником», безвозвратно прошли.
Вот, что рассказывает о своей работе инженер-моторист команды «Джордан», следящий за работой двигателя в процессе гонки: «Как только автомобиль приходит в движение, на нашем мониторе появляется информация о числе оборотов и давлении масла. Это базовые параметры. Помимо них мы следим за температурой воды, выхлопных газов и давлением воды. Вдобавок - параметры системы впрыска и опережения зажигания, давление в системе пневматического привода клапанов и количество воздуха, оставшееся в маленьких резервуарах, питающих эту систему. Мы также получаем информацию о температуре масла, топлива и степени сжатия, что дает нам возможность следить за состоянием поршней и поршневых колец. В общей сложности 16 «приоритетных» параметров. Потом все данные распечатываются и аккуратно подшиваются - гонка за гонкой, день за днем».
В 1997 году к блокам электронного контроля двигателя, системам накопления и передачи данных, дисплеям на приборной доске, полуавтоматическому управлению коробкой передач, электронной педали «газа» прибавились системы управления дифференциалом, распределения тормозного усилия и усилитель рулевого управления.
Кстати, впервые примененные на болидах Формулы-1 такие системы как АБС (антиблокировочная система - препятствует блокировке колес при торможении) и ПБС (противобуксовочная система - при разгоне автомобиля притормаживает буксующие колеса), сейчас активно используется многими производителями серийных автомобилей. Так называемая, электронная педаль «газа», тоже уже применяется в автомобилестроении. С некоторыми переработками перекочевала с гоночных трасс на обычные дороги активная подвеска, оснащенная датчиками, отслеживающими дорожный просвет под днищем автомобиля, и своевременно корректирующими устройствами. Активная подвеска позволяет при изменении профиля дороги сохранять горизонтальное положение кузова. Внедрение активной подвески в Формулу-1 значительно увеличило скорости машин, что в определенный момент стало небезопасно и слишком дорого для команд аутсайдеров. Для повышения безопасности гонок и увеличения конкурентоспособности слабых команд активная подвеска была запрещена техническим регламентом в 1994 году.
Немногие команды-лидеры, как «Вильямс» и «Бенеттон», разрабатывают некоторое электронное оборудование и программное обеспечение самостоятельно, но все остальные команды полагаются на своих технических партнеров. Главных поставщиков электроники для Формулы-1 три - Magneti Marelli, TAG и Pi Research. Первые два поставляют оборудование и программное обеспечение как для двигателя, так и для шасси, а Pi сосредоточила свои усилия только на шасси. TAG снабжает всей своей продукцией «МакЛарен» и «Джордан», а «Заубер» - системами управления коробкой передач, дифференциалом и приводом педали «газа», а также системой «Атлас», которую швейцарская команда использует для накопления данных о шасси.
Системами управления Magneti Marelli оснащено большинство моторов Формулы-1. Блок «Magneti Marelli Step-7» используется «Рено» и «Феррари». Как и TAG, итальянская фирма производит полный комплект оборудования и программного обеспечения для моторов и систем накопления данных. Так происходит в случае с «Феррари», - единый блок контролирует работу мотора, коробки передач и педали газа. «Вильямс» и «Бенеттон» производят собственные системы управления шасси и коробкой передач, которые должны быть сопряжены с блоком Magneti Marelli, установленным в моторе.
Pi Research обслуживает «Эрроуз», «Стюарт» и «Тиррелл». Все они используют мощный блок управления и накопления данных «Sistem-5STAR». Так как Pi не производит системы управления двигателем, «Sistem-5STAR» сконструирована специально, чтобы легко работать с другими системами. Правда, пользователям приходится писать собственные программы управления коробкой передач, педалью «газа» или другими узлами.
Электронный мозг «Макларена» и «Джордана» - блок TAG-2000. Разработанный в 1996 году, он контролирует функции двигателя и шасси, а также накопление данных. Мощность блока такова, что единственными дополнительными компонентами в автомобиле (за исключением проводки, датчиков и т.д.) являются дисплей на панели приборов, датчик контроля кругов и передатчик телеметрии. Данные, а это около 20 мегабайт информации на каждом круге, передаются в боксы комбинированно - в режиме реального времени и разовыми микроволновыми импульсами.
Ресурс таких устройств достаточно велик: за сезон команда использует десять систем - шесть в гонках и четыре на тестах.
ТЕЛЕМЕТРИЯ
На заре автомобильного спорта гонки в Европе проходили между двумя городами по дорогам общего пользования. Первая такая гонка прошла в 1894 году на трассе Париж-Руан. Участники стартовали кто на чем: главное условие - отсутствие лошадей, движущих коляску. Это первое в истории автоспортивное соревнование выиграла паровая машина! Время прохождения трассы долгие годы засекалось обычными часами.
До наших дней дошла легенда о жене известного гонщика команды «Мерседес» Рудольфа Караччиолы, которая умудрялась в одиночку фиксировать своими секундомерами времена всех пилотов на каждом круге, в каждой гонке!
Швейцарская часовая фирма «Longines», основанная в 1867 году, уже в 1933 году предприняла попытку оснастить автоспорт системой точного замера времени, но лишь в 1937 году совместно с «Philips» это удалось сделать в других дисциплинах спорта. Затем они снова занялись автоспортом, но уже с новым уровнем разработок.
В 1950 году система точного замера времени для автоспорта была создана и разрешена ФИА (Международная Федерация Автоспорта) для официального применения. Впервые она была опробована на Гран При Берна в 1951 году. В 1969 году этот измерительный комплекс был модернизирован и стал электронным, а в 1978 году «Longines» совместно с итальянской фирмой «Olivetti» представила более совершенную систему. Система «Longines-Olivetti» стала одним из неотъемлемых атрибутов чемпионата мира Формулы-1. Именно благодаря совершенству этой системы точного замера времени мы избавлены от накладок и можем наблюдать борьбу команд за сотые и тысячные доли секунд. Между прочим, столь высокая точность замера времени необходима в Формуле-1. На тренировке перед Гран При Европы в 1997 году три!!! пилота показали одинаковое время 1 мин 21.072 сек с точностью до тысячной доли секунды. Кто знает, если такие случаи участятся, может быть, придется перейти на еще более высокоточную аппаратуру. Каждый автомобиль, выезжающий на трассу, оборудован передатчиком, закрепленным в его носовой части. Сигнал, передаваемый при пересечении метки на финишной линии, идентифицируется, и после обработки персональным компьютером Olivetti P-60.66 каждая из команд имеет возможность держать «руку на пульсе» достижений соперников.
Позднее эта система была заменена более совершенной, поставляемой фирмой «TAG Heuer», которая и по сей день используется на трассах чемпионата мира. Главный компьютер, расположенный в специальном фургоне TAG Heuer, получает и обрабатывает информацию от множества датчиков расположенных на трассе. Он контролирует следующие параметры для каждого из 22 автомобилей участвующих в гонке:
Фальстарты
Момент въезда на пит-лэйн
Скорость автомобиля на пит-лэйн
Время остановки на техническое обслуживание
Момент выезда с пит-лэйн
Момент прохождения линии старта-финиша (на некоторых трассах эти линии не совпадают)
Момент прохождения двух промежуточных участков трассы
После обработки компьютер выдает информацию на технические мониторы в боксах и в эфир телетрансляции; своевременно сообщает судьям о нарушениях правил и позволяет распечатать всю накопленную за гонку информацию.
Болид Формулы-1 содержит огромное число датчиков, информация с которых попадает в бортовой компьютер, главный процессор которого заменяется после каждой гонки. Датчики телеметрии расположенные в ступице колеса служат всего 500 км, а в остальных узлах машины они выдерживают до 3000 км.
Контроль над работой электронной системы управления двигателем осуществляется в боксах технического обслуживания. Телеметрическая связь между автомобилем и боксом обеспечивает передачу сигналов в центр приема и обработки телеметрических данных.
При прохождении автомобиля вдоль боксов происходит импульсный сброс накопленной информации (время передачи 0,4-0,5 с). Установленная в боксах система DaRAC (Data Registration Analyze Control) позволяет четко диагностировать техническое состояние контролируемых систем. В случае возникновения внештатных ситуаций радиосвязь между руководством команды и автомобилем позволяет гонщику внести изменения в эксплуатационные режимы той или иной системы. Однако отсутствие возможности непосредственно управлять системами автомобиля приводит зачастую к разногласиям между боксами и гонщиком, в накале борьбы игнорирующим указания руководства. Чтобы исключить человеческий фактор из этого процесса, некоторые фирмы ведут интенсивные испытания автоматической системы двустороннего обмена информацией между компьютерами, установленными на автомобиле и в боксах. Камнем преткновения здесь является обеспечение устойчивого приема-передачи лазерного луча, более чем в два раза сокращающего время сброса информации.
РУЛЕВОЕ КОЛЕСО
Наверное и по сию пору гонщики крутили бы банальную «баранку», если бы ради улучшения аэродинамики болидов Формулы-1 инженеры не придумали максимально сузить рабочее место пилота, а его посадку сделать полулежащей. Так сначала на руль перекочевало управление коробкой передач, а затем и большинство других функций взаимодействия водителя и машины.
По-настоящему революционной в этом смысле стала конструкция МакЛарена-MP4/7 1992 года Айртона Сенны и Герхарда Бергера. На его руль была вынесена дюжина различных кнопок и переключателей. Спустя два года, опять же на МакЛарене, исчезла и педаль сцепления, на смену которой пришел рычаг с обратной стороны рулевого колеса.
Кстати, о коробке передач. Некогда революционная коробка передач для машин Формулы-1 с двумя небольшими рычажками с обратной стороны руля (один для переключения передачи «вверх», другой - «вниз»), лишавшая гонщика необходимости при каждом переключении выжимать педаль сцепления и двигать рычагом, уже несколько лет применяется в серийном производстве дорожных автомобилей. Серийные автоматические коробки передач содержат теперь дополнительный режим ручного управления, при котором движением рычага в одну сторону включается более высокая передача, а в другую сторону - наоборот. При этом сцепление остается автоматическим. Такой тип коробки передач является компромиссным и весьма удачным решением для автомобилей будущего (подобные коробки передач выпускает BMW (Steptronic), Audi (Tiptronic), Volvo (Geartronic) и многие другие).
Между прочим, при обустройстве места пилота инженеры в наибольшей степени прислушиваются к мнению гонщиков. Скажем, для двукратного чемпиона мира Михаэля Шумахера, - чем больше информации на борту, тем лучше. К тому же он предпочитает иметь возможность изменять многие параметры работы машины по ходу гонки. И инженеры идут ему навстречу. Специально для Михаэля техническим партнером команды «Феррари» фирмой Momo был впервые сконструирован «чудо-руль».
Вообще, после того как на приборной доске Формулы-1 появился дисплей, пилоту, по его желанию, стал доступен огромный объем любой информации - время круга, скорость прохождения поворотов, количество оставшихся кругов, расход топлива. Причем появляется она на экране автоматически.
Современные пилоты Гран При держат в руках технологический шедевр, который ценится почти на вес золота. Стоимость такого руля - $80000! (за такие деньги в Москве можно купить новый Mercedes S-класса или 16 автомобилей Жигули). Рули Бенеттон B198 (машин Александра Вурца и Джанкарло Физикеллы) по своей сути являются компьютерами. Приборные панели сейчас почти устарели, и потому вся информация, которая необходима гонщику на трассе, находится у него в руках, в самом центре рулевого колеса. Современные рули делаются из углепластика и алюминия, составляя вместе чрезвычайно крепкое, хотя и легкое Целое. Вместе со всей «начинкой» они весят менее 1,5 килограммов. Обслуживание этого плода конструкторской мысли требует специальной инженерной подготовки.
Электронные компоненты рулевого колеса заменяются после каждых 1000-4000 км, в то время как механические детали могут прослужить половину сезона. Чтобы собрать рулевое колесо «с нуля» инженерам требуется два дня.
ЧТО В «ЧЕРНОМ ЯЩИКЕ»?
«Черные ящики» - это, пожалуй, самая скрытая электроника в гоночных автомобилях, в том смысле, что о них заговорили только после трагической гибели трехкратного чемпиона мира Айртона Сенны на Гран При Сан Марино 1 мая 1994 года. Дело в том, что после аварии два «черных ящика» с разбившейся машины попали в руки заинтересованных людей, а позднее обнаружилось, что на обоих «ящиках» информация частично стерта, частично запорчена. После этого случая ФИА решила ввести стандартные «черные ящики» для всех команд чемпионата и усилить контроль за доступом к ним. Применяемая с 1997 года система ADR (Accident Data Recorder) от Delco Electronics (отделение корпорации Delphi) значительно лучше своих аналогов: она обеспечивает циклическую запись информации с частотой 30 Гц, а также способна к автоматическому переходу на аварийный режим, что дает возможность в течение 20 секунд (15 секунд до аварии и 5 секунд после) производить регистрацию данных с частотой 1000 Гц. Системы ADR Delphi способна выдерживать кратковременные нагрузки при ударе до 250 g!!! Интересно, что все эти характеристики достигаются при сравнительно небольших габаритах 170x170x56 мм, при весе блока всего 1,6 кг.
В АВАНГАРДЕ ПРОГРЕССА
Технический прогресс не остановить. И Формула-1 с ее передовыми технологиями находится на самом острие технического прогресса. Автомобильные фирмы не жалеют денег и вкладывают их в Формулу-1, где они имеют возможность опробовать новые технические решения или агрегаты. Соревнуясь между собой инженеры команд должны с невероятной для массового автомобилестроения скоростью изобретать все новые и новые узлы улучшающие управляемость, динамику или стабильность машины при торможении. Все эти разработки в последствии находят свое применение в дорожных автомобилях, и ими пользуемся мы с вами. Надежные и экономичные двигатели, высокотемпературные автомобильные масла, износостойкие, высококачественные шины, прочные углепластиковые кузова (применяются в штучном производстве очень дорогих дорожных машин), различные электронные устройства, призванные помочь неопытному водителю в управлении автомобилем в предельных режимах - все это пришло в автомобильное производство из Формулы-1. Плюс ко всему этому, участие в гонках Формулы-1 - отличная реклама для любой фирмы, связанной с автомобильной отраслью. Единственное, пожалуй, что применяется в серийном производстве, и не пришло туда из гонок, - это комфортабельные подвески (не считая активной подвески). О комфорте пилота Формулы-1 почти не заботятся; главное - управляемость, а она, как известно, антипод комфортной езды.
Нет никаких сомнений, что такие гонки как Формула-1 являются неотъемлемой частью развития автомобильной промышленности. Без Формулы-1 прогресс в этой области шел бы гораздо медленнее, так как ни одна компания не смогла бы себе позволить проводить столь дорогостоящие исследования без жесточайшей конкуренции на гоночных трассах и рекламного эффекта от гонок. Формула-1 необходима не только в качестве донора передовых технологий в массы, но и как незабываемые по своей красоте и зрелищности спортивные соревнования!
Специально для f1news.ru. Яков Гринберг
