М. Монокок

[Schumofil]

М. Монокок

В конструкции современного болида Ф1 монокок составляет основу безопасности пилота. При сотрясениях, при авариях он должен обеспечить пилоту полную безопасность, но в то же время весить как можно меньше – около 35кг. Монокок должен выдерживать огромные силы, вызываемые проходом поворотов, перегрузками и, наконец, столкновениями. Другое назначение монокока – служить центральным элементом болида, к которому крепятся все его части и детали. Со всех сторон монокок окружен сминаемыми структурами (носовой обтекатель, на который крепится передний спойлер, стойки заднего спойлера, боковые понтоны), призванными частично поглощать энергию удара.

История появления монокока

На заре Формулы-1 безопасность болидов была крайне низка. Машина строилась в виде пространственной фермы из стальных труб. Высокая посадка гонщика, вкупе с отсутствием ремней безопасности, еще больше усугубляли положение пилотов в случае столкновения. Непрочные кокпиты деформировались при авариях, в пилотов летели обломки, нередко они просто вылетали из машины на асфальт или под колеса других автомобилей. Единственное, что могло хоть как-то защитить гонщика – это был мотор, расположенный перед пилотом, но в конце 50х, с внедрением заднемоторной схемы, и эта ненадежная защита исчезла.

Правда, обратной стороной заднемоторной компоновки болида, внедренной Джоном Купером, владельцем и конструктором команды Cooper, была более низкая «полулежачая» посадка гонщика, что несколько повышало безопасность пилота.

Подлинная революция пришла в Формулу-1 в 1962 году, когда Колин Чемпен и Лен Терри представили свой Lotus 25 – первую формульную машину, использовавшую принцип несущего монокока. Сама по себе идея была не нова – по такой схеме еще с начала ХХ века создавались фюзеляжи самолетов, да и автомобильные конструкторы эпизодически пытались использовать наработки авиастроителей. Но именно Lotus 25 стал первым серийным гоночным автомобилем, в котором была реализована эта идея.

Сварная структура из стальных труб в новом Lotus была заменена несущей конструкцией из двух параллельных D-образных дюралюминиевых секций, соединенных литыми алюминиевыми поперечинами и панелями пола. Сзади два лонжерона служили опорой для двигателя. По бокам машины в полых секциях помещались топливные баки. По сравнению с трубчатыми рамами – фермами – монокок имел значительно большую (примерно на 50%) жесткость на кручение, что позволяло точнее настраивать ходовую часть автомобиля в зависимости от особенностей трасс. Кроме того, монокок обеспечивал лучшую защиту пилота в случае аварии, поскольку был менее подвержен деформации при ударе.

Конкуренты оценили новинку Чэпмена по достоинству, и уже в 1963 г. целый ряд команд последовало примеру Lotus, подготовив шасси в виде монокока.

С тех пор основное развитие конструкции монокока идет в направлении увеличения его жесткости. С одной стороны, это позволяет обеспечить более высокую степень безопасности гонщика, с другой – повысить эффективность его работы в условиях перегрузок. Так, в том же 1963 году алюминиевый монокок BRM был обшит панелями из дерева. Спустя несколько лет появляется первый первый монокок-"сэндвич" - между двумя листами из алюминиевого сплава конструктор McLaren Робин Херд разместил слой дерева легких пород, что позволило еще больше повысить жесткость конструкции.

В 70х годах практически все команды Формулы-1 переходят к использованию монокока. Одновременно идет поиск оптимальной формы конструкции и материалов для его изготовления, ведь перегрузки, действующие на монокок с ростом скоростей и внедрением граунд-эффекта, стремительно возрастают. В середине 70х впервые появляются композитные материалы. Пионером считается McLaren M26, созданный в 1976 году – некоторые его детали были выполнены в виде 6-угольной ячеистой сотовой структуры из углеволокна.

В 1981 году на трассы Формулы-1 вышел первый автомобиль, монокок которого был полностью выполнен из композитных материалов – McLaren MP4 конструкции Джона Барнарда. В то же время в Lotus также вели разработку машины из карбоновых и кевларовых волокон. Однако Lotus 88 так и не смог стартовать в гонках и был запрещен из-за несоответствия регламенту.

Несмотря на то, что композиты были чрезвычайно дороги и трудоемки в производстве (в то время на создание одного монокока уходило более 3 месяцев), их использование произвело настоящую революцию в Формуле-1. Прочность и жесткость конструкций выросла сразу в несколько раз. Уже к концу 80-х практически все команды обзавелись печами-автоклавами для изготовления шасси из углеволоконных «сот», пропитанных вязкими эпоксидными смолами.

Изготовление монокока

Изготовление монокока из углепластикового волокна занимает примерно от 2 до 4 недель. Сначала изготавливается специальная форма (матрица) из искусственного материала, точно повторяющая форму монокока. Такая форма затем покрывается карбоновым волокном, после чего сглаживается и покрывается специальным составом для форм. После этого первоначальная форма убирается, и внутри полученной модели накладывают несколько слоев карбона. Затем слои прижимаются к матрице специальным вакуумным мешком, и вся конструкция отправляется "пропекаться" в печь-автоклав. В зависимости от структуры углеволокна, связующих и стадии технологического процесса выпечка происходит при температуре 130–160С, под давлением до 6 Бар. После того, как выложен и "пропечен" последний слой углеволокна, почти готовый монокок соединяется для жесткости с алюминиевой сотовой конструкцией, половинки монокока складываются, и он снова "пропекается" в автоклаве. После этого монокок готов к проведению специальных краш-тестов ФИА, призванных обеспечить его прочность и готовность защитить гонщика в болиде.

Прочность монококов – капсулы безопасности – проверяется с помощью специальных креш-тестов, которые были введены ФИА еще в 1985 году. С тех пор требования этих тестов с каждым годом изменялись исключительно в сторону ужесточения требований, а с 1997 года кроме испытаний на скручивание, лобовое и боковое столкновения был введен еще и тест на удар сзади. Сегодня монокок должен выдерживать задний удар на скорости 15 метров в секунду, во фронтальном направлении скорость удара составляет 14 метров в секунду. Капсула безопасности должна выдерживать трехтонные боковые удары и двенадцатитонный удар в верхней ее точке – в районе воздухозаборника.