Lotus 78: Первый болид с эффектом прижатия в Формуле-1

Введение

Формульный болид Lotus 78 использовался в сезонах Формулы-1 1977 и 1978 годов. Он был разработан Питером Райтом, Колином Чапманом, Мартином Огилви и Тони Раддом и стал первым автомобилем с эффектом прижимной силы, основанным на аэродинамике днища, в Формуле-1.

Концепция

В начале 1976 года, вызванный разочаровывающим отсутствием темпа стареющего Lotus 72 в предыдущем сезоне и неудовлетворительной производительностью текущего Lotus 77, основатель Lotus и главный конструктор Колин Чепмен написал 27-страничный документ, в котором изложил новые идеи по снижению аэродинамического сопротивления. Изучив истребитель-бомбардировщик de Havilland Mosquito, он обратил особое внимание на радиаторы, установленные на крыльях, и выходные отверстия горячего воздуха, предназначенные для создания подъемной силы. Чепмен понял, что, будучи перевернутой, такая система могла бы обеспечить значительную прижимную силу. Тщательное изучение принципа Бернулли из гидродинамики подтвердило его размышления о влиянии перевернутого профиля крыла самолета, установленного на автомобиль, и он, наконец, передал документ своему руководителю инженерного отдела Тони Радду. Радд назначил команду для работы над проектом: главного дизайнера Ральфа Беллами, инженера по автомобилям Мартина Огилви и аэродинамика Питера Райта. Радд и Райт ранее работали в BRM, а до прихода в Lotus в 1970 году провели исследовательское проектирование возможности установки перевернутого профиля крыла на один из их автомобилей. Радд испытывал ряд масштабных моделей, но отсутствие подходящих методов тестирования и ухудшающееся положение BRM означали, что разработка так и не вышла за рамки экспериментальной стадии. Однако Райт вспомнил их работу и привлек ее к проекту. Райт приступил к экспериментам с формами кузова болида Формулы-1, используя аэродинамическую трубу и стенд для моделирования движения, и, к счастью, начал получать замечательные результаты на одной из моделей. При более внимательном изучении было обнаружено, что по мере увеличения скорости стенда, профилированная нижняя часть кузова притягивалась ближе к поверхности дороги. Райт экспериментировал с кусками картона, прикрепленными к бокам кузова модели, и уровень создаваемой прижимной силы оказался феноменальным. Результаты были представлены Колину Чепмену, который предоставил команде полную свободу действий для разработки конструкции шасси болида Формулы-1. После серии эскизов и инженерных чертежей, а также дальнейшей работы в аэродинамической трубе в Имперском колледже, автомобиль был запущен в производство. Было построено пять экземпляров под кодовым названием John Player Special Mk. III, также известных как Lotus 78, которые появились в июле 1976 года. Марио Андретти хотел представить автомобиль раньше, возможно, на Гран-при Нидерландов в том же году, но Чепмен отклонил его предложение, не желая, чтобы другие команды узнали о достижениях Lotus. 78 был представлен на первой гонке 1977 года и оказался лучшим автомобилем в сезоне, выиграв пять гонок. Автомобиль оказался относительно простым в настройке и модификации, особое внимание уделялось аэродинамике нижней части кузова и ее взаимодействию с поверхностью трассы, что потребовало более жесткой конструкции подвески для поддержания аэродинамических эффектов.

In early 1976, spurred on by a disappointing lack of pace of the ageing Lotus 72 the previous season and the indifferent performance of the current Lotus 77, Lotus’ founder and principal design engineer Colin Chapman wrote a 27 page document detailing some new ideas on low drag air penetration. Having studied the de Havilland Mosquito fighter bomber, he had paid close attention to its wing mounted radiators, and the hot air outlets that were designed to induce lift. Chapman realised that, inverted, such a system could give significant downforce. Careful examination of Bernoulli's principle of fluid dynamics confirmed his thoughts on the effects of an upturned aeroplane wing profile fitted to a car, and he finally handed the document to his head of engineering, Tony Rudd. Rudd appointed a team to work on the project: chief designer Ralph Bellamy, vehicle engineer Martin Ogilvie and aerodynamicist Peter Wright. Rudd and Wright had previously worked for BRM, and before joining Lotus in 1970 had done a design study into the possibility of an inverted wing profile fitted to one of their cars. Rudd had tested a number of scale models, but lack of the right testing methods and BRM's declining fortunes meant development had never got beyond the experimental stage. However, Wright remembered their work and brought it into the project. Wright then set about experimenting with F1 car body shapes using a wind tunnel and a rolling road, when by happy accident he began to get remarkable results in one of the models. Closer inspection found that as the rolling road's speed increased, the shaped underbody was being drawn closer to the surface of the road. Wright experimented with pieces of cardboard attached to the side of the model car body, and the level of perceived downforce produced was phenomenal. The results were presented to Colin Chapman, who gave the team free rein to come up with an F1 chassis design. After a round of design sketches and engineering drawings and further work in the wind tunnel at Imperial College, the car was put into production. Five examples were built, codenamed John Player Special Mk. III, otherwise known as the Lotus 78 which appeared in July 1976. Mario Andretti wanted to introduce the car early, possibly at the Dutch Grand Prix that year but was overruled by Chapman, as he didn't want other teams discovering what Lotus had achieved. The 78 was introduced at the first race of 1977, and proved to be the class car of the field that season, winning five races. The car proved relatively easy to set up and modify, with particular attention paid to the undercar aerodynamics and their interaction with the track surface, hence a stiffer suspension design which was required to maintain the aerodynamic effects.

Разработка

78-я модель была создана на основе Lotus 72, унаследовав его общую клиновидную форму и внутреннюю компоновку, но с существенными аэродинамическими улучшениями, более оптимальным распределением веса и увеличенной колесной базой. Она имела более тонкий и прочный монокок, изготовленный из алюминиевых листов и сотовой структуры, разработанный на базе 77-й модели. Кузов состоял из стеклопластиковых панелей, усиленных алюминием в ключевых точках шасси. Появление автомобиля вызвало большой интерес, и внешне он казался передовым для своего времени. Внутренне же он представлял собой настоящий качественный скачок. Андретти активно работал над машиной, проведя тысячи километров испытаний на тестовой трассе Lotus в Хетел. Основываясь на открытиях Бернулли, нижняя часть боковых понтонов была профилирована в виде перевернутых аэрофойлов, аналогично традиционным крыльям, но в гораздо большем масштабе. Райт и Чепмен обнаружили, что, формируя днище таким образом, можно ускорить поток воздуха в зазоре между землей и нижней частью машины, тем самым снижая давление воздуха под автомобилем относительно давления над ним. Это создавало значительную разряженность, эффективно прижимая автомобиль к дороге и увеличивая сцепление шин с трассой. Радиаторы были расположены по образцу конструкции радиаторов Mosquito, так, чтобы горячий воздух, выходящий из них, обтекал верхнюю часть кузова, создавая дополнительную прижимную силу. Для максимизации эффекта притяжения монокок был сделан более узким, максимально ограничивая поток воздуха между землей и перевернутой формой крыла. Увеличенная сила прижима к шинам обеспечивала лучшее сцепление и, следовательно, более высокие скорости в поворотах. Этот эффект прижимной силы имел важное преимущество – низкое аэродинамическое сопротивление, в отличие от традиционных крыльев, что означало, что улучшенная поворотная способность не достигалась за счет снижения максимальной скорости. Наоборот, благодаря уменьшенному сопротивлению воздуха, максимальная скорость автомобиля также увеличилась. Первоначально на основании каждого понтона были установлены щетки для поддержания зоны низкого давления под автомобилем. Когда этого оказалось недостаточно, Lotus попробовал пластиковые юбки, но они быстро изнашивались, пока, наконец, не были разработаны подвижные резиновые юбки, которые оказались очень эффективными. Скользящие юбки герметизировали зазор между боками машины и землей, предотвращая попадание избыточного воздуха в зону низкого давления под автомобилем и рассеивание эффекта прижимной силы. Андретти описывал управление 78-й моделью как будто она была "приклеена к дороге". Топливные баки состояли из трех отдельных отсеков: один располагался за спиной пилота, а два – в средней части каждого понтона. Управлять подачей топлива из боковых баков можно было из кабины пилота, что позволяло подавать топливо в двигатель по отдельности или вместе, улучшая характеристики и баланс веса в поворотах. Была использована подвеска от предыдущей Lotus 77, разработанная для быстрой регулировки геометрии. Это позволяло настроить автомобиль под конкретную трассу при необходимости. К сожалению, после первых испытаний было обнаружено, что зона низкого давления под автомобилем расположена слишком далеко спереди, что потребовало разработки большого заднего антикрыла, создающего значительное сопротивление на высоких скоростях. Это особенно заметно было на быстрых трассах, таких как Хоккенхайм и Österreichring, где Ferrari и McLaren были значительно быстрее 78-й модели. Для компенсации Ford предоставил экспериментальные версии двигателя Ford Cosworth DFV, увеличив скорость автомобиля, но при этом снизив его надежность. В 1977 году Андретти столкнулся с не менее чем пятью отказами двигателя, что стоило ему чемпионского титула, который достался Никки Лауде, несмотря на то, что Андретти выиграл четыре гонки и завоевал шесть поул-позиций, в то время как Лауда выиграл три гонки и завоевал две поул-позиции. В конечном итоге, к Гран-при Италии (см. изображение выше) было разработано меньшее крыло, которое значительно снизило коэффициент сопротивления и позволило Андретти одержать популярную победу на домашней трассе. Другой проблемой была задняя подвеска, которая, хотя и была слегка модифицирована для улучшения потока воздуха из задней части понтонов, все еще находилась на пути выходящего потока воздуха, что влияло на устойчивость задней части автомобиля и вызывало избыточную поворачиваемость.

The 78 was loosely based on the Lotus 72, sharing the same basic wedge shape and internal layout, but featuring detailed aerodynamic improvements, better weight distribution and a longer wheelbase. It had a slimmer, stronger monocoque made from aluminium sheet and honeycomb, which was developed from the 77. The bodywork was made up of fibreglass body panels with aluminium used to strengthen the chassis at points. The car created quite a stir when it first appeared, and outwardly seemed ahead of its time. Internally of course, it was a quantum leap ahead. Andretti worked hard with the car, testing for many thousands of miles at the Lotus test track in Hethel. Based on Bernoulli's discoveries, the underside of the sidepods were shaped as inverted aerofoils, in the same vein as conventional wings but on a much larger scale. Wright and Chapman had discovered that by shaping the floor of the car in this way, they could accelerate the air passing through the gap between the ground and the underside, thereby reducing the air pressure under the car relative to that over it. This created significant underpressure, effectively sucking the vehicle down and forcing the tyres harder onto the track. Copying the Mosquito's radiator design, the radiators were positioned so that the hot air escaping would pass over the upper bodywork of the car, creating even more downforce. To make the suction effect as great as possible, the monocoque was slimmer, forcing the air passing through between the ground and the inverted wing shape cover as much as possible. The greater force downwards on the tyres gave more grip and thus higher cornering speeds. This ground effect had the great advantage of being a low drag solution unlike conventional wings, meaning that the increased cornering ability was not compromised by a decrease in straight line speed. If anything, because of the decreased air resistance, the top speed of the car also increased accordingly. To begin with, brushes were fitted to the base of each sidepod to keep the low pressure area under the car. When these proved insufficient, Lotus tried plastic skirts, but these abraded very quickly, until finally moveable rubber skirts were developed which proved very effective. The sliding skirts sealed the gap between the sides of the cars and the ground and prevented excessive air being sucked into the low pressure area under the car and dissipating the ground effect. Andretti described driving the 78 as if it were 'painted to the road'. The fuel tanks were three separate cells, with one behind the driver and one each in the midsection of each sidepod. The sidepod tanks could be controlled from the cockpit by the driver and could be used to fuel the engine separately or together, improving performance and weight bias in cornering. The suspension set up from the previous Lotus 77 was used, with the suspension designed for quick changes in geometry. This helped set the car up for a specific circuit when required. Unfortunately after first tests were done, the low pressure area under the car was found to be too far forward, requiring a very large rear wing to be designed resulting in a lot of drag at high speeds. This was especially noticeable on fast tracks such as Hockenheim and the Österreichring, where the Ferraris and McLarens were much faster than the 78. To compensate, Ford provided development versions of the Ford Cosworth DFV, increasing the car's speed but also sacrificing reliability. Andretti had no fewer than five engine failures in 1977, costing him the world championship to Niki Lauda, even though he had won four races and taken six pole positions to Lauda's three wins and two pole positions. Eventually a smaller wing was designed in time for the Italian Grand Prix (see above picture), which cut the drag factor significantly, and allowed Andretti to take a popular 'home' victory. Another problem was with the rear suspension, which although slightly modified to allow clearer airflow from the rear of the sidepods, was still directly in the path of the exiting air, which affected the stability of the back of the car, causing oversteer.

1977 год

Очевидно, что у Lotus 78 была какая-то особенность, что подтверждают победы Андретти и Гуннара Нильссона в гонке в Бельгии: когда машина работала хорошо, её было почти невозможно обогнать. Другие команды бросились пытаться воссоздать эту особенность в своих конструкциях 1978 года. Проблема заключалась в том, что они не понимали, в чем именно заключался секрет машины, поскольку Чапман и другие члены команды Lotus давали множество различных объяснений её производительности, чтобы скрыть истинную причину, а боковые понтоны скрывали вид на днище автомобиля.

1978 год

78-я модель была достаточно хороша, чтобы оставаться конкурентоспособной в начале 1978 года: Андретти и Ронни Петерсон одержали по одной победе и завоевали еще три поул-позиции, прежде чем ее сменила Lotus 79, которая была настолько же превосходящей 78-ю, насколько 78-я была превосходящей остальным соперникам в 1977 году. Тем не менее, еще одна заводская команда успела стартовать на 78-й. Из-за повреждений, полученных его 79-й моделью на практике, Ронни Петерсон был вынужден использовать резервный болид 78/3 (JPS 17) для квалификации на Гран-при Италии 1978 года. Команда не поддерживала и не развивала этот автомобиль, сосредоточившись на 79-й, и подготовка машины к гонке была проведена в спешке. Хотя его товарищ по команде Андретти, как и ожидалось, завоевал поул-позицию, более медленная 78-я позволила Петерсону занять лишь пятое место на стартовой решетке. Швед оказался вовлечен в серьезную аварию на стартовой линии, в результате которой его автомобиль врезался в ограждение передней частью, полностью разрушив переднюю часть болида. Позже Петерсон скончался из-за осложнений, возникших в результате лечения, полученного после аварии. Оригинальный прототип разработки, 78/1 (JPS 15), был продан Эктору Ребаке. Он использовал этот автомобиль в своей частной команде Rebaque в гонках чемпионата мира в 1978 и 1979 годах, а также в нечемпионатных гонках в начале 1980-х годов. В общей сложности Lotus 78 одержала семь побед, завоевала девять поул-позиций и набрала 106 очков за свою карьеру.