Экзотические материалы в Формуле 1

Технический директор Williams Пэт Симондс на страницах журнала F1 Racing рассказывает о том, как и где в Формуле 1 применяются разнообразные экзотические материалы.

Вопрос: Формулу 1 часто называют испытательным полигоном для новых инженерных технологий. Какие примеры этого можно привести, если говорить о специальных материалах?
Пэт Симондс: Возможно, кто-то считает, что такой материал, как углеродное волокно, был разработан одной из команд Формулы 1 – конечно, это не так. Эта заслуга принадлежит Royal Aircraft Establishment (Королевский авиационный центр или RAE), который запатентовал технологию производства углеволокна в начале 60-х годов прошлого века. Но об этом материале было известно и раньше, ведь ещё Томас Эдисон в 1879 году использовал углерод для изготовления нитей накаливания для своих ламп.

Но технологический прорыв произошёл, когда был освоен метод производства композитного материала из углеродных волокон с использованием полимерных смол. В наши дни на рынке присутствуют разнообразные композитные материалы из углеволокна, которые отличаются высокой прочностью и жёсткостью. В зависимости от фактуры они предназначены для тех или иных уровней нагрузки, но также можно применять разные виды смол – с учётом температурных и прочих условий, в которых будет эксплуатироваться материал.

Вопрос: Правда ли, что в последние годы применение экзотических материалов было ограничено в рамках политики снижения расходов?
Пэт Симондс: Да. Несколько лет назад были введены определённые ограничения, чтобы остановить гонку технологических вооружений. Это привело к тому, что более сложные и дорогие материалы на основе углепластика были в основном запрещены, а также был положен конец разработке новых современных технологий на основе углеродных нанотрубок.

Впрочем, не все дорогостоящие материалы попали под запрет, и по-прежнему разрешено применять золотую отражающую фольгу в задней части монокока, а также композиты на основе стеклокерамики, армированной карбидно-кремниевым волокном, например PyroSic. Они могут выдерживать длительное воздействие температур, превышающих 1000 градусов. В те времена, когда было разрешено применять выхлопные системы, взаимодействовавшие с диффузорами, к днищу машин крепились тепловые отражатели из этого материала, которые стоили по 25 тысяч фунтов стерлингов.

Вопрос: Сейчас много говорят о 3D-принтерах – такие технологии используются в Формуле 1?
Пэт Симондс: Да, причём уже много лет, и сейчас под общее понятие «3D-печати» подпадает множество различных технологий. В Формуле 1 впервые они появились в конце 90-х, когда для создания моделей, которые используются в аэродинамических исследованиях, стали применять лазерную стереолитографию (SLA), она позволила создавать очень сложные по форме элементы аэродинамики, что без таких технологий вряд ли было бы реально.

Но возможности материалов, полученных с помощью SLA, были по-своему ограничены, и команды начали инвестировать средства в технологии выборочного лазерного спекания (SLS), благодаря которым изготавливаются отдельные части машины, которые не являются несущими, например, воздуховоды тормозов, тоже весьма сложные по форме.

Теперь технологии SLS повсеместно применяются и для изготовления металлических частей, в частности, титановых элементов дуг безопасности, предохраняющих гонщика при перевороте машины. При изготовлении выхлопных систем всё чаще используется такой экзотический материал, как Inconel, никелевый сплав, который подходит для технологий аддитивного производства.

Вопрос: А традиционная сталь теперь применяется всё меньше?
Пэт Симондс: Непосвящённым людям может так показаться, но в последние годы ведутся перспективные разработки с использованием этого широко распространённого материала. Например, широко применяется специальная марагеновая сталь, но более совершенные технологии производства позволяют получать и обычную сталь очень высокого качества. В этом году один корейский производитель выпустит первые опытные образцы сплава стали и алюминия, который по плотности и прочности не уступает титану, но стоит в десять раз дешевле.

Вопрос: Используются ли нанотехнологии для повышения качества материалов?
Пэт Симондс: Думаю, будет быстро развиваться производство композитов, армированных с применением нанотехнологий, хотя такие материалы запрещены в Ф1, причём, совершенно напрасно. Но нельзя сказать, что нанотехнологии вообще нельзя использовать. Уже несколько лет применяются металло-матричные композитные материалы (MMC), в которых алюминиевая основа армируется наночастицами карбида кремния, что позволяет добиться впечатляющих прочностных характеристик.

Вопрос: Идёт разработка только самих материалов, или также совершенствуется качество покрытий, которые на них наносятся?
Пэт Симондс: Возможно, в этой области в последние годы наблюдается более заметный прогресс, чем области разработки самих материалов. В первую очередь речь идёт о силовых установках, где на многие детали наносятся различные алмазоподобные покрытия (DLC), когда для снижения износа необходимо добиться более высокой твёрдости поверхности, чем позволяют обычные технологии закалки. Кроме того, благодаря DLC удаётся значительно повысить ресурс деталей коробки передач, например, шестерён.

Вопрос: А если говорить о делах отдалённого будущего – вы ожидаете, что появятся какие-то новые материалы?
Пэт Симондс: Недавно было объявлено о появлении удивительного материала, разработанного учёными Гарвардского университета, специализирующимися в области биоинженерных исследований. Они назвали его 4D-материал, а источником вдохновения для них стали растения, которые умеют менять форму в зависимости от воздействия внешних факторов.

В этом материале находятся определённым образом сориентированные волокна целлюлозы, которые под воздействием воды начинают набухать. При помощи математического моделирования вычисляется, как нужно сориентировать волокна, чтобы объект из такого материала мог принимать нужную форму. Представьте себе крыло, которое в мокрую погоду будет менять форму, чтобы повысить прижимную силу!