«Формула-1» давно зарекомендувала себе як вершина автомобільних технологій. Боліди F1 — це справжні «лабораторії на колесах», де випробовуються інноваційні рішення під час кожного Гран-прі. З іншого боку, аерокосмічна галузь і ракетобудування ставлять не менш високі вимоги до техніки — міцність, легкість, надійність та ефективність є критичними у запуску ракет і космічних апаратів. Тож не дивно, що між автоспортом і ракетобудуванням існує тісний взаємозв’язок. Багато технологій, відпрацьованих у жорстких умовах перегонів «Формули-1», знаходять застосування в проєктуванні ракет і космічних кораблів, і навпаки, деякі рішення з аерокосмічної сфери допомагають командам F1 досягати нових висот.
У цій статті розглянемо, як аеродинаміка та моделювання потоків, провідні системи охолодження, системи телеметрії та управління і системи рекуперації енергії (ERS), народжені на трасах «Формули-1», сьогодні працюють на благо ракетобудування.
Аеродинаміка та моделювання потоків: від боліда до гіперзвукового апарата
Аеродинаміка — ключовий фактор успіху як в автоперегонах, так і в ракетобудуванні. У «Формулі-1» інженери витрачають тисячі годин на вдосконалення обтічності боліда: щоб машина «примагнічувалася» до траси за рахунок притискної сили, але водночас мала мінімальний опір повітря на прямих відрізках. Цей досвід безцінний для конструкторів ракет і космічних літальних апаратів, адже ракета під час старту й апарат під час повернення в атмосферу стикаються з гігантськими аеродинамічними навантаженнями. Значний інтерес до співпраці проявляють самі аерокосмічні гіганти. Ще у 2004 році компанія Boeing уклала меморандум із командою Renault F1 про спільні дослідження та обмін технологіями. У Boeing зазначили, що існують цікаві подібності між технологіями, необхідними для розробки болідів «Формули-1», та продуктами аерокосмічної галузі. В Renault F1 також підкреслили, що це партнерство дозволить використати природні синергії між автоспортом і аерокосмічною індустрією.
Одним із напрямів обміну є Computational Fluid Dynamics (CFD) — комп’ютерне моделювання потоків. У «Формулі-1» CFD-симуляції дозволяють віртуально «обдувати» машину повітрям, шукаючи оптимальну форму спойлерів і дифузорів. Ці ж методи моделювання придатні для аналізу обтікання ракети чи гіперзвукового літального апарата за швидкостей 5–10 Мах. Команда Red Bull Advanced Technologies — інженерний підрозділ Red Bull Racing — відома тим, що застосовує свій досвід в аеродинаміці далеко за межами треку. Наприклад, фахівці Red Bull залучалися до проєктів зі створення швидкісних літаків (програма Red Bull Air Race): вони повністю переробили аеродинамічний пакет гоночних літаків, зробивши їх швидшими та маневренішими. Хоча ті літаки літали «лише» з дозвуковими швидкостями, напрацювання Red Bull можуть бути корисними й у проєктах гіперзвукових апаратів. Не випадково провідного конструктора Red Bull Едріана Ньюї свого часу запрошували до США, щоб долучитися до проєктування космічного апарата. Ньюї зрештою залишився в автоспорті, але сам факт такої пропозиції підкреслює, наскільки високо цінується експертиза F1 у космічній галузі.
Більшість команд «Формули-1» мають власні високотехнологічні аеродинамічні лабораторії, які охоче надають послуги й стороннім клієнтам. Яскравий приклад — аеродинамічний тунель швейцарської команди Sauber (тепер — Alfa Romeo F1 Team). Цей тунель використовується не тільки для болідів, а й для випробувань автомобілів, поїздів та навіть ракет! У вітровому тунелі Sauber тестувалися моделі ракет (наприклад, студенти запускали модель із логотипом Swiss Space Center) — на фото нижче зображена масштабна ракета в аеродинамічній трубі Sauber.
У підсумку, знання про керування повітряними потоками, здобуті на треку, допомагають будувати більш обтічні та стабільні ракети. А спільні проєкти між командними F1 та аерокосмічними корпораціями прискорюють появу нових рішень — від оптимізованих обтічників носових частин ракет до ефективних систем керування потоком повітря навколо гіперзвукових літальних апаратів. Симбіоз цих галузей вже сьогодні приносить плоди, а потенціал для подальших досягнень ще більший.
Провідні системи охолодження: тримаючи холодний розум на швидкості
На швидкісному колі болід «Формули-1» відчуває колосальні теплові навантаження: двигун внутрішнього згоряння, що працює на межі своїх можливостей, гібридна система з акумуляторами та електромоторами, гальма — все це виділяє багато тепла. Якщо не відводити це тепло ефективно, машина швидко втратить продуктивність або взагалі вийде з ладу. Інженери F1 розробили надзвичайно компактні та ефективні системи охолодження: радіатори складної форми, теплообмінники з тонкими каналами, керовані потоки повітря, що охолоджують гальма та силову установку. В космічній техніці проблема охолодження стоїть не менш гостро. Усередині супутників та кораблів працює електроніка, яка має розсіювати тепло в умовах вакууму (де немає повітря для звичайного радіатора), а двигуни ракет під час роботи нагріваються до кількох тисяч градусів — їх доводиться охолоджувати, щоб вони не розплавилися. Тому технології ефективного теплообміну — спільний інтерес автоспорту та ракетобудування.
Співпраця між галузями іноді набуває найнесподіваніших форм. Цікавий випадок: ракетна технологія допомогла команді «Формули-1» зробити прорив у охолодженні боліда, а отже, подібні рішення можуть працювати й навпаки. Британська компанія Reaction Engines розробляє революційний ракетний двигун SABRE для гіперзвукових літаків і космопланів. Одне з її ноу-хау — надпотужний попередній охолоджувач (pre-cooler), що здатен за долі секунди охолодити розпечене повітря (близько 1000°C) до прийнятної температури. Цей пристрій спочатку створювався для ракети, яка летітиме з п’ятиразовою швидкістю звуку, але виявилося, що він чудово підходить і для… боліда «Формули-1»! Інженери команди Mercedes скористалися технологією Reaction Engines, розробивши компактний водяний інтеркулер на основі ракетного прекулера. У результаті Mercedes отримала ультратонкі бокси радіаторів на машині 2022 року, що викликало фурор у паддоку.
Цей приклад наочно демонструє, що рішення для екстремального охолодження можуть бути універсальними. Уявімо зворотну ситуацію: тепер вже напрацювання «Формули-1» в охолодженні можуть знайти шлях у космос. Наприклад, ефективні мікрорадіатори та теплові трубки, спроєктовані для розміщення в тісному корпусі боліда, можуть бути використані в супутниках малого розміру, де кожен грам і кубічний сантиметр на рахунку. Здатність F1-радіаторів розсіювати багато тепла за мінімальної площі — саме те, що потрібно на борту космічного апарата. Щобільше, матеріали, застосовувані для охолодження у «Формулі-1» (сплави з високою теплопровідністю, композити) цілком придатні для роботи в умовах вакууму й космічного випромінювання.
Ще один напрям — охолодження паливом. У болідах «Формули-1» паливо не лише згорає в моторі, а й використовується для охолодження: його пропускають через теплонавантажені вузли, відводячи надлишкове тепло. Схожий принцип давно застосовується в ракетних двигунах (так зване регенеративне охолодження: пальне перед згоранням циркулює через сорочку навколо камери згорання, охолоджуючи стінки). Досвід автоспорту у створенні надійних трубопроводів, помп і теплообмінників стане у пригоді у проєктуванні сучасних ракетних моторів, особливо багаторазових, що мають працювати в широкому діапазоні режимів.
Отже, і у сфері терморегуляції синергія очевидна. «Формула-1» вміє «приборкувати» високу температуру в компактному просторі, а космічна техніка потребує саме цього уміння. Спільні розробки — наприклад, експериментальні системи охолодження електроніки, створені за участі інженерів F1, — можуть підвищити надійність космічних апаратів. У недалекому майбутньому ми цілком можемо побачити елементи систем охолодження болідів на супутниках чи марсоходах, що гарантуватимуть їхню працездатність у найскладніших умовах.
Системи телеметрії та управління: онлайн-зв’язок боліда і космічного апарата
Уявіть собі: болід мчить трасою на швидкості 300 км/год, а десятки інженерів у боксах стежать у реальному часі за сотнями параметрів — швидкістю, температурою шин, тиском мастила, витратою палива, станом батареї, навантаженнями на підвіску тощо. Ця телеметрія — нервова система сучасної «Формули-1». Кожна машина обладнана близько 300 датчиками, які безперервно передають дані на піт-лейн бездротовою мережею. У боксах команди — цілий центр із моніторами, схожий на маленький Mission Control. Зібрані дані аналізуються не лише на трасі, але й миттєво пересилаються через захищені канали до штаб-квартири команди (часто на іншому кінці світу), де ще сотні інженерів у режимі онлайн допомагають ухвалювати рішення. Така складна система стала можливою завдяки розвитку електроніки й програмного забезпечення у «Формулі-1». Компанія McLaren Applied Technologies розробила стандартизований бортовий комп’ютер (ECU) та програмний комплекс ATLAS, які використовуються всіма командами для збору й аналізу телеметрії. Надійність цих систем виняткова — адже збій телеметрії під час перегонів може коштувати перемоги.
У космічній галузі задачі дуже подібні: ракета або космічний корабель також нашпиговані датчиками й постійно передають інформацію на Землю. Витончена телеметрія F1 стала, по суті, прототипом цифрового мосту, який тепер використовується скрізь — «цифрова революція з телеметрією, контролем і аналітикою вплинула не лише на «Формулу-1», а й на сучасне інженерування взагалі», зазначають оглядачі. Прикладом можуть слугувати системи моніторингу, розроблені для автоспорту, які перекочували до авіації та космосу. Так, високошвидкісні бездротові мережі передачі даних, відточені на трасах, тепер знаходять застосування у зв’язку повітря — земля: для обміну інформацією з літаками або навіть багаторазовими ступенями ракет у реальному часі. Сучасні ракети-носії під час польоту передають терабайти інформації про стан двигунів, траєкторію, вібрації, споживання палива — і все це дуже схоже на те, як болід ділиться телеметрією з командою. За аналогією з перегонами, де інженери миттєво реагують на проблеми (наприклад, зміни тиску в шині) і дають поради пілоту, диспетчери космічних польотів, отримавши телеметрію, можуть ухвалювати критичні рішення (коригувати курс, переналаштовувати двигуни тощо).
Реальні кейси співпраці теж мають місце. Наприклад, McLaren Applied постачає не лише ECU для F1 — її електронні системи знайшли шлях і до інших серій перегонів (NASCAR, IndyCar), і навіть до авіації. Компанія спільно з партнерами розробляла ультрашвидкі системи бездротової передачі даних, які можуть бути адаптовані для літальних апаратів. Інший напрям — аналіз великих даних: алгоритми, створені для обробки телеметрії боліда (де за вихідні змаху накопичується кілька гігабайтів даних), застосовуються для аналізу даних випробувань ракетних двигунів чи симуляцій космічних місій. Відомо, що NASA використовує власну мережу супутників TDRSS для ретрансляції телеметрії з ракет та шатлів на наземні центри. Але в наземному сегменті — зокрема в програмному забезпеченні — космічники можуть запозичувати рішення з F1. Недарма в центрі управління польотами NASA можна побачити схожі стіни моніторів і розподіл по групах (двигуни, навігація, системи життєзабезпечення) — подібно до того, як на піт-воллі кожен інженер відповідає за свій вузол боліда.
Цікавий паралельний приклад — моніторинг стану людини. У перегонах все частіше відстежують життєві показники пілота: пульс, насиченість киснем крові, рівень стресу. В космосі ще з часів «Аполлонів» астронавти носили датчики, що передавали медичні дані на Землю. Сьогодні технології стали набагато досконалішими: мініатюрні датчики, бездротовий зв’язок, аналітика — і знову ж таки розробки у перегонах (наприклад, біометричні рукавички гонщиків) йдуть поруч із розробками для космонавтів. Співпраця McLaren Applied та NASA у цій сфері цілком імовірна, адже McLaren має досвід у носимих датчиках для спортсменів. Можливо, у майбутньому скафандри астронавтів оснастять системами, що частково народжені під час перегонів — щоб медики на Землі могли так само, як і лікар F1, в режимі реального часу оцінювати стан людини в екстремальних умовах.
Отже, системи телеметрії та управління «Формули-1» проклали шлях до нового рівня контролю над технікою. Вони показали, що навіть перебуваючи на відстані тисяч кілометрів, можна отримувати надійний потік інформації й оперативно керувати складними системами. Для космосу це означає підвищену безпеку і гнучкість у керуванні польотами.
Системи ERS (Energy Recovery System): енергія гальмування — на користь космосу
Ще десять років тому боліди «Формули-1» втрачали колосальну кінетичну енергію на гальмуваннях — вона просто перетворювалася на тепло в гальмівних дисках. Сьогодні ж сучасний болід оснащений системою рекуперації енергії (ERS), яка збирає цю «втрату» і перетворює на додаткову потужність. Під час уповільнення електромотор-генератор працює як динамо, заряджаючи високовольтну батарею, а на прискореннях віддає енергію назад на колеса. Такі гібридні системи зробили боліди неймовірно ефективними: нинішній двигун F1 має рекордний показник термічного ККД понад 50% — значною мірою завдяки ERS. Технологію рекуперації (відому також як KERS — Kinetic Energy Recovery System) вперше масово випробували саме у «Формулі-1», і тепер вона стала основою для всіх гібридних і електричних автомобілів. Але де в цьому космос? Виявляється, подібні принципи знаходять застосування і за межами Землі.
По-перше, це акумуляторні технології. «Формула-1» в гонитві за кожною десятою секунди стимулювала розвиток акумуляторів високої потужності, які можуть дуже швидко заряджатися і віддавати енергію. Підрозділ Williams Advanced Engineering (WAE) прославився як піонер у цій сфері: він був ексклюзивним постачальником батарей для чемпіонату електромобілів Formula E у 2014–2018 роках, створивши батареї, здатні витримувати екстремальні навантаження. Тепер WAE переносить цей досвід в аерокосмічну галузь. У 2017 році Williams уклала угоду з компанією Airbus про співпрацю над проєктом Zephyr — безпілотного псевдосупутника на сонячних батареях. Zephyr — це легкий літак на сонячній енергії, що літає у стратосфері місяцями, виконуючи функції супутника (спостереження, зв’язок). Ключ до його успіху — надлегкі та ємні акумулятори, які накопичують сонячну енергію вдень і живлять апарат вночі. Williams має тут чим поділитися: їхній досвід у створенні легких композитів і ефективних батарей напряму використовується в програмі Zephyr. Представник Airbus зазначив, що в компанії захоплені технічним досвідом Williams у електрифікації та легких конструкціях і раді вчитися у світу F1. Фактично, технології з болідів тепер допомагають літальному апарату на висоті 20 км безперервно функціонувати кілька місяців.
Ще один цікавий проєкт WAE — співпраця з британським стартапом Oxford Space Systems (OSS), що розробляє складані конструкції для наносупутників. Наносупутники — це дуже малі космічні апарати, вони потребують ультралегких антен та штанг, які компактно складаються під час запуску, а на орбіті розкриваються. Williams Advanced Engineering залучена до створення нових поколінь саме таких легких складаних ферм і антен. Завдання нелегке: забезпечити жорсткість і надійність за мінімальної ваги та об’єму. Але для інженерів з «Формули-1» подібні виклики — буденна справа: у боліді кожна деталь оптимізована за вагою і розміром, і ті ж принципи можна застосувати до космічних конструкцій. У Williams повідомляють, що працюють над цим амбітним космічним проєктом, використовуючи напрацювання з власного заводу в Оксфордширі, й підкреслюють, що подібні задачі — це хліб насущний для інженерів «Формули-1». Успіхи у цій сфері стануть ще одним доказом, що мотоспорт здатний «винести» технології у космос — буквально і фігурально.
Варто згадати й про механічні системи накопичення енергії. До появи батарей-гігантів деякі команди F1 (та ж Williams) експериментували з маховиками для KERS — обертовими роторами, що запасають енергію гальмування. Ця ідея не прижилася у болідах, зате знайшла застосування на транспорті (автобуси, трамваї) і потенційно цікава для космосу. У супутниках і космічних станціях давно використовуються маховики (реакційні колеса) для орієнтації; їх можна комбінувати з функцією накопичення енергії, щоб слугували своєрідними «космічними KERS». Наприклад, під час освітленої фази орбіти електрика може витрачатися на розкрутку маховика, а в тіні — маховик гальмується, і генерується електроенергія. Такі системи потенційно можуть забезпечити довговічніше зберігання енергії без хімічних батарей. І хоча поки що це скоріше концепція, у її основі лежать ті ж принципи, що випробовувалися у «Формулі-1».
Отже, у сфері ERS і акумуляції енергії спостерігаємо потужний трансфер технологій з автодрому до космодрому. Гібридні системи зробили боліди ефективнішими та екологічнішими — аналогічно, вони допомагають створювати «зелені» супутники та літальні апарати на сонячній енергії. Легкі батареї та суперконденсатори, система управління енергопотоками, що відточена на перегонах, — все це сприяє тому, щоб космічні місії були довшими, апарати — легшими, а використання енергії — раціональнішим. І в майбутньому, коли людство полетить на Марс чи повернеться на Місяць із новими місіями, є всі шанси, що в їхніх енергосистемах битиметься «електричне серце», створене з урахуванням уроків «Формули-1».
Спільний курс на інновації
Приклади, наведені вище, переконливо демонструють взаємозбагачення «Формули-1» та ракетно-космічної галузі. Автоспорт найвищого рівня прискорює цикл розробки технологій: сезон триває менш як рік, і за цей час команди впроваджують десятки технічних оновлень. Цей шалений темп і культура інженерних інновацій передаються й в аерокосмічну сферу, де традиційно проєкти тривали роками. Сьогодні, в епоху комерціалізації космосу і появи приватних космічних компаній, швидкість та гнучкість F1 стають у пригоді як ніколи. Наприклад, SpaceX славиться тим, що виготовляє та випробує прототипи ракет у дуже стислі терміни — підхід, схожий на методи F1, де гіпотеза перевіряється «боєм» на найближчому Гран-прі та вдосконалюється вже до наступного етапу.
Співпраця між F1 і аерокосмічним сектором має великі перспективи. По-перше, нові матеріали: в болідах використовують суперміцні й водночас легкі композити (вуглепластики, кевлар) та теплостійкі сплави, що можуть служити основою для корпусів космічних апаратів і ракетних двигунів нового покоління. По-друге, штучний інтелект та оптимізація: команди F1 активно впроваджують AI для аналізу даних і пошуку оптимальних рішень (від стратегії перегонів до дизайну деталі) — аналогічні підходи допоможуть в оптимальному плануванні космічних місій, управлінні супутниковими угрупованнями, обробці великих масивів наукових даних із космосу. По-третє, системи безпеки: «Формула-1» багато зробила для захисту гонщиків (вдосконалені шоломи, протипожежні матеріали, система Halo для захисту кокпіта). Ці технології можуть бути адаптовані для безпеки астронавтів — від теплозахисних костюмів до конструкцій космічних кораблів, що гасять удар під час посадки (за аналогією із зоною деформації шасі F1).
Не можна не згадати й про екологічний аспект. Сучасна «Формула-1» взяла курс на сталий розвиток — з 2026 року планується використання синтетичного екологічно чистого палива, уже зараз частка електроенергії в силових установках болідів значна. Космічна галузь теж шукає шляхи зменшення шкідливого впливу: розробляються «зелені» ракетні палива, електричні ракетні двигуни, багаторазові ступені. Об’єднавши зусилля, дві індустрії можуть прискорити появу breakthrough-рішень — наприклад, систем рекуперації енергії для посадкових модулів (щоб заряджати батареї під час гальмування об атмосферу, на кшталт ERS) або нових охолоджувальних покриттів, що зменшать витрати палива як у перегонах, так і в запуску ракет. Науково-технічний прогрес — це командні перегони, де важлива швидкість впровадження і надійність рішень. «Формула-1» і ракетобудування, хоч і здаються далекими сферами, насправді грають в одній команді, обмінюючись досвідом заради досягнення нових меж. Як підсумував один із керівників Renault F1 після укладення угоди з Boeing, «Формула-1» — ідеальний полігон для провідних технологій, і ми раді спільно з Boeing виходити на нові рубежі, використовуючи природну синергію автоспорту та аерокосмічної галузі». У найближчі роки варто очікувати ще більше перетинів: від участі інженерів F1 у проєктуванні місячних баз до застосування космічних AI-систем у перегонах. Межа між трасою і космосом стає дедалі прозорішою, і така кооперація обіцяє вигоду всім нам. Адже технології, народжені в цій співпраці, роблять транспорт ефективнішим, польоти — безпечнішими, а наше життя — комфортнішим. «Формула-1» і космос разом прокладають шлях у майбутнє, де швидкість і зорі — пліч-о-пліч.
