«Формула-1» давно зарекомендовала себя как вершина автомобильных технологий. Болиды F1 — это настоящие «лаборатории на колесах», где испытываются инновационные решения во время каждого Гран-при. С другой стороны, аэрокосмическая отрасль и ракетостроение ставят не менее высокие требования к технике — прочность, легкость, надежность и эффективность являются критическими при запуске ракет и космических аппаратов. Не удивительно, что между автоспортом и ракетостроением существует тесная взаимосвязь. Многие технологии, отработанные в жестких условиях гонок «Формулы-1», находят применение в проектировании ракет и космических кораблей, и наоборот, некоторые решения из аэрокосмической сферы помогают командам F1 достигать новых высот.
В этой статье рассмотрим, как аэродинамика и моделирование потоков, ведущие системы охлаждения, системы телеметрии и управления и системы рекуперации энергии (ERS), рожденные на трассах «Формулы-1», сегодня работают на благо ракетостроения.
Аэродинамика и моделирование потоков: от болида до гиперзвукового аппарата
Аэродинамика — ключевой фактор успеха как в автогонках, так и в ракетостроении. В «Формуле-1» инженеры тратят тысячи часов на совершенствование обтекаемости болида: чтобы машина «примагничивалась» к трассе за счет прижимной силы, но при этом имела минимальное сопротивление воздуха на прямых отрезках. Этот опыт бесценен для конструкторов ракет и космических летательных аппаратов, ведь ракета при старте и аппарат при возвращении в атмосферу сталкиваются с гигантскими аэродинамическими нагрузками. Значительный интерес к сотрудничеству проявляют сами аэрокосмические гиганты. Еще в 2004 году компания Boeing заключила меморандум с командой Renault F1 о совместных исследованиях и обмене технологиями. В Boeing отметили, что существуют интересные сходства между технологиями, необходимыми для разработки болидов «Формулы-1», и продуктами аэрокосмической отрасли. В Renault F1 также подчеркнули, что это партнерство позволит использовать естественные синергии между автоспортом и аэрокосмической индустрией.
Одним из направлений обмена является Computational Fluid Dynamics (CFD) — компьютерное моделирование потоков. В «Формуле-1» CFD-симуляции позволяют виртуально «обдувать» машину воздухом, ища оптимальную форму спойлеров и диффузоров. Эти же методы моделирования пригодны для анализа обтекания ракеты или гиперзвукового летательного аппарата при скоростях 5–10 Мах. Команда Red Bull Advanced Technologies — инженерное подразделение Red Bull Racing — известна тем, что применяет свой опыт в аэродинамике далеко за пределами трека. Например, специалисты Red Bull привлекались к проектам по созданию скоростных самолетов (программа Red Bull Air Race): они полностью переработали аэродинамический пакет гоночных самолетов, сделав их более быстрыми и маневренными. Хотя те самолеты летали «только» с дозвуковыми скоростями, наработки Red Bull могут быть полезными и в проектах гиперзвуковых аппаратов. Не случайно ведущего конструктора Red Bull Эдриана Ньюи в свое время приглашали в США, чтобы присоединиться к проектированию космического аппарата. Ньюи в итоге остался в автоспорте, но сам факт такого предложения подчеркивает, насколько высоко ценится экспертиза F1 в космической отрасли.
Большинство команд «Формулы-1» имеют собственные высокотехнологичные аэродинамические лаборатории, которые охотно предоставляют услуги и сторонним клиентам. Яркий пример — аэродинамический тоннель швейцарской команды Sauber (теперь — Alfa Romeo F1 Team). Этот тоннель используется не только для болидов, но и для испытаний автомобилей, поездов и даже ракет! В ветровом тоннеле Sauber тестировались модели ракет (например, студенты запускали модель с логотипом Swiss Space Center) — на фото ниже изображена масштабная ракета в аэродинамической трубе Sauber.
В итоге, знания об управлении воздушными потоками, полученные на треке, помогают строить более обтекаемые и стабильные ракеты. А совместные проекты между командными F1 и аэрокосмическими корпорациями ускоряют появление новых решений — от оптимизированных обтекателей носовых частей ракет до эффективных систем управления потоком воздуха вокруг гиперзвуковых летательных аппаратов. Симбиоз этих отраслей уже сегодня приносит плоды, а потенциал для дальнейших достижений еще больше.
Ведущие системы охлаждения: держать холодный ум на скорости
На скоростном круге болид «Формулы-1» испытывает колоссальные тепловые нагрузки: двигатель внутреннего сгорания, работающий на пределе своих возможностей, гибридная система с аккумуляторами и электромоторами, тормоза — все это выделяет много тепла. Если не отводить это тепло эффективно, машина быстро потеряет производительность или вообще выйдет из строя. Инженеры F1 разработали чрезвычайно компактные и эффективные системы охлаждения: радиаторы сложной формы, теплообменники с тонкими каналами, управляемые потоки воздуха, охлаждающие тормоза и силовую установку. В космической технике проблема охлаждения стоит не менее остро. Внутри спутников и кораблей работает электроника, которая должна рассеивать тепло в условиях вакуума (где нет воздуха для обычного радиатора), а двигатели ракет во время работы нагреваются до нескольких тысяч градусов — их приходится охлаждать, чтобы они не расплавились. Поэтому технологии эффективного теплообмена — общий интерес автоспорта и ракетостроения.
Сотрудничество между отраслями иногда приобретает самые неожиданные формы. Интересный случай: ракетная технология помогла команде «Формулы-1» совершить прорыв в охлаждении болида, а значит, подобные решения могут работать и наоборот. Британская компания Reaction Engines разрабатывает революционный ракетный двигатель SABRE для гиперзвуковых самолетов и космопланов. Одно из ее ноу-хау — сверхмощный предварительный охладитель (pre-cooler), способный за доли секунды охладить раскаленный воздух (около 1000°C) до приемлемой температуры. Это устройство изначально создавалось для ракеты, которая будет лететь с пятикратной скоростью звука, но оказалось, что оно прекрасно подходит и для… болида «Формулы-1»! Инженеры команды Mercedes воспользовались технологией Reaction Engines, разработав компактный водяной интеркулер на основе ракетного прекулера. В результате Mercedes получила ультратонкие боксы радиаторов на машине 2022 года, что произвело фурор в паддоке.
Этот пример наглядно демонстрирует, что решения для экстремального охлаждения могут быть универсальными. Представим обратную ситуацию: теперь уже наработки «Формулы-1» в охлаждении могут найти путь в космос. Например, эффективные микрорадиаторы и тепловые трубки, спроектированные для размещения в тесном корпусе болида, могут быть использованы в спутниках малого размера, где каждый грамм и кубический сантиметр на счету. Способность F1-радиаторов рассеивать много тепла при минимальной площади — именно то, что нужно на борту космического аппарата. Более того, материалы, применяемые для охлаждения в «Формуле-1» (сплавы с высокой теплопроводностью, композиты) вполне пригодны для работы в условиях вакуума и космического излучения.
Еще одно направление — охлаждение топливом. В болидах «Формулы-1» топливо не только сгорает в моторе, но и используется для охлаждения: его пропускают через теплонагруженные узлы, отводя избыточное тепло. Похожий принцип давно применяется в ракетных двигателях (так называемое регенеративное охлаждение: топливо перед сгоранием циркулирует через рубашку вокруг камеры сгорания, охлаждая стенки). Опыт автоспорта в создании надежных трубопроводов, насосов и теплообменников пригодится в проектировании современных ракетных моторов, особенно многоразовых, которые должны работать в широком диапазоне режимов.
Так что и в сфере терморегуляции синергия очевидна. «Формула-1» умеет «укрощать» высокую температуру в компактном пространстве, а космическая техника нуждается именно в этом умении. Совместные разработки — например, экспериментальные системы охлаждения электроники, созданные при участии инженеров F1, — могут повысить надежность космических аппаратов. В недалеком будущем мы вполне можем увидеть элементы систем охлаждения болидов на спутниках или марсоходах, которые будут гарантировать их работоспособность в самых сложных условиях.
Системы телеметрии и управления: онлайн-связь болида и космического аппарата
Представьте себе: болид мчится по трассе на скорости 300 км/ч, а десятки инженеров в боксах следят в реальном времени за сотнями параметров — скоростью, температурой шин, давлением масла, расходом топлива, состоянием батареи, нагрузками на подвеску и тому подобное. Эта телеметрия — нервная система современной «Формулы-1». Каждая машина оборудована около 300 датчиками, которые непрерывно передают данные на пит-лейн по беспроводной сети. В боксах команды — целый центр с мониторами, похожий на маленький Mission Control. Собранные данные анализируются не только на трассе, но и мгновенно пересылаются по защищенным каналам в штаб-квартиру команды (часто на другом конце света), где еще сотни инженеров в режиме онлайн помогают принимать решения. Такая сложная система стала возможной благодаря развитию электроники и программного обеспечения в «Формуле-1». Компания McLaren Applied Technologies разработала стандартизированный бортовой компьютер (ECU) и программный комплекс ATLAS, которые используются всеми командами для сбора и анализа телеметрии. Надежность этих систем исключительная — ведь сбой телеметрии во время гонки может стоить победы.
В космической отрасли задачи очень похожи: ракета или космический корабль также нашпигованы датчиками и постоянно передают информацию на Землю. Изящная телеметрия F1 стала, по сути, прототипом цифрового моста, который теперь используется везде — «цифровая революция с телеметрией, контролем и аналитикой повлияла не только на «Формулу-1», но и на современное инженерирование вообще», отмечают обозреватели. Примером могут служить системы мониторинга, разработанные для автоспорта, которые перекочевали в авиацию и космос. Так, высокоскоростные беспроводные сети передачи данных, отточенные на трассах, теперь находят применение в связи воздух — земля: для обмена информацией с самолетами или даже многократными ступенями ракет в реальном времени. Современные ракеты-носители во время полета передают терабайты информации о состоянии двигателей, траектории, вибрации, потреблении топлива — и все это очень похоже на то, как болид делится телеметрией с командой. По аналогии с гонками, где инженеры мгновенно реагируют на проблемы (например, изменения давления в шине) и дают советы пилоту, диспетчеры космических полетов, получив телеметрию, могут принимать критические решения (корректировать курс, перенастраивать двигатели и т.д.).
Реальные кейсы сотрудничества тоже имеют место. Например, McLaren Applied поставляет не только ECU для F1 — ее электронные системы нашли путь и в другие гоночные серии (NASCAR, IndyCar), и даже в авиацию. Компания совместно с партнерами разрабатывала ультрабыстрые системы беспроводной передачи данных, которые могут быть адаптированы для летательных аппаратов. Другое направление — анализ больших данных: алгоритмы, созданные для обработки телеметрии болида (где за выходные взмаха накапливается несколько гигабайт данных), применяются для анализа данных испытаний ракетных двигателей или симуляций космических миссий. Известно, что NASA использует собственную сеть спутников TDRSS для ретрансляции телеметрии с ракет и шаттлов на наземные центры. Но в наземном сегменте — в частности в программном обеспечении — специалисты могут заимствовать решения из F1. Недаром в центре управления полетами NASA можно увидеть похожие стены мониторов и распределение по группам (двигатели, навигация, системы жизнеобеспечения) — подобно тому, как на пит-волле каждый инженер отвечает за свой узел болида.
Интересный параллельный пример — мониторинг состояния человека. В гонках все чаще отслеживают жизненные показатели пилота: пульс, насыщенность кислородом крови, уровень стресса. В космосе еще со времен «Аполлонов» астронавты носили датчики, которые передавали медицинские данные на Землю. Сегодня технологии стали намного совершеннее: миниатюрные датчики, беспроводная связь, аналитика — и опять же разработки в гонках (например, биометрические перчатки гонщиков) идут рядом с разработками для космонавтов. Сотрудничество McLaren Applied и NASA в этой сфере вполне вероятно, ведь McLaren имеет опыт в носимых датчиках для спортсменов. Возможно, в будущем скафандры астронавтов оснастят системами, частично рожденными во время гонок — чтобы медики на Земле могли так же, как и врач F1, в режиме реального времени оценивать состояние человека в экстремальных условиях.
Итак, системы телеметрии и управления «Формулы-1» проложили путь к новому уровню контроля над техникой. Они показали, что даже находясь на расстоянии тысяч километров, можно получать надежный поток информации и оперативно управлять сложными системами. Для космоса это означает повышенную безопасность и гибкость в управлении полетами.
Системы ERS (Energy Recovery System): энергия торможения — в пользу космоса
Еще десять лет назад болиды «Формулы-1» теряли колоссальную кинетическую энергию на торможениях — она просто превращалась в тепло в тормозных дисках. Сегодня же современный болид оснащен системой рекуперации энергии (ERS), которая собирает эту «потерю» и превращает в дополнительную мощность. Во время замедления электромотор-генератор работает как динамо, заряжая высоковольтную батарею, а на ускорениях отдает энергию обратно на колеса. Такие гибридные системы сделали болиды невероятно эффективными: нынешний двигатель F1 имеет рекордный показатель термического КПД более 50% — в значительной степени благодаря ERS. Технологию рекуперации (известную также как KERS — Kinetic Energy Recovery System) впервые массово опробовали именно в «Формуле-1», и теперь она стала основой для всех гибридных и электрических автомобилей. Но где в этом космос? Оказывается, подобные принципы находят применение и за пределами Земли.
Во-первых, это аккумуляторные технологии. «Формула-1» в погоне за каждой десятой секунды стимулировала развитие аккумуляторов высокой мощности, которые могут очень быстро заряжаться и отдавать энергию. Подразделение Williams Advanced Engineering (WAE) прославилось как пионер в этой сфере: оно было эксклюзивным поставщиком батарей для чемпионата электромобилей Formula E в 2014–2018 годах, создав батареи, способные выдерживать экстремальные нагрузки. Теперь WAE переносит этот опыт в аэрокосмическую отрасль. В 2017 году Williams заключила соглашение с компанией Airbus о сотрудничестве над проектом Zephyr — беспилотного псевдоспутника на солнечных батареях. Zephyr — это легкий самолет на солнечной энергии, который летает в стратосфере месяцами, выполняя функции спутника (наблюдение, связь). Ключ к его успеху — сверхлегкие и емкие аккумуляторы, которые накапливают солнечную энергию днем и питают аппарат ночью. Williams есть здесь чем поделиться: их опыт в создании легких композитов и эффективных батарей напрямую используется в программе Zephyr. Представитель Airbus отметил, что в компании восхищены техническим опытом Williams в электрификации и легких конструкциях и рады учиться у мира F1. Фактически, технологии из болидов теперь помогают летательному аппарату на высоте 20 км непрерывно функционировать несколько месяцев.
Еще один интересный проект WAE — сотрудничество с британским стартапом Oxford Space Systems (OSS), который разрабатывает складные конструкции для наноспутников. Наноспутники — это очень малые космические аппараты, они требуют ультралегких антенн и штанг, которые компактно складываются при запуске, а на орбите раскрываются. Williams Advanced Engineering вовлечена в создание новых поколений именно таких легких складных ферм и антенн. Задача нелегкая: обеспечить жесткость и надежность при минимальном весе и объеме. Но для инженеров из «Формулы-1» подобные вызовы — обыденное дело: в болиде каждая деталь оптимизирована по весу и размеру, и те же принципы применимы к космическим конструкциям. В Williams сообщают, что работают над этим амбициозным космическим проектом, используя наработки с собственного завода в Оксфордшире, и подчеркивают, что подобные задачи — это хлеб насущный для инженеров «Формулы-1». Успехи в этой сфере станут еще одним доказательством, что мотоспорт способен «вынести» технологии в космос — буквально и фигурально.
Стоит упомянуть и о механических системах накопления энергии. До появления батарей-гигантов некоторые команды F1 (та же Williams) экспериментировали с маховиками для KERS — вращающимися роторами, запасающими энергию торможения. Эта идея не прижилась в болидах, зато нашла применение на транспорте (автобусы, трамваи) и потенциально интересна для космоса. В спутниках и космических станциях давно используются маховики (реакционные колеса) для ориентации; их можно комбинировать с функцией накопления энергии, чтобы служили своеобразными «космическими KERS». Например, во время освещенной фазы орбиты электричество может расходоваться на раскрутку маховика, а в тени — маховик тормозится, и генерируется электроэнергия. Такие системы потенциально могут обеспечить более долговечное хранение энергии без химических батарей. И хотя пока это скорее концепция, в ее основе лежат те же принципы, которые испытывались в «Формуле-1».
Итак, в сфере ERS и аккумуляции энергии наблюдаем мощный трансфер технологий с автодрома в космодром. Гибридные системы сделали болиды более эффективными и экологичными — аналогично, они помогают создавать «зеленые» спутники и летательные аппараты на солнечной энергии. Легкие батареи и суперконденсаторы, система управления энергопотоками, отточенная на гонках, — все это способствует тому, чтобы космические миссии были длиннее, аппараты — легче, а использование энергии — рациональнее. И в будущем, когда человечество полетит на Марс или вернется на Луну с новыми миссиями, есть все шансы, что в их энергосистемах будет биться «электрическое сердце», созданное с учетом уроков «Формулы-1».
Совместный курс на инновации
Примеры, приведенные выше, убедительно демонстрируют взаимообогащение «Формулы-1» и ракетно-космической отрасли. Автоспорт высокого уровня ускоряет цикл разработки технологий: сезон длится менее года, и за это время команды внедряют десятки технических обновлений. Этот бешеный темп и культура инженерных инноваций передаются и в аэрокосмическую сферу, где традиционно проекты длились годами. Сегодня, в эпоху коммерциализации космоса и появления частных космических компаний, скорость и гибкость F1 пригодились как никогда. Например, SpaceX славится тем, что изготавливает и испытывает прототипы ракет в очень сжатые сроки — подход, похожий на методы F1, где гипотеза проверяется «боем» на ближайшем Гран-при и совершенствуется уже к следующему этапу.
Сотрудничество между F1 и аэрокосмическим сектором имеет большие перспективы. Во-первых, новые материалы: в болидах используют суперпрочные и одновременно легкие композиты (углепластики, кевлар) и теплостойкие сплавы, которые могут служить основой для корпусов космических аппаратов и ракетных двигателей нового поколения. Во-вторых, искусственный интеллект и оптимизация: команды F1 активно внедряют AI для анализа данных и поиска оптимальных решений (от гоночной стратегии до дизайна детали) — аналогичные подходы помогут в оптимальном планировании космических миссий, управлении спутниковыми группировками, обработке больших массивов научных данных из космоса. В-третьих, системы безопасности: «Формула-1» много сделала для защиты гонщиков (усовершенствованные шлемы, противопожарные материалы, система Halo для защиты кокпита). Эти технологии могут быть адаптированы для безопасности астронавтов — от теплозащитных костюмов до конструкций космических кораблей, гасящих удар при посадке (по аналогии с зоной деформации шасси F1).
Нельзя не упомянуть и об экологическом аспекте. Современная «Формула-1» взяла курс на устойчивое развитие — с 2026 года планируется использование синтетического экологически чистого топлива, уже сейчас доля электроэнергии в силовых установках болидов значительна. Космическая отрасль тоже ищет пути уменьшения вредного воздействия: разрабатываются «зеленые» ракетные топлива, электрические ракетные двигатели, многоразовые ступени. Объединив усилия, две индустрии могут ускорить появление breakthrough-решений — например, систем рекуперации энергии для посадочных модулей (чтобы заряжать батареи при торможении об атмосферу, вроде ERS) или новых охлаждающих покрытий, которые уменьшат расход топлива как в гонках, так и в запуске ракет. Научно-технический прогресс — это командная гонка, где важна скорость внедрения и надежность решений. «Формула-1» и ракетостроение, хоть и кажутся далекими сферами, на самом деле играют в одной команде, обмениваясь опытом ради достижения новых пределов. Как подытожил один из руководителей Renault F1 после заключения соглашения с Boeing, «Формула-1» — идеальный полигон для ведущих технологий, и мы рады совместно с Boeing выходить на новые рубежи, используя естественную синергию автоспорта и аэрокосмической отрасли». В ближайшие годы стоит ожидать еще больше пересечений: от участия инженеров F1 в проектировании лунных баз до применения космических AI-систем в гонках. Граница между трассой и космосом становится все более прозрачной, и такая кооперация сулит выгоду всем нам. Ведь технологии, рожденные в этом сотрудничестве, делают транспорт более эффективным, полеты — более безопасными, а нашу жизнь — более комфортной. «Формула-1» и космос вместе прокладывают путь в будущее, где скорость и звезды — рука в руку.
