Насколько прочны композитные материалы на основе пластика, как их используют в болидах для «Формулы-1» и как элементы из углепластика помогают сделать машины быстрее и защитить пилотов? Об этом на вебинаре, организованном Фондом инфраструктурных и образовательных программ (Группа РОСНАНО) и «Бумагой», рассказал инженер, старший преподаватель МГТУ им. Н. Э. Баумана и один из авторов нашей научной рассылки Андрей Новиков — публикуем основные тезисы.
Подписаться на рассылку «Что с нами будет?» можно здесь. Научные письма приходят по пятницам. В них ученые из разных областей рассуждают о том, какие открытия, технологии и явления меняют настоящее и формируют будущее.
Андрей Новиков
инженер, старший преподаватель МГТУ им. Н. Э. Баумана
Композиты придумали в конце XIX века, а сейчас их делают на основе пластика
— Первым осмысленным композитом является железобетон, его придумали в конце XIX века. Именно с этого момента можно говорить о появлении композитных технологий. Собственно, на примере железобетона отлично видна структура материала — у нас есть металлическая сетка и бетон. И мы видим четкую макрограницу между ними.
Сталь, как известно, тоже состоит из двух материалов: железа и углерода. Но она не является композитным материалом, потому что там нет макрограницы — в стали углерод внедряется в кристаллическую решетку железа.
Современные композиты — это материалы на основе пластика: углепластики, стеклопластики и органопластики. В композитном материале пластик подобно тому, как стальная сетка усиливает бетон в железобетоне, усилен волокнами из стекла, углерода или арамида.
Именно волокна воспринимают нагрузку. А для того, чтобы она распределялась равномерно, их «связывают» друг с другом матрицей. Вкратце принцип работы композитов можно описать так: у нас есть какой-то материал, например пластик, и его разрушению препятствуют волокна внутри.
Первый композитный автомобиль — машина Trabant из ГДР
— ХХ век считается веком пластика. Пластик — технологичный материал, легкий, дешевый, но хрупкий. Это проблема. Технологи и конструкторы по аналогии с железобетоном решили армировать пластики — так появились стеклопластики. А в 1970-е годы начались исследования в области углепластиков.
Первый пример массового использования композитов и первый пример массового производства композитного автомобиля — это машина Trabant. С точки зрения техники — ничем не выдающийся автомобиль из ГДР. Однако внешние элементы этой машины изготавливались из дуропласта — материала, который делали из отходов хлопчатобумажного производства и формальдегидной смолы. За счет него машина не ржавела.
Сегодня автомобильная промышленность продолжает использовать композиты. Например, углекерамика — керамика и углерод — применяется в тормозных дисках. Если покупать новый BMW, Mercedes или Audi, то как опцию можно заказать углекерамические тормозные диски. Они дороги — 600–800 тысяч рублей — и для обычных автомобилей в некоторой степени избыточны: в городе нет такой нагрузки на диски, которую выдерживают углекерамические тормоза. На спортивном треке — да, там преимущество очевидно: такие тормоза легче и у них заметно выше рабочая температура.
Композиты активно используют в «Формуле-1» — они легче и защищают пилотов
— Тормоза у болидов «Формулы-1» из углеродистой керамики — это углерод, по структуре похожий на керамику, но не керамика в привычном понимании. Такие тормозные диски получаются сверхтеплостойкими и очень легкими — они в восемь раз легче металлических. Но их средний ресурс — до 1 тысячи километров. В принципе, на одну гонку их и хватает. Это очень дорогие тормоза, только «Формула-1» пока ими пользуется — могут себе позволить.
Также в «Формуле-1» используются углепластики. Из них делают элементы подвески, монокок (это жесткая силовая структура, которая сохраняет гонщику жизнь в случае аварии), руль, сидения. А также дугу безопасности — гало, — защищающую от падения на машину колеса или другого болида.
На гран-при Бельгии 2018 года на болид Шарля Леклера (ныне это гонщик Ferrari) упала машина Фернандо Алонсо. Там произошла небольшая заварушка на старте, машину Фернандо Алонсо подбросило, и она сверху упала на болид Шарля Леклера.
Тогда был первый год внедрения гало, многие критиковали эту структуру — говорили, что она выглядит плохо, затрудняет обзор, но после той аварии, когда именно она спасла гонщику жизнь, вопросы отпали.
Шлемы гонщиков также сделаны из углепластика. По двум причинам: во-первых, безопасность, во-вторых — масса. На гран-при в Сочи есть затяжной левый поворот вокруг Олимпийского парка, там перегрузки достигают 5 g. Для сравнения — на старте «Союза» этот показатель составляет 3 g. Поэтому гонщики «Формулы-1» тощие, но с накачанной шеей, так как мышечная масса — это тоже масса, а в «Формуле-1» всё легкое: и пилот, и машина.
Еще одна авария произошла на гран-при Европы 2010 года. Тогда австралийский пилот Марк Уэббер наехал на колесо впереди идущего автомобиля и вот что случилось.
Болид практически полностью оказался разрушен, но осталась жесткая силовая структура, которая сохранила пилоту жизнь. Причем через неделю после этой аварии Марк Уэббер выиграл гран-при Великобритании. То есть он не получил вообще никаких травм.
Кстати говоря, здесь удар был такой силы, что у болида отлетели колеса. Хотя в «Формуле-1» внутри стержней подвески проложены арамидные тросы и в большинстве аварий колеса не отлетают.
На гран-при Китая команда Toro Rosso экспериментировала с подвеской, и в итоге переборщила с толщиной стержня — после длинной прямой на торможении у гонщика, это был Себастьян Буэми, просто отлетели оба колеса. И он на машине без колес на скорости около 200 км/ч врезался в стену.
Буэми тогда не пострадал. Но, по идее, так быть не должно. Это очень опасно: колесо может попасть в сотрудника трассы, в другого пилота и так далее. В «Формуле-1» каждый год внедряются новые элементы, чтобы сделать этот один из наиболее опасных видов спорта как можно более безопасным для участников.
