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媒体:F1 赛车为什么长这样? 沃特福德 足总杯

赛车 时间:2019-04-12 12:58来源:竞报体育整理编辑:竞报体育我来说两句

【导读】媒体:F1 赛车为什么长这样? 沃特福德 足总杯 细长车头下是一大片前翼,四个轮子伸出车外,车手半躺着坐在车内只露出脑袋,身后是发动机两侧是进气口,再往后是高高耸起的尾翼你有没有想过,为什么如今的 F1 赛车都长这个样子?为什么 F1 赛车会长成这个样子

媒体:F1 赛车为什么长这样? 沃特福德 足总杯



细长车头下是一大片前翼,四个轮子伸出车外,车手半躺着坐在车内只露出脑袋,身后是发动机两侧是进气口,再往后是高高耸起的尾翼——你有没有想过,为什么如今的 F1 赛车都长这个样子?为什么 F1 赛车会长成这个样子?
 
开轮式结构
 
对于类似 F1 这样四个轮子伸出车外、没有车体外壳保护,有一个专门称谓:开轮式(Open-Wheels)赛车。除了 F1,绝大多数方程式赛车都是开轮式,比如F2、F3、印地(IndyCar)等。
 
 
(Indy 赛车)
 
F1 之所以采用开轮式结构,其实并非这种结构有多大的技术优势,更多是因为发展过程和历史沿续。在 F1 最初的 50 年代,奔驰车队就曾尝试过封闭车轮设计,但也仅在某些偏高速直线的分站(蒙扎)使用。
 
 
 
开轮式能让车手更清楚地看到前轮走向,但会增加阻力、增加空气动力学设计难度。而 F1 一级方程式,顾名思义,本质上是一种在重重规则(故名方程式)限制下榨取性能提高速度的赛事。归根结底,F1 追求的是精确细腻的驾驶操作、镣铐下跳舞的技术创新,方便车手驾驶和车队维护优先,耐用性是其次,再加上历史因素和规则限制,开轮式结构就被 F1 作为默认项沿用至今。
 
一个雏形
 
 
(F1 早期的前置引擎赛车)
 
50 年代早期,所有的 F1 赛车都是前置 V12 发动机,驾驶员在后。1960 年,传奇人物柯林·查普曼领导莲花车队,设计出第一辆中置引擎赛车 Lotus 18。这种重心更靠后的布局很快显示出优势,并击败了执拗于前置引擎的恩佐·法拉利。从 60 年代直到今天,中置引擎成了 F1 在内所有方程式赛车、甚至是大多数高性能跑车的标准布局。
 
 
最初,由于引擎前置,F1 赛车的进气口和冷却通道很自然的设置在车头。中置引擎的到来,使得车头尺寸有了缩小可能。进入 70 年代,F1 工程师突发奇想,将倒置的飞机翼型装上赛车,从而可以在高速下产生下压力,大幅提高赛车过弯的速度和稳定性。从这时开始,空气动力学逐渐成为如今 F1 世界中最重要的科目。
 
 
(早期 F1 翼片出问题很常见)
 
最初的赛车翼片非常简陋,仅仅靠几根柱子临时性的立在赛车上。翼片和车身并非作为整体来设计,在某些高速赛道还可以取下翼片来增加直线速度。这种原始而脆弱的翼片时常引发事故,在当时引起了不少质疑和反对。1970 赛季冠军乔臣·林特就曾因此撞断了鼻梁骨,他直言 “F1 赛车不是马戏团。”
 
 
(Lotus 72 呈现了今天 F1 赛车的雏形)
 
但空气动力学进入 F1 赛场已经是不可逆的趋势。1970 年,又是柯林·查普曼和他的莲花车队设计出了 Lotus 72 赛车。它将进气口从车头移至车身两侧,车身从以往的筒形变为梭形,车头和车尾分别安装前/尾翼,后来还在车手身后增加了顶进气口。Lotus 72 的这些设计被沿用至今,形成了现代 F1 赛车的雏形。
 
空气动力学
 
今天,空气动力学是 F1 赛场中最重要的科目,它的重要性和对赛车性能的影响,也只有引擎技术可以相提并论。一辆 F1 赛车的空动设计好坏,直接影响到它在比赛中的速度成绩。每年赛季开始前的新车测试阶段,空动部件的设计创新是最受外界关注的焦点。主要用来进行空气动力学研发的风洞,是各车队至关重要的核心资产。
 
 
(大车队都拥有自己的风洞)
 
F1 赛车需要的是尽可能短的单圈时间,这意味着尽可能快的平均速度。在一些高速弯道,F1 赛车能够以超过 250km/h 时速通过,这就需要空气动力学帮助产生极大的下压力,让赛车牢牢抓住地面。
 
 
(2017 年 F1 的典型下压力分布)
 
这些下压力中大约有 20-30% 由前翼产生,30-40% 由尾翼产生,50% 左右由车尾扩散器(底板)生成,车身的其他部分也可能提供一些下压力。简单来讲,前后翼的下压力来自于翼片翼型产生的气压差(就是飞机机翼倒置);车尾扩散器则形似一个喇叭,车底气流到达车尾时通道迅速扩大,使得气流加速抽离车底形成负压,从而对赛车产生向下的压力。
 
 
(最下方就是扩散器)
 
当然真正的空气动力学远比这复杂万倍。
 
虽然前翼直接提供的下压力不多,但由于是第一个接触前方气流,前翼的设计影响着后方部件的空动效率,因此它是整个赛车空动设计中至关重要的一环。现在的 F1 赛车,甚至需要对前翼产生的下压力进行一定控制。因为前翼产生下压力时会使气流“上洗”,后方部件接受到气流的利用效率就会变差,前翼下压力和气流上洗的程度会被控制在一定水平,保证整车空动效率最优。
 
 
部件在产生下压力的同时也必然会带来风阻,所以空气动力学设计需要想方设法实现下压力最大化而阻力最小化。翼片角度(攻角)越大,产生的下压力越大,但当超过一定幅度,又会导致气流分离(失速)而“过犹不及”。在高速流动下,空气还会显露出黏性依附在赛车表面,需要想办法“赶走”这些滞留的空气。
 
当气流流经车轮这样的部件,或者流至翼片尖端,会形成螺旋形的涡流。对于 F1 来说,涡流既是良药也是砒霜。涡流有行进方向稳定的趋势,不容易受到干扰破坏,这使得设计师可以利用涡流来对其他气流进行控制;但涡流很难被直接利用生成下压力,如果有涡流流经尾翼之类的下压力部件,往往需要对部件做优化设计来避免负面效应。

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