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F1 赛车为什么长这样?

F1 赛车为什么长这样?

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。


(右:封闭车轮的奔驰 W196 Steamliner,1954)


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。


(前翼生成的涡流可以控制侧面乱流走向)



前者最著名的例子,是如今 F1 赛车上最重要的两组涡流 “Y250” 涡。为了减少气流分离导致的失速可能,赛车的前后翼都会采用纵向多片副翼组合。按照 F1 规则,这些副翼不允许出现在赛车中线左右 250mm 范围。而每片副翼内侧(距中线/Y 轴 250mm 处)的翼尖,都会拉出一道流向车底两侧的涡流,这左右两组涡流因此得名 Y250 涡。Y250 涡对于车底和车侧气流有着重要的控制作用,比如它可以帮助封闭车身底部的两侧,避免本应流向车尾扩散器的气流“侧漏”而损失下压力。



后者的典型案例是,是尾翼上经常出现的勺型设计。你能注意到 F1 赛车的尾翼很多时候并不是平直的,有些中间凹(勺型)而有些中间凸起。这一般是因为赛车前中部的某些部件产生涡流会影响到尾翼工作,于是设计师在相应的位置对翼型做专门优化,以更合适的高度、角度迎接气流,便形成了不平直的尾翼翼片。


我们说过,F1 中的空气动力学远比这些复杂太多太多,即便真正的硬核 F1 爱好者,很多也只是浅尝辄止。当然这也正常不过,连围场内的专业人士,即便是各车队工程师,对于别家的设计也未必能一眼洞穿,更不要说外界票友了。看似专业实则被证伪的技术分析,在每年的 F1 新车测试中都屡见不鲜。



Formula=规则


Formula 1 的中文名其实不算贴切,“formula” 一词在这里的意思并不是数学中的“方程式”,而是代表着“规则”。1946 年 FIA 国际汽联开始规划 Formula 赛事时,目的就是为了给出一套赛车技术规则,好让各家混乱的赛车在一个统一的规格下同台竞争。因此,守旧般固执且周密到变态的厚厚一本规则,是 F1 与生俱来、相附相生的。


所以你很容易意识到,以上所说的一切归根到底都在围绕着规则打转。如果没有规则,F1 大可以用上飞机发动机、用上八个轮子、用上超大排量引擎……但这些都没有,有的话 F1 也不再是 F1。F1 追求的并非无节制的创新、无限制的快,而是在严格的条条框框限制,在点滴中突破和进步。用“带着镣铐跳舞”来形容再贴切不过。


(F1 技术规则中的一页)


最初,F1 限制的主要是引擎规则,1950 年的首届 F1 只允许使用 3.5L 自然吸气或 1.5L 机械增压引擎,从而让这两种引擎的赛车得以同场竞技。后来随着空气动力学的迅速发展,规则限制最多的变成了空动部件的设计边界。光是技术规则,就有多达上百页密密麻麻的条款,来限制赛车的研发空间,翻译成人话基本就是“这些不能做”、“那里不能有东西”、“这种设计不允许”、“那样是违规的”……


但规则是人定的,就难免会出现漏洞。F1 技术规则中的漏洞,有时会使得弱势车队异军突起,也可能会被 FIA 解读为违规而被抓典型(这其中的车队政治博弈也是 F1 的一大看点,限于篇幅这方面不细说)。前者的典型是 2009 年,布朗车队利用双层扩散器的规则漏洞一骑绝尘,彻底打乱了赛场强弱格局并最终夺冠。后者的最近例子是 2006 年,雷诺车队的质量避震器被禁用,这件事引起的争议至今无解。



(双侧扩散器只是巧妙利用了规则的漏洞)


F1 是很多“黑科技”的发源地,但 F1 其实从来不是一个“黑科技”的舞台。它是在 FIA 给定规则的前提下(当然规则在制定时也是有导向性的,比如促进竞争增强观赏性、增加技术下放民用车可能等),逼迫车队在规则所导向的方向进行创新。比如双层扩散器就根本不是什么“黑科技”,而是成功抓住并巧妙利用了规则的漏洞。F1 近 70 年历史中,真正的“黑科技”结局往往是被禁用:6 轮赛车、地面效应、风扇扩散器、主动悬挂……但 F1 中被禁归被禁,有些你已经能在民用车上看到,可谓桃李满天下。


(现在的 F1 有着严格的座舱安全标准)


从 70 年代开始 F1 逐渐正规化,人们开始重视比赛的安全性,规则也开始被用来限制赛车的速度和性能,将比赛风险控制在合理水平下。比如 80 年代 F1 引入涡轮增压,马力超过 1400 匹,FIA 几次限制燃油流量未果,干脆在 1988 年后禁掉了涡轮。1994 年塞纳遇难,FIA 数次增加赛车尺寸限制,强化碰撞安全,启用 HANS、Halo 等安全系统。


2000 年后法拉利一家独大,FIA 忙于用规则打乱格局,让落后车队有机会赶上,避免观赏性下降到威胁赛事生存。由于经济危机等因素,规则还被用来限制大车队的研发支出,让小车队得以生存。车队车手要夺冠、要生存,但 F1 这个平台本身也要生存,如果某一家车队独大垄断赛场,F1 失去观赏性而丢失观众最终损失收入,游戏就无法进行下去。何况围绕规则的政治博弈,本来也是 F1 的独特看点之一。


就像《飞驰人生》中林臻东说的,如果你渴望公平那就来赛车,但假如你追求绝对公平,那还是算了。

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