走近F1——空气动力学基础

空气动力学

与公路上普通汽车相比，现代一级方程式赛车和喷气式战斗机有更多的相似之处。空气动力学是赛车运动中致胜的关键，每年车队们都会投入几千万美元用于这方面的研发。

气动设计师有两个首要关注点：第一，制造下压力使赛车轮胎更贴近赛道地面，同时提升回旋力；第二，将由空气涡流引起、使车速减慢的空气阻力降低至最小。

20世纪60年代，一些车队开始尝试现在我们熟知的车侧翼实验。赛车侧翼与飞机机翼的运转法则完全相同，只不过方向刚好相反。根据伯努利定律，飞机所在等高线的飞行距离不同，机翼上下的气流速度也不同，导致压强不同。因为上下压力要保持平衡，机翼就会向压力小的方向运动。飞机就是利用机翼起飞，赛车用它的侧翼产生下压力。正因为空气动力的下压力存在，一部现代一级方程式赛车在侧面可以产生3.5g的回旋力，这个大小是其车身重量的3.5倍。即为，理论上讲，这个压力可以让赛车高速时挨着地面行驶。

早期试验中使用的可移动的车翼和单点悬挂造成过几起极为严重的事故，因此1970年赛季引入了车翼大小和位置的限制规定。随着时间推移，这些规定直到今天仍然大面积适用。

20世纪70年代中期，人们发现了“地面效应”下压力。莲花公司的工程师发现，通过在赛车的底面安装巨大的车翼可以使车子像翅膀一样运动同时又紧贴地面。源于这一想法最典型的例子是戈登‧墨里设计的布拉汉姆BT46B，这部车加装冷却风扇抽取车身裙角处的空气以增加巨大的下压力。在其它车队技术革新后，这部车仅在赛场上出现一次之后便销声匿迹了。根据“地面效应”的成效，规则也跟着不断改变。起先，禁止在车身裙角处控制低压区域。之后，对阶形地板提出要求标准。

尽管大部分车队的气动部门在使用全轮廓风洞和大型计算机系统，一级方程式空气动力学的基本原则依然适用——针对极小的空气阻力都要最大可能的增加下压力。最早的前后翼根据赛道下压力的差别有不同的外形。摩纳哥狭窄而平缓的赛道需要外形攻击性强的车翼，你能看见车行驶时可以使后翼的两个叶片分开旋转（竞赛规则里一部赛车最多两个车翼）。反之，在蒙扎的高速赛道上，赛车则最好都拆掉车翼，以保证在笔直的赛道上减少空气阻力提高车速。

现代一级方程式赛车外形的每一处，从悬挂的形状到车手头盔的设计都充分利用了空气动力学效应。与身体分隔的紊乱的空气产生涡流进而造成空气阻力，使得车速下降。观察现代赛车，你会发现人们会花主要的精力增加下压力减少空气阻力。从垂直的底板与车翼相匹配以防止涡流的形成到尾部散气板安装位置降低，以此平衡车底部高速气流的压力，避免车尾部低气压团的形成，这些设计安装无不体现了这一点。尽管如此，设计师也不能让赛车过于光滑，因为适量的空气有助于驱散现代一级方程式赛车发动机所产生的巨大热量。

近年来，大部分F1车队尝试模仿法拉利的“细腰”设计——车的尾部尽可能的更窄更低。这种设计可以减少空气阻力，又可以最大限度的为车后翼提供足量的空气。车侧面的挡风板还可以改变气流形状，将涡流空气量降低至最小。

2005年修订后的比赛规则迫使空气动力学家们更加别出心裁。为了限速，国际汽车联合会通过提升前翼，后翼前推，后扰流板修改的方式，消减了大量下压力。设计师们很快又采取各种复杂而新奇的方式弥补了下压力大量减少的损失，比如迈凯轮MP4-20上使用的像牛角一样的翼稍小翼。

根据国际汽车联合会2009年采用的更加严厉的航空政策，大部分的这些创新实际上违规了。规则的改变是为了方便超车。新的规则将车引入了一个新的阶段——前翼更低更宽，后翼更高更窄，躯体更加“简洁干净”。也许最有趣的改变是“可漂移的空气动力学”的推行后，车手可以在赛道上比赛时对前翼进行有限度的调整