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F1賽車為什么需要空氣動力學？

2018-02-27 14:26:57·  
　
在各大汽車賽事尤其是一級方程式錦標賽（F1）中，空氣動力學一直是各大車隊的重點研發(fā)對象之一。本期賽車上的空氣動力學將為您解釋為什么空氣動力學對F1賽車成績的提高起著至關重要的作用。一、極致的賽車空氣動力學F1空氣動力學專家花費不計其數(shù)的時間和資金來改進賽車的空氣動力學性能，一小塊前鼻翼上的翼片的優(yōu)化可以使
在各大汽車賽事尤其是一級方程式錦標賽（F1）中，空氣動力學一直是各大車隊的重點研發(fā)對象之一。本期“賽車上的空氣動力學”將為您解釋為什么空氣動力學對F1賽車成績的提高起著至關重要的作用。
 
一、極致的賽車空氣動力學
F1空氣動力學專家花費不計其數(shù)的時間和資金來改進賽車的空氣動力學性能，一小塊前鼻翼上的翼片的優(yōu)化可以使賽車的單圈時間減少0.008秒。你可能會質(zhì)疑，為了這0.008秒的圈速而付出的巨大努力是否值得。但大量的這些微小的優(yōu)化工作整合在一起會明顯改善賽車的氣動性能，從而使賽車更有競爭力。
結構極其復雜的F1賽車前鼻翼
在正式比賽中，車隊甚至會將某些空氣動力學優(yōu)化部件安裝在某一位車手的賽車上，以對比優(yōu)化前后的效果。
同一場比賽同一只車隊針對不同車手的空氣動力學套件
F1賽車的氣動阻力系數(shù)在0.7和1.0之間，是目前普通乘用車的二至四倍。其中一方面的原因是賽事的規(guī)則限制（例如：F1賽車必須是開放式車輪），另一方面是因為F1賽車的下壓力通常比阻力更重要?？諝鈩恿W工程師必須良好地處理下壓力與阻力之間的關系，從而使賽車更有競爭力。
F1賽車的氣流流線仿真結果
二、直線和彎道不可兼得
如果單純降低賽車的阻力，那么賽車在直線行駛時的速度會更快，阻力可能使賽車的單圈速度降低3%-5%。換句話說，假設阻力降低到零，那么賽道單圈時間也不會減少5%以上。如果賽車能夠利用其外形在輪胎上獲取一定的額外下壓力，那么賽車在過彎時的速度會更快。然而，假設移除所有的下壓力，那么賽車的單圈時間可能會增加25%甚至更高?？諝鈩恿W套件的使用可以使賽車在高速彎時的速度大幅提升，即使增加空氣動力學套件可能會減少賽車的極限速度，但是賽車的平均單圈行駛速度會顯著提高。
搭載不同空氣動力學套件的賽車的氣動性能比較
空氣動力學套件（例如：前鼻翼和尾翼）以及賽車的空氣動力學性能在不同特性的賽道上都不一樣。此外，制動器冷卻氣流通道以及發(fā)動機冷卻氣流通道等空氣動力學輔助裝置也會針對不同的賽道進行設計。例如：在比利時斯帕賽道需要中等級下壓力配置，而在意大利蒙扎賽道則需要低下壓力低阻力配置（如下圖所示）。
針對不同賽道的空氣動力學調(diào)教
三、精心設計的空氣動力學套件
賽車其他的配置（例如：賽車懸掛系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、發(fā)動機等）并沒有直接影響賽車的氣動性能，但可能需要新的空氣動力學套件以滿足其性能要求。下圖為法拉利不同賽季的賽車對比，上半段是2016款賽車SF16-H，下半段是為2015款賽車SF15-T。SF16-H賽車升級了動力總成并縮短了軸距，從圖中可以明顯地看到賽車的鼻錐、前鼻翼、側廂、發(fā)動機散熱器出口、尾翼等部位的差異。
法拉利車隊不同賽季的賽車對比
賽車在高下壓力配置下，在36m/s（129km/h）的速度時制造的下壓力可以等于其自身的重力（包含賽車手的重力）。換句話說在這種速度下，賽車可以貼在隧道的頂部行駛。事實上，為了保持對賽車的控制，需要不停地操控賽車轉(zhuǎn)向并需要足夠的力使賽車緊貼隧道頂部從而保證輪胎與壁面的摩擦系數(shù)滿足動力學要求。因此，理論上需要45m/s（162km/h）以上的速度使賽車能夠緊貼隧道頂部行駛。
利用KIEL探針陣列在賽道上采集空氣動力學數(shù)據(jù)
四、總結
綜上所述，為了在賽道上有最佳表現(xiàn)，F(xiàn)1空氣動力學工程師必須根據(jù)不同的賽道、不同的賽車配置甚至不同的賽車手來研發(fā)賽車的空氣動力學套件。任何一小塊車身表面翼片的調(diào)整都足以影響賽車的性能，因此，空氣動力學研發(fā)對于F1賽車來說有著舉足輕重的地位。
CAERI 視點
F1賽車的空氣動力學研究成本高昂，但各車隊依然投入巨額資金，不斷改善賽車的空氣動力學性能。雖然普通乘用車與F1賽車相去甚遠，但針對乘用車的空氣動力學研發(fā)和造型設計可以參考F1空氣動力學的研究方法和研究成果。目前越來越多的超級跑車在車身的某些部位借鑒了F1賽車的空氣動力學設計理念，包括：前保險杠、尾翼、制動器和發(fā)動機散熱、車底板結構、尾部擴散器等。在進行F1空氣動力學研究的過程中，一些研究方法例如：風洞測試、流動可視化試驗、CFD等得到充分發(fā)展。而這些研究方法對于普通乘用車的空氣動力學研究也是必不可少的。因此，作為最頂尖的汽車制造技術，針對F1賽車的空氣動力學研發(fā)勢必會影響整個汽車工業(yè)的發(fā)展。
                                        作者：重慶中汽研曾弈  
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