[F1专栏]「可动式底盘」的启示

2020-06-09

针对澳洲站结束后引发的「可动式底板」纷争,FIA科技小组正着手做出更严苛的赛前验车程序,预料F2007赛车在直线道的「尾速优势」将有不小的影响。值得注意的是,从最近两年F1车队空力套件的发展观察,我们不难发现新世代空力套件设计哲学已经从过去「追求更大下降力」转变为「减少直线道阻力」,这与FIA主席Max Mosley过去持续推动的各项改革脱不了关係。

[F1专栏]「可动式底盘」的启示对F2007赛车底部好奇的人不在少数
「可动式底板」的威力有多大?我们或许可以从FIA公布的週六排位赛各车手赛车极速的排名略知一二:两位Ferrari车手Raikkonen与Massa高居前两名,其赛车尾速与主要竞争对手Fernando Alonso及Lewis Hamilton有着不小的差距!「可动式赛车底板」利用弹簧、细金属支柱或者钢缆来连接车身与驾驶座下方的气流分散板底板,这项设计的首要目的就是减少在直线道行驶时的空气阻力,其原理为可动式底板在高速时可上升,因而封闭气流流向车身下方的通道、间接使得赛车尾部的Rear Diffuser停止作用(减低空气下降力与空气阻力),我们在之后的段落仔细介绍。


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空力套件从上个世纪1970年代成为F1赛道上的显学,其最早的功用是为了增加车辆的抓地力(Grip Force)而提升车辆过弯速度,进而提升单圈表现。当时的车队工程师发现如果能阻止(或是加速)空气流入车身底部、就可以造成车辆底盘与地面之间成为「接近真空」的状况,这样车辆就可以如同吸盘般牢牢吸附在赛道上(Ground Effect的定义:空力套件距离地面的距离越小、它所发生的作用就越大)。1978年的Lotus车队与1979年的Ferrari车队就率先应用了这个理论,这类车辆的最大特色就是「车辆两侧部分加装了与地面接触了裙脚(Skirt),赛车前方装设了引导空气流向两侧的气霸」。可惜之后FIA却以安全因素禁止了裙脚的使用:首先是禁止Sliding Skirt(与地面接触的软质裙脚)使用、到了1983年FIA将Flat-Bottom Regulation(车身下方必须平坦的)规定的导入更禁止了一切由底盘向下延伸的空气力学设计,至此Ground Effect Era才算是轰轰烈烈地正式寿终正寝。90年代更规定赛车中央部分必须低于两旁以有效减低地面效应的效果。也就是这个部分经常摩擦地表、让我们在电视转播中看到火花四溅的特效。

[F1专栏]「可动式底盘」的启示空力设计是过去30年F1赛坛的显学
在Ground Effect Era结束之后,F1工程师们又发现了另一个可以提供大量下降力的空力设计:Rear Diffuser,它是位于位于F1车身尾部的一种逐渐向上延伸的结构,应用的原理则是流体力学的基本定律:白弩利定理。当车身下方的空气流过Diffuser时、因为通过的截面积增大而使流速变慢,此时会造成压力增大的情形(白弩利定理是一个能量守恆定理,意即流速增大则压力变小、流速变小则压力称大)。这种现象可以加快车身下方的空气造成「暂时真空」效果(其实也就是也就是另一种形式的Ground Effect),在Rear Diffuser发展的全盛时期时它甚至负责产生F1赛车70%以上的下降力!一直到1994年FIA政策急转弯,强制缩短Diffuser的长度之后它的重要性才稍微降低(目前仍然佔约40%的车辆下降力分布)。

[F1专栏]「可动式底盘」的启示Rear Diffuser的设计也在超级跑车上出现
然而,由空力套件产生的Downforce有另一个重要的特性,就是一般来说如果要产生较多的Downforce、就必须付出较多的Drag Force(拖曳力)做为代价,我们可以用「增大空力套件的倾角(angle of arrack)」这样的例子来想像,例如调大赛车尾翼倾角或加大尾翼面积的确可以增加下降力、但同时也增加空气阻力。所以「如何在车队可以接受的空气阻力上限之下产生最大的下降力?」就是赛车空力设计师的首要挑战。由于FIA过去几年透过减少引擎汽缸、长寿引擎和转速上限降低车辆进弯速度有成,透过提升车辆下降力进而提升车辆过弯速度的重要性显着降低。F1空力工程师开始把重心转移至「如何减少直线道时的空气阻力?」的领域,如2006年赛季初期引起轩然大波的「弹性尾翼」其原理是上层尾翼在高速时大幅向下弯曲,紧贴的上下两层结构将大幅减少空气阻力(也同时降低下降力,但对直线加速过程影响很小),目的也提升高速弯道或直线道的极速,与现在的「可动式底板」有着异曲同工之妙。

目前的F1科技规则要求任何赛车部件在验车时都必须通过严格的变形测试,关于车身底板的规定是当受到500牛顿的施力时,底板垂直变形幅度不得超过5mm,预料马来西亚站时FIA会颁布更严格的规定。不过F1空力设计师寻找灰色地带、进而突破限制的意志绝对不会改变。

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