那双托起飞机的“无形大手”是如何让F1赛车贴地飞行的？_新浪财经

不论是前翼还是后翼，抑或整车的空气动力学设计，都是实现“以最小的阻力产生最大的下压力”这一目标。

在航空领域常见的，如通过翼刀、翼尖小翼来梳理、引导气流的气动设计等“小手段”，在F1赛车的空气动力设计上也有着类似应用。

位于前翼后的车轮产生的涡流会直接影响到整车的气流流场。2022年F1新规则下的新赛车，在轮胎上方增加了扰流翼片，它的出现将控制前轮涡流，防止它破坏汽车其他部分的气流流场。

高速气流穿过F1赛车的前翼，如果没有很好的引导，它就将直接撞到轮胎并乱作一团，会影响到整车中后部的空气动力学性能。

不论是航空领域还是F1赛车身上的空气动力学，远比这篇几千字文章所涉及的要复杂太多太多！

50年代末诞生的F-4“鬼怪”Ⅱ战斗机，它的全动水平尾翼有着尤为明显的向下“耷拉”特征。这样的设计，一个重要原因就是为了避开前方机翼湍流的不利影响，如果没有这样的一个下反角，比如在大迎角状态下（比如降落阶段），机翼的下洗气流会影响平尾的俯仰控制能力。郑宇航　　4月21日，F1中国大奖赛落幕。“F1第一位中国车手主场首秀”“时隔五年F1回归”“F1中国20周年”，让今年“上赛”盛况空前，堪称今年中国最大的一场体育嘉年华。对于赛车迷来说，久违了的发动机轰鸣热浪，围场内赛车风驰电掣，携全场雷山呼海啸的呼声，在空气中留下尖啸的阵阵回响。　　那么，在航空迷的眼中，这场关于地表速度的竞赛，F1赛车的每一个转弯和直道都见证了，有一双无形的空气动力学大手，正将赛车稳稳地按在赛道上，让它贴地飞行，高速过弯。也同样是这双空气动力学的大手，托举起飞机冲上蓝天、赋予人类一双翅膀。所以，这期早读，我们就以空气动力学的视角来看一下，F1赛车贴地飞行背后的技术奥秘。从升力到“负”升力让赛车贴地飞行　　对于飞机之所以能飞起来，简化下来的解释是：空气流过机翼（通常是上表面向外弯曲的程度较大、下表面相对较平）的上下表面，上表面空气流速加快、压力变小（根据伯努利定律），下表面的空气流速减慢、压力变大，上下翼面的压力差，便产生了托举飞机飞上蓝天的升力。而在上世纪60年代末，后翼（也有称“尾翼”）引入到F1赛车上，此后前翼、后翼就成了F1赛车上的标配。而F1赛车上的前后翼，在翼型（翼的剖面形状）上就是倒置过来的飞机“机翼”。　　那么，当空气流经F1赛车前后翼，下翼面气流是流速高、压力小，上翼面的空气是速度低、压力大，从而产生了“负”升力，即空气对赛车的“下压力”。这双无形的大手“下压力”让F1赛车得以牢牢地抓住地面，在直道少、弯道多的F1赛道上，F1赛车能够以尽可能高的过弯车速、更好的操控性、更稳定地通过弯道（尤其是高速弯道），进而创造更佳的围场战绩。装上了倒置机翼F1赛车设计方向剧变　　上世纪60年代，美国德克萨斯赛车手兼汽车设计师吉姆·霍尔（Jim Hall）率先在他的Chaparral 2E和2F跑车上安装了后翼。F1莲花（Lotus）车队的创始人、赛车设计师柯林·查普曼（Colin Chapman）很快将“后翼”引入他的车队F1赛车上，而效果是立竿见影的，高速下后翼产生更大下压力，大幅提高了赛车过弯的速度和稳定性，比赛成绩由此不断刷新。　　不过，最初前翼、后翼在赛车上的布置还是比较简陋的。比如，全宽后翼通过螺栓固定安装在后悬架上，或者由细长的支柱（长度1.2米）来更高地支撑起。也因此，有时空气动力那双无形的大手会将前后翼直接压塌，乃至威胁赛车手的安全。这也让F1规则做出修改，对前后翼的高度、宽度、位置等做出越来越严格的规定，它们被要求布置在赛车较低的位置，也开始与车身作为整体来通盘设计。空气动力学主宰F1赛车的性能和设计　　就这样“将机翼倒置装上赛车”，F1赛车的设计方向发生了重大转变，空气动力学开始在F1赛车上扮演起越来越重要的角色，直至如今成为F1赛场上胜负天平上最重要的砝码。空气动力学，不仅在一年又一年的新赛季中再造各家车队新车的外观，也几乎主宰着一辆赛车的全部性能。特别是，随着发动机研发、轮胎特性等趋于稳定，空气动力学开发所带来的性能优势将直接决定新赛车是“火星车”还是“地球车”之列。也因此，F1赛车的悬架设计、动力总成、构造和布局等都要服从于空气动力学的要求。　　在为F1赛车装上“倒置的机翼”后，那些围绕机翼的一系列空气动力学领域的理论定律、效应，发生在机翼上的种种空气动力学相关的现象，也都在贴地飞行的F1赛车前后翼、扰流片（整流片）等赛车上表面的空气动力装置上处处应验着、发生着。比如伯努利定律、文丘里效应、边界层理论、流过F1赛车的湍流、失速现象、地面效应、康达效应等等。F1赛车前翼产生下压力和引导气流　　首先，来看F1赛车上第一个接触前方气流的前翼，由它直接提供的下压力在整车的比例中虽算不上大，但它的设计直接影响后方部件的空气动力学效率，因此，它是整个赛车空气动力学设计中至关重要的一环。和飞机的机翼一样，F1赛车的前翼在产生下压力同时，翼面会产生翼后涡面、翼片尖端会形成翼尖涡流，同时还会使气流“上洗”（在机翼中对应的是，翼尖涡的作用下，气流向下倾斜，产生“下洗流”），它们一并影响赛车中后部的气流流场、空气动力学性能，也包括后翼的空气动力学效率等。　　所以，F1赛车前翼的一个设计要求是，如何更好地引导气流，使车头处的高速气流能够流向对赛车最有利的方向，比如通过增加翼尖端板（类似于飞机上的翼尖小翼）来直接引导气流恰到好处地通过轮胎。另外，对于采用纵向多片翼面组合的前翼，这几组翼片的攻角越大（前缘与后缘的翼弦更长），产生的下压力越大，但当超过一定幅度，又会导致气流分离（也就是“失速”）、下压力不增反降，以及还会造成前翼的迎风面积大、增加了空气阻力。勺子形的后翼与“生成”下压力的底板　　对于F1赛车后翼来说，车体后部的空气流动已经受到了前翼、前轮、后视镜、车手头盔、侧舱和排气管的影响，这就导致后翼的空气动力学效率低于前翼，但为了平衡赛车的操控性，后翼通常要产生与前翼基本相当（或更大）的下压力。因此，为了避开赛车前中部某些部件产生的涡流影响，后翼的外形就并不见得一定是平直的，有的是中间凹、有的是中间凸起，总之工程师会对翼型做专门优化，在密密麻麻的规则框架下，寻求以最优的角度、高度、翼型等来迎接气流，并产生既定的下压力。　　一辆F1赛车的下压力的三大主要“来源”，除了车体上部分的前翼、后翼外，剩下的就是来自赛车的底板和扩散器。在2022年F1赛车新规、引入“地面效应”之前，这三者对下压力的贡献率，因为不同年代、不同车队的赛车设计思路之别而有很大的差异，比如既有趋近于各占三分之一；也有大约20%~30%由前翼产生，30%~40%由后翼产生，底板和扩散器贡献50%上下等。　　通常来说，F1赛车的底板和扩散器贡献了大部分“下压力”。对于，2022年F1赛车新规之前的赛车来说，赛道上驰骋，高速气流流经几乎完全平坦的赛车底板，在抵达车尾的扩散器时，气流由于康达效应（也称“附壁作用”）会顺着底盘、扩散器斜面方向加速流出，好似一双无形大手正将气流源源不断地从车底掏出，在气流加速“逃离”车底后，由此在车底形成了负压区（或者根据伯努利定律的解释，底板处的空气流速更高、压强更低），从而对赛车产生了向下的下压力，让赛车进一步稳稳地贴地飞驰。和飞机一样F1赛车也受风、海拔影响　　就像天上的飞机，它的升力会受到天气特别是“风”的影响，贴地飞行的F1赛车，它的空气动力性能同样受到天气这个关键外部条件的影响，同样是来自“风”的风向或风速的变化就会直接影响到F1赛车的性能、赛车的操控体验。　　在飞机身上，逆风起航，将产生更大的升力、起飞距离也得以缩短。那么，对于在逆风情况下进入弯道的F1赛车来说，逆风带来了更大的下压力，因此可以以更快的速度稳稳地驶过弯道，同理，顺风的话，下压力就会相对变小了。同样，与飞机在高海拔地区会因为空气密度的下降造成升力下降类似，F1赛车在墨西哥等高海拔赛道风驰电掣时，也会遇到下压力“衰减”的情形。　　这些再次说明了，空气动力学的那双无形大手正主宰着F1围场，F1是世界上把空气动力学利用得最为极致的赛车类型。而随着2022年F1赛车规则的修改，F1赛车进入了“地面效应”时代，前翼、后翼的空气动力学性能被削弱，赛车的底板成为生成下压力的绝对主力。那么，空气动力学又塑造了怎样的新一代F1赛车，我们下期继续……