科普 | F1赛车为什么需要空气动力学?

添加时间:2016-08-16   点击次数:2363

在各大汽车赛事尤其是一级方程式锦标赛(F1)中,空气动力学一直是各大车队的重点研发对象之一。本期“赛车上的空气动力学”将为您解释为什么空气动力学对F1赛车成绩的提高起着至关重要的作用。

一、极致的赛车空气动力学

F1空气动力学专家花费不计其数的时间和资金来改进赛车的空气动力学性能,一小块前鼻翼上的翼片的优化可以使赛车的单圈时间减少0.008秒。你可能会质疑,为了这0.008秒的圈速而付出的巨大努力是否值得。但大量的这些微小的优化工作整合在一起会明显改善赛车的气动性能,从而使赛车更有竞争力。

结构极其复杂的F1赛车前鼻翼

在正式比赛中,车队甚至会将某些空气动力学优化部件安装在某一位车手的赛车上,以对比优化前后的效果。

同一场比赛同一只车队针对不同车手的空气动力学套件

F1赛车的气动阻力系数在0.7和1.0之间,是目前普通乘用车的二至四倍。其中一方面的原因是赛事的规则限制(例如:F1赛车必须是开放式车轮),另一方面是因为F1赛车的下压力通常比阻力更重要。空气动力学工程师必须良好地处理下压力与阻力之间的关系,从而使赛车更有竞争力。

F1赛车的气流流线仿真结果

二、直线和弯道不可兼得

如果单纯降低赛车的阻力,那么赛车在直线行驶时的速度会更快,阻力可能使赛车的单圈速度降低3%-5%。换句话说,假设阻力降低到零,那么赛道单圈时间也不会减少5%以上。如果赛车能够利用其外形在轮胎上获取一定的额外下压力,那么赛车在过弯时的速度会更快。然而,假设移除所有的下压力,那么赛车的单圈时间可能会增加25%甚至更高。空气动力学套件的使用可以使赛车在高速弯时的速度大幅提升,即使增加空气动力学套件可能会减少赛车的极限速度,但是赛车的平均单圈行驶速度会显著提高。

搭载不同空气动力学套件的赛车的气动性能比较

空气动力学套件(例如:前鼻翼和尾翼)以及赛车的空气动力学性能在不同特性的赛道上都不一样。此外,制动器冷却气流通道以及发动机冷却气流通道等空气动力学辅助装置也会针对不同的赛道进行设计。例如:在比利时斯帕赛道需要中等级下压力配置,而在意大利蒙扎赛道则需要低下压力低阻力配置(如下图所示)。

针对不同赛道的空气动力学调教

三、精心设计的空气动力学套件

赛车其他的配置(例如:赛车悬挂系统、电子系统、发动机等)并没有直接影响赛车的气动性能,但可能需要新的空气动力学套件以满足其性能要求。下图为法拉利不同赛季的赛车对比,上半段是2016款赛车SF16-H,下半段是为2015款赛车SF15-T。SF16-H赛车升级了动力总成并缩短了轴距,从图中可以明显地看到赛车的鼻锥、前鼻翼、侧厢、发动机散热器出口、尾翼等部位的差异。

法拉利车队不同赛季的赛车对比

赛车在高下压力配置下,在36m/s(129km/h)的速度时制造的下压力可以等于其自身的重力(包含赛车手的重力)。换句话说在这种速度下,赛车可以贴在隧道的顶部行驶。事实上,为了保持对赛车的控制,需要不停地操控赛车转向并需要足够的力使赛车紧贴隧道顶部从而保证轮胎与壁面的摩擦系数满足动力学要求。因此,理论上需要45m/s(162km/h)以上的速度使赛车能够紧贴隧道顶部行驶。

利用KIEL探针阵列在赛道上采集空气动力学数据

四、总结

综上所述,为了在赛道上有最佳表现,F1空气动力学工程师必须根据不同的赛道、不同的赛车配置甚至不同的赛车手来研发赛车的空气动力学套件。任何一小块车身表面翼片的调整都足以影响赛车的性能,因此,空气动力学研发对于F1赛车来说有着举足轻重的地位。

CAERI 视点

F1赛车的空气动力学研究成本高昂,但各车队依然投入巨额资金,不断改善赛车的空气动力学性能。虽然普通乘用车与F1赛车相去甚远,但针对乘用车的空气动力学研发和造型设计可以参考F1空气动力学的研究方法和研究成果。目前越来越多的超级跑车在车身的某些部位借鉴了F1赛车的空气动力学设计理念,包括:前保险杠、尾翼、制动器和发动机散热、车底板结构、尾部扩散器等。在进行F1空气动力学研究的过程中,一些研究方法例如:风洞测试、流动可视化试验、CFD等得到充分发展。而这些研究方法对于普通乘用车的空气动力学研究也是必不可少的。因此,作为最顶尖的汽车制造技术,针对F1赛车的空气动力学研发势必会影响整个汽车工业的发展。

                                        作者:重庆中汽研曾弈


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