顶尖的空气动力学设计

2003 级生物工程 何冬旭

在赛道上，一级方程式赛车可以达到 370 公里的时速；而一辆波音 747 飞机的起飞时速在 280-300 公里之间。根据一级方程式的换算模式，想要将赛车的最高时速提高 1 公里，则需要发动机功率平均增加 7 马里，而车队在发动机上将很难有所作为：如果将赛车空气阻力值减少1% ，那么赛车的最高时速将能够增加 3 公里。一场比赛，特别是排位赛，往往就取决于这么0.001 妙。一级方程式赛车时速在 120 公里的时候，车翼产生向下压力达到 300 公斤：时速到 240 公里时，这样的压力达到 120 吨。这样理论上说，车身自重 700 公斤的 F1 赛车完全可以在天花板上倒着开。

F1 的高速度需要轮胎尽可能的保持与跑到路面接触，这样才能让发动机产生的动力变成前进的动力。空气动力学套件的目的是在保证赛车获得足够下压力的情况下拥有最小的空气阻力，以提高赛车的速度和高速行驶的稳定性。

赛车的下压力是靠抗流翼来完成的。在F1 赛车上所使用的扰流翼其实基本原理与飞机的机翼是相同的，只不过飞机的机翼是产生向上抬升的力量，而赛车的扰流翼则是要产生向下压制的力量。

　当气流通过了赛车时，空气会因为赛车上的各种形体变得混乱而形成一种阻流，尽管这个力量相对于下压力来讲是很小的，但会严重地影响赛车的极速与引擎的油耗，因此阻流对 F1 赛车来说是非常重要的，所有暴露于气流中的形状最好都是要流线型的，最明显的例子就是现在的悬臂，它们已被做成翼狀，虽然上下两面是一样的，但这可以减少赛车在高速时由悬臂所产生的阻流，所以大概在同样的路段中，现在的悬臂产生阻流的机率会比过去的少 10 次以上。

空气力学悬臂为什么产生较少的阻流，这是因这外观比率的关系，当赛车以高速行进时，圆柱体的悬臂会让分开的气流无法保持一定的行径，而在悬臂周围流窜，结果悬臂的前后产生不同的气压，如此一来加大了阻流的产生。而空气力学悬臂会让气流较能保持一定的路线而降低前后气压差別的增加，也就減少了阻流。除此之外，悬臂表面的摩擦力亦能左右阻流的产生，但是比起悬臂的形状小得多，也就是说如果气流无法顺畅地通过悬臂，就会产生阻流。

尾翼是 F-1 赛车外观上重要的一部份，尾翼的组合被当前的比赛规则限制在只能有三片。透过调整前后翼的设置，车队可以控制赛车的抓地力来配合不同的赛道特性及底盘本身所产生的定值的下压力。理论上，翼面角度越陡，产生的空气动力学的拖放阻力越大，车速提高时对车辆产生的下压力越大。同时，陡峭的翼面设置会降低赛车的速度表现以及增加油耗。 F-1 赛车空气力学的最高境界就是『平衡』。 F-1 赛车的抓地力约有 1/3 是由前轮负担，有超过 2/3 则是由后轮负担。在前轮采用低下压力的设置可以提高车速，但同时也会提高转向不足的趋势；转向不足就是车头会开始滑向弯外侧。相对的，如果车尾的下压力不足，那么会有转向过度的倾向，车尾就会开始打滑。

每一块尾翼都有其最佳攻击角，在这个角度下，下压力系数与风阻系数之比示最大的。设计尾翼，并不是下压力越大越好，而是空气动力学效率越大越好。空气动力学效率就是下压力和空气拖放阻力的比例 。观察赛车的侧面，就不难发现从车头至车尾的线条会朝着车顶向上呈弧形，而车底则十分的平坦，其实这个形状类似机翼截面的形状。

如车顶和尾部的夹角在 30 度之内，它所造成的气流拉力会较超过 30 度的设计更低。所以有些人就会想当然的认为只要将后部的和车顶的夹角控制在 28至 32 度之间，就能同时兼顾浮升力和空气拉力的问题。其实问题并没有那么简单，在这个角度范围里气流既不能紧贴在车体上也不足以造成乱流，如此一来将很难预计空气的流动情况。因为汽车在行驶时并非在一个水平面上行驶，随着悬挂系统的上下运动，其实汽车的离地距离是一个变量，而气流在流过车体上下所造成的压力差也会随时改变，同时在车辆过弯时车尾左右的气流动态也会对车尾的气流情况造成影响。当尾窗与车顶的夹角介于 28至 32 度时，车尾将介于稳定和不稳定的边缘，这其实非常危险的。

空气动力学套件是基于风洞实验来开发的。现代风洞的主要作用是将赛车模型放在内部的钢铁传送带上，模拟赛车在路面上的各种情况。通过对采集到的数据进行综合分析，可以准确地检测到赛车在路面上受到各种因素干扰时的状况。这种模拟可以将赛车空气动力学部件的精度提高 30％。

除了获得下压力，空气动力学在 F1 赛车的设计中还被应用于动力系统和刹车系统的冷却，以及对赛车操控稳定性的提高等诸多方面，这甚至还包括车手头盔的造型。在过去的二十年中， F1 赛车车速能够大幅提高也应主要归功于赛车空气动力学研究的进步，而绝非动力性能的提升。今天，赛车的空气动力学特性已经成为衡量赛车性能的重要标尺。

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