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F1赛车场上的赛车理论上性能没有区别为什么赛车还会有快有慢?

2021-11-20汽车

2022年3月,巴林国际赛道,当梅赛德斯奔驰第一次拿出了与众不同的零侧箱设计时,他们瞬间成为了全世界车迷讨论的焦点,数不胜数的车迷、媒体预测奔驰将会无情地拿走第九连冠。而短短几天后,2022年3月18日,F1新规则盛大的揭幕式上,奔驰三四名完赛的成绩也难以掩盖他们持续一整场的疲软表现,从那以后缠绕了他们接近一整年的海豚跳,也宣告着曾经叱咤风云的八冠王朝已经彻底更迭。零侧箱设计自然成为了车迷口诛笔伐的焦点。为什么奔驰车队会选择如此激进的设计呢?零侧箱给奔驰带来了什么?代价又是什么呢?本期赛车风云录,我们将分上下两期为您剖析零侧箱背后的秘密,看看奔驰车队做对了什么,又做错了什么。

预谋已久

如果你从2018年就开始关注F1赛车的技术细节,你可能对于奔驰车队喜欢收紧车身的设计风格有所耳闻。让我们看看下面这些赛车,你大概就能明白了

这是奔驰车队从2018年开始的车身设计,引擎罩像是紧身衣一样紧贴下方十分紧凑的引擎包装,并且这样的设计思路一以贯之,从未改变。围场中的其他车队也十分眼馋这样的设计思路。2021赛季,Alpine的执行总监Marvin Budkowski面对媒体时直言不讳的表示,「我们认为更窄的侧箱能带来更高的性能」 但这并不是嘴上说说这么容易。根据奔驰前技术总监阿里森的说法,奔驰车队的引擎部门从2019年开始就尽全力升级他们的引擎,让发动机可以在更高温的工况下稳定运行,而这正是奔驰车队可以收紧车身乃至于丢掉侧箱的底气。要知道,他们的友商法拉利车队甚至直到2021赛季才开始逐渐收紧他们侧箱后面的可乐瓶区域,这和他们2019赛季以来引擎的高热量特性是分不开的。

而收紧车身的优点其实也是显而易见的。更紧凑的尾部给后悬挂设计、气动设计都留出了足够的空间。在大量降低阻力的同时,也给可乐瓶区域的气流设计提供了新的思路。在传统的可乐瓶区域中,气流一般会被迫分为上下两个通道,而更加收紧的尾部、更小的侧箱再搭配侧箱后面大角度的下切,这两个通道的气流会迅速融合,更高能量的气流将会直接流向后刹车区域,同时减少了传统可乐瓶区域里低能量气流分离的现象。这个时候细心地马修可能会问了,这样分割出上下两个通道不正是现在大多数车队采取的下洗策略吗?没错,在2022赛季梁翼被规则允许之前,这样收紧的设计确实可以给车队争取到上面提到的种种优势。但梁翼出现以后这两种方案孰强孰弱并不能这样简单的分析,很明显奔驰也在这两种选择中摇摆了许久,不然他们就不会在2022赛季开始前推出两款赛车。而最终他们还是选择了这个看似更加极端的方案,也让他们踏上了和其他车队截然不同的研发道路。

气流设计

正如前面所说,奔驰车队的气流设计不同于其他车队,但其设计目的其实是大同小异的。正如时任技术总监埃利奥特所说,他们并没有和其他车队在气动方面差的很多,只是实现方式和外观看着不太一样而已。事实也确实如此,一般而来说,车身部分的设计目的主要有两个,一是减少气动阻力,二是为气动套件梳理气流。奔驰的减阻思路不同于法拉利为代表的浴缸设计或者阿斯顿马丁为代表的滑梯设计,奔驰车队放弃了花里胡哨的凹槽,而是采用更直接的减少投影面积的方法来减少气动阻力,结合气动阻力的计算公式,我们很容易理解这样紧凑的设计是如何减少阻力的。另外,减小侧箱乃至于丢掉侧箱,让奔驰车队在沿着赛车的轴线位置获得了更多的空间,只要气流的分离、附着控制得当,大量的干净气流得以从这个区域流向车辆后部,这将会给尾部诸多套件带来巨大的性能提升。

不过理想总是很丰满的,F1的气动设计也绝对不是这样想当然的结果。经验丰富的马修应该很快就会问了「没有侧箱的支撑,奔驰要怎样管理他们的前轮乱流呢?」这也正是绝大多数车迷疑惑的地方,是啊,我们之前的节目中也有讲到侧箱的一大功能就是产生高压区推开前轮的乱流,那奔驰又是如何做到不用侧箱就控制好轮胎乱流的呢?别急,接下来的内容有点干,但你会对F1的空气动力学有更加深刻的理解,欢迎来到涡流的世界。

涡流发生器

相信你一定注意到奔驰了奔驰侧箱正上方那个形状怪异的防撞结构,这正是零侧箱也能管理好气流的关键所在。唉,你有没有觉得它很像其他东西,假如这样对比呢?

没错,奔驰车队防撞结构的气动外形设计,让它近乎以一对「机翼」的形态存在于车身上,你甚至就可以把它看为一对机翼,目前暂时没有一个合适翻译称呼它,我们暂且叫它中翼。它与机翼相同,会在翼片的上方产生低压区,下方产生高压区,下方的高压气流在翼尖处产生向低压区流动的趋势,从而产生了一个巨大的涡流,在航空领域里,这便是我们熟悉的翼尖涡。通过这个仿真视频,我们明显可以看到翼尖涡产生的过程。中翼下方的高压区和这个巨大的涡流,将前轮的乱流推向车身以外,实现了和有侧箱的赛车一样的气流管理,来看看下面这张仿真图像把,在前轮轮毂罩存在的情况下,奔驰车队对前轮乱流的管理甚至要优于某些有侧箱的车队。

你以为这就结束了?并不是哦~新规下巨大的竖直列板同样有着相同的功能。奔驰车队最外边的高大尖锐列板,同样是气流管理的决定性因素。

经过前悬架梳理的高速低压气流以设计好的流线流进底板下方,而列板外侧则是低速高压的区域,这同样会产生出一个巨大的涡流,我们可以称之为底板前缘涡。这块巨大的列板不仅仅可以从物理层面推开前轮乱流,它产生的涡流更是对底板性能产生了至关重要的影响。再来看这个仿真视频,我们可以明显看到刚刚提到的两大涡流。得益于和其他套件的配合以及涡本身的诱导速度的存在,这两个旋向相同的涡构成了空间上相对稳定涡对,翼尖涡在车身上方稳定悬浮推开乱流,前缘涡在底板边缘稳定存在给地板抽气制造更大的负压区。甚至由于涡是低压区,低压的涡拍打到后轮上会比干净气流直接拍打到后轮上减小更多的阻力。并且,我们推测中翼边缘、后视镜下方的翼片也是同样的作用,这些小型的涡流发生器通过产生若干小涡流来诱导、控制甚至强化中翼产生的翼尖涡,真是精妙的设计,不是吗?

而这丝滑的体验就像(好运来)我们今天赞助商 CAMMUS C5一样,作为国产赛车模拟器的代表之一,采用直驱技术,并把直驱和便携有效结合起来,适合入门级玩家随时随地开启赛车之旅,和家人朋友一起分享驾驶快乐。不论是在卧室、书房、还是宿舍都可以轻松驾驭。通过桌面端软件自定义方向盘的灯光和旋钮设置,打造专属自己的赛车风格。我们手上这套1999的套装就已经包含了方向盘、基座和CP5双踏板三件套,而顶级三踏板配置也仅需3088.不愧是入门级模拟器的不二之选。目前正逢频道两万粉丝在即,我们决定在2万粉成就达成后,在直播间送出这套价值1999的cammus模拟器,请大家积极关注频道的后续动态,感谢各位马修一直以来的支持,比心。

我们继续回来,既然前轮的干扰已经解决了,那是不是就意味着可以下班吃饭、躺着夺冠了呢?哈哈哈,当然不是。上面的方案只是解决了减阻和气流管理两个方面的问题,而尾部的气流强度和有侧箱的车队相比孰强孰弱,我们并不能这样轻易地下结论。奔驰的解决方案依旧是利用这个小小的中翼来产生下洗气流。它的原理涉及到一些基础的航空知识和升力的产生原理,深究下去甚至涉及到环量等等比较复杂的粘性流体力学知识,我们在此就不过多赘述了,感兴趣的马修可以留言告诉我们,我们找机会开一期节目专门讲讲这些基础的原理。在这里我们只需要知道,翼尖涡的存在进一步加大了中翼的下洗趋势。无论是法拉利风格的浴缸、阿斯顿马丁风格的滑梯还是红牛风格的下洗侧箱,他们的起始位置都在这附近,而这些部件的存在,也都是为了提高梁翼以及后刹车翼片的性能,那么这些方案孰强孰弱呢?我们马后炮一下,从奔驰的摩纳哥升级计划中,后视镜支架和中翼导流翼片都没有调整的做法来看,他们对自家的气流控制方案应该还是很满意的。但从他们采用全新的下洗风格侧箱来看,零侧箱赛车的尾部气流强度并不尽如人意。什么?你问为什么会这样?这涉及到另一个更有意思的知识,想想就让人兴奋。

能量掺混

玄机就藏在刚刚的仿真视频里,细心地马修可能刚才就在弹幕里面发现了。其实阿斯顿马丁也有一个涡流在车身上方不是吗?没错,如果你观察的再仔细一点,你会发现这个涡起源于前轮的后部,并且他会逐渐向车身方向靠近。同时,我们可以发现这个涡的旋向和奔驰的中翼产生的翼尖涡是相反的,他很好的说明了侧箱存在的另一大意义,吸引外部的高能量气流。在这个仿真中,红色区域就是高能量气流。通常意义上来说,靠近壁面的气流由于粘性的存在速度为零,这就是低能量流,相反,远离壁面的就是高能量流。为了最大化尾部气动套件的性能,我们希望更多更强劲的高能气流流向他们。阿斯顿马丁,以及剩下在侧箱上开槽、打洞等等等等的车队,都在侧箱内部产生了一个高速流动的低压区,轮胎小翼甚至前翼抛来的涡就会被拉到侧箱附近,而涡在旋转过程中也将外部气流的能量重新注入到了侧箱附近,配合侧箱上方和侧箱下方两个通道的高能量气流,尾部套件的性能将被极大的提升。而奔驰车队在侧箱上方的超大翼尖涡由于旋向相反,高能量气流只能绕着它从上方重新掺混进来,搭配车身附近被翼尖涡保护好的高能量流,流向尾部。一个中翼就能实现如此多极致的功能,这真的是一个优秀的设计…….真的是这样吗?

结局

巴林大奖赛,由于轮胎温度问题七冠王汉密尔顿出站便被新秀周冠宇无情超越。无休无止的海豚跳引来对手乃至死敌的嘲讽。自家引擎性能疲软,当家车手不断传出退役传闻,八冠王朝彻底崩塌甚至被老对手法拉利超过,2023年全年积分甚至不到榜首红牛车队的一半。奔驰车队到底怎么了?如果问题不是侧箱,那问题究竟在哪里呢?

这是奔驰车队技术分析的第一期节目,下一期节目中我们将为您剖析奔驰车队的问题所在。感谢各位马修的收看,你们的支持一直是我们更新的动力,让我们下期节目见。