F1中国大奖赛收官，现代赛车设计借鉴了哪些航空技术和原理？

4月21日，世界一级方程式赛车锦标赛（F1）中国大奖赛在上海国际赛车场收官。

本届F1中国大奖赛盛况空前，对于赛车迷来说堪称一场难得的“嘉年华”，久违的发动机轰鸣热浪、赛车的风驰电掣，引发了全场山呼海啸的掌声与呼喊，令赛车迷久久回味。

在航空迷眼中，在这场关于地表速度的竞赛中，每一个转弯和直道都见证着空气动力学的无形“大手”如何将赛车稳稳地按在赛道上，让它贴地飞行，高速过弯。也是这双空气动力学的“大手”托举着飞机冲上蓝天，赋予人类一双翅膀。

本期，我们就从空气动力学的视角来聊一聊F1赛车“贴地飞行”背后的奥秘。

F1赛车之所以能贴地飞行、飞机之所以能飞上蓝天，都有赖于空气动力学。图为意大利“三色箭”飞行表演队（使用MB-339教练机）以9机编队的招牌动作，为F1意大利大奖赛表演助兴。

从升力到“负”升力，赛车贴地飞行

飞机之所以能飞起来，一种简单的解释是：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。上下翼面的压力差形成了托举飞机飞上蓝天的升力。

20世纪60年代末，后翼（也有称之“尾翼”）被引入F1赛车的设计中。自此，前翼和后翼就成了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）上就类似倒置过来的飞机“机翼”。

F1赛车上的前后翼，在翼型上可以视作倒置过来的飞机“机翼”。

对比于，机翼（上图）升力的产生，将其倒置作为F1赛车的前后翼，就将产生“负”升力，对赛车的下压力。

当空气流经F1赛车前后翼，下翼面气流流速高、压力小，上翼面的空气速度低、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。这样一来，在直道少、弯道多的F1赛道上，F1赛车就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），帮助赛车手创造更好的围场战绩。

当F1赛车的“机械抓地力”（全赖于汽车自身质量、轮胎和悬架系统等）接近极限时，工程师们就要依靠空气动力学来创造“下压力”。

倒置机翼令赛车设计方向剧变

20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。效果是立竿见影的：高速行驶中后翼产生了更大的下压力，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。

1970年，一代经典F-14“雄猫”战斗机首飞，此时“变后掠翼技术”正热门。

20世纪70年代的航空技术早已进入了喷气时代，跨入了超声速时代。所以，赛车工程师从航空领域借鉴一下，给赛车装上机翼，这算不上是什么异想天开。

不过，最初前翼和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4英尺，约1.2米）来更高地支撑起来。

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，也开始与车身作为一个整体来通盘设计。

半个多世纪以来，在严格、繁琐的F1规则限制下，在各家车队对性能的取舍，以及技术路线的差异影响下，F1赛车外观经历了一次次迭代乃至巨变，这也恰似航空领域的战斗机在气动外形上的变化——天地之中的它们，外形之变无不是来自空气动力学那双手的塑造。

由空气动力学主宰的性能和设计

“将机翼倒置装上赛车”后，F1赛车的设计方向发生了重大转变，标志着空气动力学开始在F1赛车上扮演越来越重要的角色。

空气动力学不仅在一年又一年的新赛季中“再造”着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、轮胎特性等变量趋于稳定，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”。

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。

一型飞机的设计离不开风洞测试、计算流体力学（CFD）软件模拟等，一款F1赛车的设计也同样如此。

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和发生着，包括但不限于伯努利定律、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。

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流场。

关于目前F1赛车身上的设计“小心思”以及那些可能会影响F1赛车的因素，明天的文章中我们继续聊。