“贴地飞行”！空气动力学如何影响F1赛车设计

昨天我们聊了让F1赛车“贴地飞行”的空气动力学原理，今天继续聊聊空气动力学如何影响赛车设计。

前翼的下压力和引导气流

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的同时，翼面会产生翼后涡面，翼尖会形成翼尖涡流，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”），它们一并影响着赛车中后部的气流流场空气动力学性能以及后翼的空气动力学效率。

不论是前翼还是后翼，以及整车的空气动力学设计，目标都是以最小的阻力产生最大的下压力。

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

在近距耦合鸭式气动布局的战斗机身上，前部鸭翼产生的脱体涡，流经战斗机机翼上表面，能降低上表面的压力，从而产生涡升力，改善战斗机的升力特性。

所以，F1赛车前翼的一个设计目标就是更好地引导气流，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，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，还会造成前翼的迎风面积大，使空气阻力增加。

对于飞机来说，升力是和飞行速度的平方成正比例的，那么对于F1赛车的“负升力”，即下压力来说也是同理。

当速度在150千米/时左右，F1赛车上产生的下压力与其重量相当。当F1赛车以最大速度行驶的直道冲线时，此时下压力可能是该车重量的三到四倍。

后翼与底板各有所长

而对于F1赛车的后翼来说，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，有的是中间凹下，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。

F1赛车的后翼鲜有平直的，多是“勺子”形。这样的设计是出于对前部气流做出避让或妥协的考虑；而在飞机尾翼的设计上，类似情况也屡见不鲜。

20世纪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。

F-4“鬼怪”之所以有着这样的尾翼设计，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，比如在降落阶段的大迎角状态下（比如），机翼的下洗气流会影响要平尾的俯仰控制能力。

飞机机翼的襟翼在放下状态时，翼型的相对弯度变大，机翼产生的升力更大了。对应F1赛车的尾翼（下图），就是将产生更大的下压力。

飞机通过襟翼来改变升力系数，那么在F1赛车上，后翼装有可调节襟翼DRS（超车辅助系统）后，F1赛车在直道准备超车时，DRS启动，襟翼与后翼呈平齐或很小的角度，空气动力上产生地下压力瞬间减弱、空气阻力也变小，利于赛车加速、超越前车。

一辆F1赛车的下压力有三大主要“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比赛颁布新规、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%等。

随着2022年F1赛车规则的修改，F1赛车进入了“地面效应”时代——赛车的底板在下压力的“生成”上作用更为突出。

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比赛新规颁布之前的赛车来说，在赛道上驰骋时，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。

扩散器（diffuser）是F1赛车获得下压力的一个重要来源，而如今它在一些性能车甚至民用车上已有应用。

赛车也受风和海拔影响

就像天上的飞机，升力会受到天气特别是风的影响一样，“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。风的风向和风速的变化会直接影响到F1赛车的性能和赛车的操控体验。

在航空领域，会考虑借助逆风来提高升力、缩短飞机的起飞距离；在围场内，F1赛车也要考虑风向或风速的变化对下压力、对赛车操控上的影响。

对飞机来说，逆风起航将产生更大的升力，起飞距离也能缩短。那么，对在逆风情况下进入弯道的F1赛车来说，逆风也能带来更大的下压力，因此可以以更快地的速度稳稳地驶过弯道；而顺风的话，下压力就会相对变小了。

类似的，飞机在高海拔地区会因为空气密度的下降而升力下降，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。

不论是航空领域还是F1赛车身上的空气动力学，其实远比作者这几千字所涉及复杂更多！

这些复杂的因素再次说明，主宰F1赛场的不是别人，正是空气动力学的那双“无形大手”——而F1赛车，也堪称世界上将空气动力学利用得最为极致的赛车类型。

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。

在这样的新规则之下，空气动力学又塑造了怎样的新一代F1赛车？“五一”假期之后，我们在早读中继续聊。