“贴地飞行”：F1跑车如何受逆风天气和高原地理的影响？

2024-05-06

原创看航空看航空

昨天我们谈到了让F1跑车“贴地飞行”的空气动力学原理，今天继续谈到空气动力学如何影响跑车设计。

下压和引导前翼气流

首先，让我们来看看F1跑车的第一个触摸前方气流的前翼。虽然它直接提供的下压力在整车的比例中并不大，但它的设计直接关系到后部零件的空气动力学效率。因此，这是整个跑车空气动力学设计的重要组成部分。

和飞机的机翼一样，F1赛车的前翼在产生压力的同时，机翼表面也会产生机翼后涡面，机翼尖端会形成机翼尖端的涡流，气流也会“上洗”(在机翼对应、机翼尖端涡流的影响下，气流向下倾斜，产生“下洗流”)，影响跑车中后部气流场的空气动力学性能和后翼的空气动力学效率。

无论是前翼还是后翼，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。

当高速气流穿过F1赛车的前翼时，如果没有得到很好的引导，就会撞到轮胎，影响整车中后部的空气动力学性能。

前鸭翼产生的脱体涡流通过战斗机机翼上表面，可以降低上表面的压力，从而产生涡升力，提高战斗机的升力特性。在近距离藕合鸭式气动布局的战斗机身上。

因此，F1跑车前翼的设计目标之一是更好地引导气流，使车前的高速气流能够流向对跑车最有利的方向，比如通过增加翼尖板(类似于飞机上的翼尖翼)来引导气流恰到好处地通过轮胎。

此外，对于垂直多片翼面组合的前翼，这些翼面组合的攻角越大，下压力越大。但当超过一定范围时，会导致气流分离(即“振动”)，下压不会增加反而下降，还会导致前翼迎风面积大，增加空气阻力。

对飞机而言，升力与飞行速度的平方成正比，F1赛车的“负升力”，即下压力，也是如此。

当速度在150公里/小时左右时，F1跑车产生的下压相当于其重量。当F1跑车以最大速度行驶的直道冲线时，此时的压力可能是汽车的三到四倍。

后翼和底板各有千秋

对于F1赛车的后翼来说，前翼、前轮胎、后视镜、车手头盔、侧舱和排气管已经影响到车身后部的空气流动，使得后翼的空气动力学效率低于前翼。但为了平衡赛车的可操作性，后翼往往会产生与前翼基本相同(或更大)的下压力。

因此，为了避免跑车前中间部分部件的涡流影响，后翼的形状不一定是直的，有的凹陷在中间，有的凸起在中间。简而言之，工程师会对翼型进行特殊的改进。在密集的规则框架下，他们会寻找最佳的视角、高度和翼型来迎接气流，并产生既定的下压力。

F1赛车的后翼很少是直的，大部分都是“勺子”形状。这种设计是基于避免或妥协前部气流；然而，类似的情况在飞机尾翼的设计中并不少见。

F-4“鬼”诞生于20世纪50年代末。Ⅱ战斗机，其全动水平尾翼具有特别明显的“下垂”特征。

F-“鬼”之所以有这样的尾翼设计，一个重要的原因就是为了避免前翼湍流的不良影响。如果没有这样的下反角，比如降落阶段的大迎角(比如)，机翼的下洗气流会影响平尾的俯仰控制。

当飞机机翼的襟翼放下时，翼形的相对弧度增加，机翼产生的升力更大。F1赛车的尾翼(下图)对应的是产生更大的下压力。

飞机通过前翼改变升力系数，所以在F1跑车上，后翼配备了可调前翼DRS(超车辅助系统)后，当F1跑车准备在直道超车时，DRS启动，前翼与后翼对齐或视角较小，空气动力产生的地下压力瞬间减弱，空气阻力减小，有利于跑车加速，超越前车。

F1赛车的下压力主要有三个来源：：除车身上部的前翼、后翼外，还有来自赛车的底板和扩散器。

在F1比赛在2022年颁布新规并引入“地面效应”之前，由于不同年龄、不同车队的跑车设计思路不同，这三种对下压力的贡献率差异很大，比如接近三分之一；大约20%~30%来自前翼，30%~40%来自后翼，50%来自底板和扩散器。

随著F1跑车规则在2022年的修订，F1跑车进入了“地面效应”时代——赛车底板再下压“生成”效果更加突出。

一般来说，F1赛车的底板和扩散器大多是“下压力”。对于2022年F1大赛新规发布前的跑车来说，在跑道上驰骋时，高速气流流过几乎完全平坦的跑车底板。到达车尾的扩散器时，气流会沿着底盘和扩散器的斜坡方向加速流出，因为康达效应(也称为“附壁作用”)，就像一双看不见的大手不断从车底取出气流。气流加速“逃离”车底后，因此，底部形成负压区(或根据伯努利定律的解释，底板处的空气流速更高，压力更低)，进而对跑车产生向下的压力，使跑车能够进一步稳定地在地面上驰骋。