F1赛车中的空气动力学（二）

    一辆F1赛车可以在5秒内加速到200km/h以上，极速更是高达350km/h，但是如果在弯道中轮胎没有足够的抓地力，那么引擎即使有足够强劲的动力，也没有机会充分发挥。因此过弯稳定性可以极大程度地影响一辆F1赛车的综合性能。为了提高过弯速度，除了要设置合适的悬架保证轮胎能最大限度地与路面接触之外，还利用空气提供额外的气动负升力，即气动下压力。

    对于轮胎来说，施加在轮胎上的载荷有三类：车身自重、车手体重和行驶过程中空气提供的下压力。其中，气动下压力可以在不增加额外质量的前提下，提高轮胎的附 着力，有效地提升赛车的过弯性能，甚至直接影响到车手的单圈成绩。在引擎研发相对稳定的框架下，对于下压力的压榨的开发被放在了新车研发的首要位置。

              轮胎侧滑角与车轮载荷的关系

    底盘、发动机和悬架是一辆赛车的必备组成成分，其余的部件则是为了满足空气动力学的的需要面安装的，称之为“气动附加装置”。他们又可以分为两类，一类是直接用来产生气动负升力的装置，包括前翼、后翼和扩散器，前翼产生的下压力占全部下压力的30%，尾翼占30%，扩散器占40%；另一类则是用来提升前、后翼以及扩散器的工作效率的辅助性装置，这此装置通过提升气流的传输效率，间接地提升赛车的气动性能，这类装置包括鼻锥及其下方的导流板，侧箱前方的导流板等等。

前翼

前翼是安装在车体最前端的气动附加装置，它不仅负责制造赛车前部的下压力，还影响向后流动的气流的走向。

在前翼最前端的水平翼片称为主翼，其后端带有攻角的倾斜翼片称为襟翼，理论上来说，只要拥有主翼和襟翼就可以产生下压力，因此主翼和襟翼是组成前翼的主要结构（但是显然大家都没有见过这种前翼，因为即使是2009年使用的那种原始的前翼也都安装了垂直的端板，但是端板仅仅是一种提高主翼和襟翼工作性能的辅助性装置，因此以气动特性上来说，应将其划分为附加装置，之后的附加级联翼片，导流片亦是如此）。

人类在流体力学的研究过程中一直在发展进步，在可以产生气动负升力的翼形的研究中更是如此，先后出现了伯努利，牛顿等不同时期的翼形，这些翼形在气动性能上也不断提升，今天F1赛车所采用的主襟翼结合的翼形就是人类经过长期探索换来的智慧结晶，这种翼形不仅成熟，而且有效。

    F1赛车在高速行驶时，流过前翼所在区域的气流被前前翼分割为两部分：一部分从翼片的上表面流过，另一部分则流过翼片的下表面，这两股气流依附在翼片上流动，最后在前翼后方的某一区域重新汇聚，两股的气流的区别在于，由于襟翼与主翼呈一个很大的倾角，因此襟翼拥有较大的迎风面积，在气体的流动过程中，翼片上表面 的气流在流动中受到了阻碍，流速有所降低，而翼片下表面的气流则可以在无阻碍的状态下顺利通过，上翼面的气流流速低，压强大，下翼面的气流流速高，压强小，两者作差，即产生了我们所需的气动负升力。襟翼的气动攻角越大，对翼片上方的气流的阻碍作用也主越明显，上、下翼面的流速差就越大，产生的气动负升力就越大。

       由于前翼位于赛车的最前端，其后就是赛车的前轮，因此这一位置十分特殊，相比之下，气流直接撞击在前轮上时产生的阻力要比在前翼上制造下压力时形成的阻力可观得多。当襟翼的气动攻角大到一定程度时，就可以使部分气流在离开前翼向上扩散的过程中避开前轮，从而减小了气流撞击到前轮上的机会，因此，对于整车的 气动阻力而言，当襟翼的攻角超过某一值时，整车的阻力会有所下降，换言之，前翼抵消了部分轮胎上产生的阻力。

       对于前翼而言，更大的襟翼攻角和更长的翼弦可以获得更多的气动负升力。但是在这两种设置下下翼面的气流很容易失去对翼片的依附而与翼面发生分离，我们常称这 一现象为气流剥离，气流剥离就会引发前翼失速，降低前翼的气动负升力水平，因此，常需要在翼面上开槽来解决这一问题，开槽将完整的翼片拆分为若干部分，使 得前翼上表面的气流流入下表面，并保证每一小块翼片上都时刻有气流附着，这样一来就避免了气流的剥离从而大大地提升了前翼的气动效率。

                                                             F138的前翼开槽

    2009年的技术改革让F1赛车的前翼呈现出我们今天看到的模式，由于附加翼的安装位置受到了限制（只能安装在端版上），因此F1的设计师开始细化附加翼的设计，从原始的单一功能向着多功能的方向演变，现在的附加翼多采用级联翼片，不仅可以制造额外的气动负升力，还可以诱导气流避开前轮。

F1赛车的前翼的工作受到多种因素的影响，首先，作用在翼面上的气流并不是理想状态的，风速，风向都时刻变化，且不确定，此外，赛车在弯道中行驶时，作用在翼面上的气流会发生横向的偏转和移动，形成不稳定的流场，这不仅降低了前翼产生的气动负升力的效率，还影响到了前翼后部的气流环境，不利于气流的正常传输，针对以上这两种情况，F1的设计师进行了以下的改造：

1.增大产生气动负升力的翼面的有效面积。当低表面的气流（与前翼处于相同高度的气流）出现分离、扰动时，前翼受到横向气流的影响会被减至最低，因此整个套件非常稳定。赛车的特性是：易于驾驶，敏感程度极低。

对于09年以后的规则，1.8米宽的前如果仍然采用这种设计，那么制造出的下压力就太可怕了。这与FIA致力于给F1赛车减速的观念是背道而驰的。因此，在09版的技术规则里，FIA规定前翼中央的500mm区域必须采用“标准设计”即仅保留主翼，不允许制造额外的气动负升力。

    1800mm的前翼被FIA明确地规定成了五段，其中中央的500mm必须采用标准设计。

    2.在前翼的下翼面设置用于梳理气流的整流片。这些整流片可以控制下翼面的气流走向，尽可能地防止下翼面的气流发生横向偏转和侧移，减小离开前翼的气流对前翼后部区域产生的扰动，保证赛车前部的气流环境相对稳定。

                                             F138前翼下方的导流片

    下一期F1赛车中的空气动力学，小编将主要为大家介绍尾翼及扩散器对赛车的影响。

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