牛车网网友fily 问:
感受到尾翼的学问多,能详细F1赛车的尾翼吗?
牛车网网友纯情小火机 答:
F1的赛车一直是集高科技、高逼格的产物,其尾翼设计也不例外,从上世纪60年代开始,F1赛车已经装上尾翼部件,而F1的每一个部件都有明确的作用,前翼主要提供前轮下压力,而后尾翼提供后轮下压力(另一半下压力由后下扰流扩散器提供),而高高、大大的尾翼很轻易能为F1赛车的高速疾走提供下压力,但也容易产生巨大的前进阻力,而在大直道上表现尤为明显。所以,科技含量越来越高的F1赛车,其车队会根据每一条赛道的特性去分析、计算、设定前后翼的角度。而几乎每一个赛季,赛例都会对尾翼的大小、方向等细节作出明文规定,各个车队都要为此投入成本去开发新的尾翼。
【上层尾翼】
上层尾翼,是最为明显的尾部扰流设计,它高居于赛车的尾部,而且只允许有两个组件(通常的设定:主翼为大攻角、副翼为并行设计)。对于大多数的赛道,车队会把翼片攻角(迎风角度)尽可能被调至最大,而在某些高速赛道上,如蒙扎、蒙特利尔赛道,我们会看到角度不大的上层尾翼。
例如:摩纳哥赛道(最短的F1赛道),F1车队工程师会竭尽全力为自家赛车获取负升力,所以,尾翼、副翼的攻角就被尽可能调大。
如果在蒙扎赛道(全年赛程中最快的赛道之一),车队就会使用小攻角、低负升力、低阻力的尾翼调校而获得直路尾端的极速;而在混合类型的赛道上,攻角的大小,可能对圈速的影响都差不多,此时,团队战术也是关键。
【格尼襟翼】
而在翼片的后缘位置,有一个名为“格尼襟翼”(gurney flap)的小部件。它由一小片的直角碳纤维制作,并用胶带固定翼片尾端,通常垂直于翼面,指向于压力侧,它的作用是——用它来产生旋向相反的涡流。当然,它能增加一点点下压力,又会增加一点阻力。
由于规则的允许(格尼襟翼可以伸出的尾翼区域),F1车队可以利用更宽、更高的格尼襟翼来调整主翼片的性能。为了防止车队这么做,FIA规定:格尼襟翼的最高处不能超过20mm(一般不超过翼弦的5%高度),所以,车队可能会利用这一点,设计更为出色的襟翼。
格尼襟翼在空气动力学上有很大作用,不过,它是用最简单的方式(胶带)固定在翼片尾端,主要是这让车队可以在维修区中快速取下格尼襟翼,以减小后部下压力,增加一点尾速。这在赛道由湿变干的比赛里十分有用。
【DRS失速装置】
2011年,F1赛事引入DRS可调式装置,DRS的全称是Drag Reduction System,中文:减少空气阻力系统,也称失速装置、降阻系统,它主要作用是减少赛车的阻力,而获得更高尾速。但是,尾翼也受到严厉的赛事规则而影响尾翼的宽度、扰流板的数量等细节。
说白了,DRS主要是为超车准备的,但是F1赛例规定,DRS在特定的赛道的区间可以打开尾翼的襟翼角度,而其结构很简单,用一个液压结构将上层尾翼推到更高更平的位置。上层尾翼放平后,其下压力便大大减小,而阻力也随之减小,这就提高了F1赛车速度,你理解它是“外挂工具”也是可以的。
然而,DRS设计是受许多规则的限制,不是车手想用它就能用了。例如,车手在可以在排位赛中使用,但只能在规定区间使用DRS,而正赛开始时,它将被更严格地限制:比赛的前两圈是不得使用DRS,两圈之后,DRS可以介入工作。当然了,如果F1赛车在直道上,而后车与前车的距离少于1秒钟,后车可以使用DRS;而前车不得使用DRS来防守后车。当然,大直道前设置DRS检测区域,车手可不能乱来。
车手激活DRS的方式各不相同,有的车队使用方向盘按钮或者拨片(如下图),而有的车队使用油门踏板,当油门踏板踩过设定的最大行程后,DRS就被激活。
DRS功能被激活后,除了尾翼会放平之外,其它的模块也会随之作出调整,如引擎高功率映射、最大转速等等改变,这样的“斗智斗勇”才能最大限度地增加超车机会。
车手在紧急制动或杀入弯中时忘记关掉DRS,又会导致失去尾部的下压力,此时,往往非常危险。因此,在踩下刹车时,车手必须立即关闭DRS。假如液压机构失效了,襟翼也必须借助风压的作用,保持在关闭位置,所以说,DRS看似简单,实际上它的空气动力学研究是非常复杂的。
【端板】
和前翼一样,尾翼端板也要遵守最小面积的规定,F1车队一般都制造一块大端板,将尾翼上下层连在一起,端板将上层尾翼产生的压力传递给梁翼(下文有说明),梁翼再传递给底盘。
【梁翼】
梁翼,位于上层尾翼的垂直下方,读者很容易忽略这个扰流部件。而这个部件同样被赛例严格控制——只能有一个翼片。这个区域的扰流设计是非常麻烦的,首先,梁翼的安装位置和尾部防撞结构有所重叠,而有些某些F1车队工程师会将防撞结构穿过梁翼,但这样就减少了梁翼的有效扰流面积。而现在,多数车队已经吧梁翼安装在防撞结构的上方,将梁翼上表面暴露在迎面气流中,以获取更多下压力。
上述我们已经讲到了上层尾翼、格尼襟翼、DRS、端板等部件,而这些都与“梁翼”紧密相连,首先,端板将上层尾翼产生的压力传递给梁翼,梁翼再传递给底盘。而为了承受这些压力负载,梁翼的设计强度非常大,而车队以往会用支架来支撑上层尾翼,以减轻梁翼重量,但是,这样又影响了尾翼的扰流效率。在尾部下压力极其重要的年代,这样的设计就慢慢被抛弃,而工程师们在碳纤领域攻破更多的技术难题,也就有新材料运用。
FIA对于梁翼的限定非常严格,梁翼的两端被“规范”了,只有中间区域留给各个车队工程师来自由发挥。
无论是加装“u型”、“n型”翼片,这都是为了降低空气涡流所产生阻力。
【百叶结构】
留意发现,尾翼端板的两侧有百叶窗的开孔结构,而设计这种有平行型的百叶缝隙主要为了减少尾翼阻力,提高大直道的速度,这又是因为什么原因呢?
由于上层尾翼在高速飞驰会产生巨大的空气阻力,而尾翼上方是高压气流层,其尾翼的下方和两侧是低压气流,而气流在固定的区域汇集一起,形成漩涡气流,而这股涡流会在尾翼后方旋转扩大面积而产生更大的阻力,因此,它会降低赛车的直道速度,百叶结构正是用来均衡翼尖附近气压,防止涡流产生。如果你是一个F1赛车迷,那么你会在雨战(潮湿赛道)看到这些涡流的尾迹。
根据不同赛道特点,百叶结构也会根据风洞试验进行改变,以达到最佳的效能。