赛车极客：F1空气动力设计好不好，肉眼能看出来吗？
编者按：或许每一个F1车迷都对赛车的空气动力学感兴趣。这是当代F1关乎赛车性能最重要的部分之一。
但如何能看懂空气动力学设计呢？赛车星冰乐这篇文章能帮到你。
当2022年F1新车型标准出来的时候，很多人看到简化的前翼，18寸带轮毂罩的新车样子，就判断新车会比2021年的赛车车慢很多很多。
并且很多人判断单圈要慢到3-3.5秒！
我今天想讨论一个事情，我们能否通过只观察外形判断出哪辆车圈速更快呢？
可能有人会回答了，看牌子看车队名！好吧算你机智，但这样也不一定准确，万一换个赛道，换下一年规则了呢？
好吧，我们回到正题，我其实想问：在同一动力水平和规则下，赛车的空气动力学套件是否是可以是我们直接能比较出来？
如果我们是1950年代的人看到上面这个图可能会认为，前面的初代F1有可能在同样动力下会更快，因为它更“流线”，一定阻力更小。而且正投影面积也小，阻力就更小了。
但如果真把2021款F1搬到那个年代，换上同样的发动机，应该每三圈就能套前面车一圈。
这源自于汽车工程对空气动力学认知的巨大提升，人们懂得了利用行进中的气流制造下压力，对比没有气动装置的车，侧向G值可以从1.3的热熔胎直接抓地力提高到现在甚至6G的瞬时侧向G值。
你知道需要有前后尾翼制造下压力才能更快，然后就能比较了吗？不说年代，那么下面四辆车你会觉得哪个下压力更大呢？
似乎第一个图中莲花49型，除了本来的前翼还多了一个上方的前翼，后面还带一个全场最宽的尾翼，配上扁平的低阻力车身应该是阻力小且下压力大的完美配置了吧？
还真有人如下图一样沿用了这样理念改车，尾翼总面积即正义。
但是，如果你对比第二张图的莲花79型F1赛车，49型产生的下压力便不值得一提。
78型是真正地面效应赛车的开端，通过反向翼型，拖到地面的侧裙让整个车身都作为一个空力部件。
你如果让一个60年代末的工程师直接比较这两辆车的外观他也很有可能得出一个错误结论，认为前面车更快的。
虽然Mario Andretti驾驶这样的车获得了78年的冠军，但是这种设计也只考虑了最高下压力一个维度。
这种设计的泛用性或者安全性是有巨大缺陷的：地面效应对侧面裙板和地面间的的间隔异常敏感。稍微一点的侧裙损伤，底板损伤，或者因为起伏造成的底盘攻角变化，就会造成下压力的巨大的非线性的改变。
这对一直在极限边缘驾驶的车手是件非常危险的事情，抓地力会忽然超出车手感知范围而造成侧滑甚至起飞。
第三张图里的Tyrell P34 F1赛车虽然很像我们看的动画高智能方程式赛车里的超级阿斯拉达，还有像铲子一样的前翼，但依然不能比肩莲花78。
而第四张图中的78年布拉汉姆BT46B赛车其实尾部有一个巨大的风扇，负责吸取冷空气散热，同时能够吹向气流分离区减小阻力，这让78年的Niki Lauda在瑞典GP赛事中以30秒的优势夺冠。
只能感叹，在70年代那个地面效应刚开始的年代，各个车队都有自己完全不同的技术方向，也是当年观赛的乐趣之一了，这也促进了F1赛事对空力套件规则的进一步升级。
1999 勒芒 CLR-GT1起飞
Braham BT46B
我们可能大概可以感受到了，空气动力学套件的好坏，不是我们能直接能肉眼看出来的了。
这怪我们直觉太弱吗？并不是，因为现代空气动力学的大部分情况都是反直觉的。
我们不妨举一个最简化的例子，一个流体力学里的经典案例。如下图所示：下方一个大飞翼和一个圆柱状的线管，你认为谁的空气阻力更大？
其实，他们两个具有相同的阻力。这很难相信吧，但真相就是这样。
所以空气动力学研究性能基于三种方法，道路试验，风洞试验和计算机仿真，这是现代空气动力学开发的必经步骤，也是F1赛车开发的重要环节。
我们不可能观察某一个部件就能知道他本身产生的下压力高了还是低了，因为车身气流是互相影响的。
前翼经过的气流一部分会流经车身最后到尾翼，分离情况取决于车身中部的设计。流向车轮后形成的乱流又依赖车轮和刹车区对应的气流设计。同时经过散热器的气流还有下方底板来的气流都会在尾部交织，这又是一个复杂的叠加问题。端板产生的涡流，前翼产生的涡流封锁住了高能空气，都是互相影响的。
所以一辆车的空气动力学大小取决于每一个空力部件的互相作用和影响。
没错，2022年的新赛车前翼简化了，车为了安全更重了，尾翼取消了端板尾翼效率略略降低了，这些都是让它变慢的不利因素。
但是从平直的底板换到拥有大流道的底板，再配合上其他一切部件，工程师依然可以通过设计和实验打造出一台下压力并没有显著落后的车。
还记得刚一出来说慢3.5秒的估算吗？
去年年底时候F1首席技术官Pat Symonds说，经过车队优化，这个差距应该会在2022赛季初的时候变成0.5秒，到赛季末的时候可能就填平了差距了。
如果在这样的话，2022款赛车在大幅度减小尾部乱流的情况下，既做到了让比赛更好看，后车更容易跟车和超车了。同时在增重情况下没有明显降低赛车的圈速。
这可能是几年来规则大改后F1在工程设计上又一次明显的进步。
关于2022年赛车具体有了哪些变化，这期我们先了解下前翼。
2021款前翼，超多翼板，翼片和复杂的空气动力学小组件。来看看2022年版本的，如此简单干净但为感觉怪怪的。
现代F1能产生强大的下压力，但是太多乱流，脏空气时副产品。这减弱了后方车的下压力，让后方车很难超车。这对车手可太伤了。
尾翼车强烈依赖于车上方产生的下压力。它们由一些复杂穿过车体的空动装置产生，它们是对车身上气流进行疏导，同时产生下压力。
但副作用是是产生脏空气和更难的后车超车，这个效应使我们看电视转播完全看不出来的。我开过这样高下压力车，你得走不同的线躲开乱流来维持下压力。
即使这样都还不能接近和超越前车。因为你的前翼最早撞到乱流，这是影响巨大的。
你会失去巨多的下压力，意味着你转向不足加剧。
2021匈牙利站迈凯伦领队Andreas Seidl说，后车得至少有两秒优势，纯单圈优势，才能突破脏空气超车。这就是为啥当今F1这么难超车！
但2022年的车解决这个问题了，总目标是更多贴近的缠斗。
新前翼是关键，但让我先说说现款是怎么工作的，也是个聪明的设计，他们用复杂的原件产生下压力，有个“Y250涡流”。
这是个独创性的空动效应，车队故意设计的他们让翼片上端有高压区下方低压，尖锐的边缘是故意设计能在边缘产生涡流，他叫y250涡流。
因为规则规定这些边缘必须在y轴250mm处，Y250涡流从车中部从鼻尖和堆叠的前翼片中间流过。车队优化控制这个涡流，因为他能导向前底板有很大气动优势，它也可以帮助后翼建立下压力。
如果搞好的话，会差异巨大！
这些涡流有俩个任务，一是因为空气在这旋转，是高能空气，车队实际用它作为其他空气的屏障，把他向车两侧导流。实际起到了封闭底部空气的目的来产生下压力，这感觉就像一个空气侧裙一样。
这Y250涡流另一个任务是推开轮胎的醒流。这醒流会减小后部下压力，所以车队用涡流推开醒流，保护了自己，害了后车。
2022年车的设计目标就是保护后方追击，至少是规则的愿景，于是这里就有了巨大的改变。
没了翼板区创造涡流，新规则规定了最多四个组件，端板也顺滑简化了；不仅乱流少了（因为小翼片少了，尖锐边缘少了）。这设计意味着前端产生下压力没有以前那么重要了。
新规则有效消除了y250涡流，还有更多后续效果。它意味着F1设计不用关心如何导流乱流，可以为后车提供更干净的空气了。
侧箱板取消也是同样的原因，因为他们是偏转乱流的。现在前轮醒流是轮罩和扰流板控制，用来较小乱流。
好处是，这设计产生更少的醒流。如果遇到脏空气也会失去更少的下压力。由于简化了前翼，更少的表面需要干净空气才能工作，这些翼片也更可靠了，即使空气不是完美的层流也可以工作。
看起来真可以缠斗了！
研究表明现在F1赛车在与前车距离前车三个车身的时，下会失去35%下压力，这损失在2022车上可以降低到4%了。
赛车更少的依赖于车身上部来增加抓地力，而用文氏管通道在下方弥补。扩散器出来的空气又尽量被吸往上方避开后车。
这些设计理论上真的就是为了更好的斗车存在的。增加缠斗机会，这是F1近几年一直想解决的问题。
如果能在新规下解决，我们真的可以期待下这次看似奇怪的车样子带来的神奇变化了。
作者：赛车星冰乐