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解除封印的地面效應!淺談F1賽車2022年規則

在大幅更改F1賽車設計思維的2022年技術規則裡,最受到重視的就是大幅簡化的賽車空力套件設計,以及“地面效應”的解封,但“地面效應”到底是什麼?

其實就某種意義來說,正式名稱為“文丘裡效應”(Venturi effect)的地面效應一直都存在,但僅是被FIA限制使用方式而已,依據牛頓第三運動定律,賽車以高速在地面行駛時一定會產生作用力與反作用力,將地面效應的使用效率最大化一直是工程師的目標之一。

為了讓賽車活用地面效應,最好的方式就是在賽車底盤製造出讓氣流有效透過的管道,讓賽車底部形成近似真空的狀態,比透過使用自由流(free-stream flow)、外觀極為精細繁密的各種空力套件更有效率。如同車迷們近年來所見,雖然一路演變的2017年規則賽車在這段期間裡不斷寫下各賽道的單圈紀錄,不過製造的亂尾流也讓後車難以貼近,進而讓纏鬥率大幅降低。

要正式說明地面效應的解封,我們就得回顧F1在1977-1982年間的地面效應時代,以及在封印地面效應後的賽車演進。

雖然F1在1983年規則中以賽車底盤必須全面平面化的規定將地面效應封印,不過如果各位車迷有機會觀賞1980年代中後期的大賽,甚或是1994年的聖馬利諾黑暗周,大家還是能發現賽車可透過設定在車尾的各式分流器(diffuser)取得足夠的下壓力。

不過聖馬利諾黑暗周後,F1的兩位大佬莫斯利與埃克萊斯頓公佈一系列立即實施的空力限制方案,方案裡除了宣佈禁用排氣擴散器(hot blown diffuser)外,也限縮了分流器的使用方式,雖然這些政策都是趕鴨子上架,但兩位大佬至少對相關事件做出回應。

根據時任喬丹車隊技術監督、本文作者Gary Anderson所言,當FIA公佈一系列的空力限縮政策時,喬丹車隊正在赫雷斯賽道進行私人測試,一系列的調整雖然確實達到FIA想要的降低過彎速度的要求,但效果其實相當有限(按:FIA因此於1995年又增加了降低引擎排氣量、底盤改用階梯式設計等等技術規則作為對應)。

之後FIA與各車隊持續在細節上週旋,直到2009年規則才又引發了一次大規模的爭論——那就是奠定布朗車隊在賽季前半橫掃全場的基礎,威廉姆斯與豐田兩隊在同一時間也有采用的雙重分流器(double diffuser)。

雙重分流器很快的在2010年禁用,直到FIA少見以增加速度作為核心的2017年規則為止,這套規則提供賽車更高的下壓力與抓地力(因為輪胎加寬了),成為F1史上最快的賽車,雖然這套規則在2019、2021兩年曾進行一部分的調整,但效果也如同以往相當有限。

我們知道歷史是一直在回顧過去,但F1必須向前看,每次的規則修改與新技術因而都充滿未知數,所以我們必須透過一些簡單數字說明2022年賽車想達到的目標。

如果2021年賽車能產生1800公斤的下壓力,那麼大約有1/3的下壓力將來自前鼻翼、1/3來自尾翼、1/3來自底盤,但空力載荷分佈的比例是前2後3,代表前鼻翼將負責承受近81%的前部下壓力,19%由底盤負責,後方則是尾翼55%、底盤45%,這完整說明了2017年規則賽車在試圖貼近前車時會嚴重受到前車產生的亂尾流影響,讓後車大幅喪失前部下壓力而轉向不足,即使車手可利用DRS,但效果仍相當有限。

接著我們回到地面效應賽車,如同下方照片所見,這些地面效應賽車有相當長的側箱,其前緣已經與前輪後緣相當近,而且被稱為“咽喉”的底盤最低點也比現代賽車更前面,位置應是在現代賽車的方向盤一帶。

如果套用上面的公式,賽車的下壓力將有10%來自前鼻翼、25%來自尾翼、65%來自底盤與擴散器,在空力載荷分佈相同下,前鼻翼將負責承受24%的前下壓力,底盤為76%,後方則是尾翼55%、底盤45%,這因此能說明當時為何有車隊會在特定賽場中不為賽車裝上前鼻翼。

當然FIA(當時稱為FISA)也是有對策的,像是1981年就以安全因素禁止車隊在底盤兩側設定活動式、且容易在比賽時脫落的導流圍板,而且也設下最低離地高度,一系列的調整讓底盤所能承受的下壓力比例越來越低。

雖然FIA在2022年決定解除地面效應的封印,但在賽車設計思維已經與40年前截然不同下,2022年賽車的空力載荷分佈比例恐怕不會有太大改變。

整體來說,2022年賽車的設計思維是大幅減少過度細緻化的空力套件,進而減少賽車產生的亂流以增加纏鬥率,但問題也來了,雖然亂流是變少了,但後車所能獲得的下壓力並不會因此變多,因而造成進退兩難的情況。

如同上圖所見,雖然2022年規則讓賽車能透過分流器做出文氏管,但整體效率其實僅比2021年賽車來的好一點,底盤前緣的設計則是變得與美國印地賽車相似,以突出的前緣和內部的轉向葉片調整氣流走向,以對應不同賽道所需的下壓力。

雖然Anderson不想太過悲觀,不過他認為2022年規則走的仍不夠徹底,賽車仍將相當依賴前鼻翼承受前部下壓力,也許倍耐力的新型18寸輪胎能帶來一些變化,但效果恐怕也相當有限。

分類: 健康
時間: 2022-02-06

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