第九期:FE電動方程式賽車設計特點

文/何辛

每次我們和不太熟悉賽車的朋友們聊天，遇到的第一個問題總是：為什麼叫方程式？為什麼叫一級方程式？叫電動方程式？首先，方程式這個詞是從Formula直譯過來的。

Formula One為什麼叫「Formula One」

那麼Formula One為啥叫做「Formula One」呢？（這問題貌似有些像---你為啥是你---但其實還真不算過分）。最早的賽車運動發起於法國，而早期的賽車比賽名稱通常都是從賽馬比賽中的名稱借鑑來的。被稱作「Grand Prix」---法語的「大獎賽」。到了今年，除了賽車中普遍採用的這一名稱之外，在賽馬中我們依然可以看到「Grand Prix」的影子，特別是在法語系國家。例如：「Grand Prix de Paris」就是專門為3歲馬準備的2400米競速賽。

△1907年Grand Prix de Paris---1907年（賽馬）巴黎大獎賽

Formula在數學上叫「方程式」，在語言學上的翻譯準確的講應該是「式」。指，格式，方法，規範，規則，形式等等。因此，早期人們談起賽車說的是「Grand Prix Formula」---這種「大獎賽式」的賽車。

二戰之後，1946年，人們計劃重建戰後賽車運動格局，賽車運動的有識之士聚集法國來討論未來比賽的形式和格局。要講清楚「Grand Prix formula」到底應該怎麼比？準許怎樣的車？

△早期的摩納哥大獎賽

Formula One---一級方程式這個名字到底是誰發明的，沒有一個確定的歷史答案。不過，多數人歸功於義大利人Marquis Antonio Brivio-Sforza。這位來自米蘭的狂熱賽車愛好者曾經在1935和1936年的摩納哥和紐布格林大獎賽拿到過第三名，也是前雪橇比賽世界冠軍。

△Marquis Antonio Brivio-Sforza和領航在1936年的「千裡杯」大賽中，當年他們奪冠

1949年出臺了FIA Formula One Championship規則。「Formula」這個名詞被正式確定下來。

一級方程式演變到今天，性能上取決於兩大方面的優劣和進步。一是動力性能，另一個是氣動性能。

賽車的設計---一切都是為了追求氣動性能

空氣動力學性能，在航空領域被簡稱為「氣動性能」。賽車上，很多車迷也喜歡把它稱作「空力性能」。其實是一個意思。

人們對於空氣動力學朦朧的認識可以追溯到幾千年前，船的設計，風帆的設計上都會考慮到。但早期人們對於空氣的作用都比較模糊，還沒有形成理論知識。現代動氣動力學起源於17世紀。在1726年，據說被蘋果砸中腦袋的那個人---牛頓爵士提出了空氣阻力的一系列理論，因此牛頓也是被公認的最早的空氣動力學家之一。1799年，英國人喬治-凱利提出了飛行當中的四大要素：重量，升力，阻力和推力概念，並且闡明了彼此之間的關係。賽車運動的氣動設計也會遵循這四大原則和彼此之間的邏輯關係。

△歷史上很「牛」的牛頓爵士

△喬治·凱利爵士---現代航空業之父

△1848年凱利的滑翔機手稿

所以，賽車設計上首先就是要追求——輕。因此我們看到各種新型材料和複合材料的產生和運用。F1，FE以及其他很多賽車在滿足強度的情況下大量使用複合材料，從早期的鋁合金，鋁鎂合金到碳纖維。為了追求重量輕，早期梅賽德斯車隊甚至犧牲了賽車的塗裝，從而產生了現在的「銀箭」車隊的別名。

△著名的梅賽德斯W196---1954,1955賽季

△梅賽德斯奔馳300SLR—又叫W196S，就是這輛車所發生的的意外引發1955年勒芒慘案，賽車為了追求輕，含有較高成分的鎂金屬。勒芒慘案造成84人死亡，180多人受傷，梅賽德斯奔馳因此退出賽車領域長達幾十年

在氣動方面，方程式賽車大量採用翼片設計。目的就是為了在不增加重量，阻力最小的情況下，獲得最大的下壓力（對於飛機來說，追求的是升力，而對於賽車來說，這個力需要向下，從而能把賽車壓在賽道上，被稱作下壓力—down force）。F1以往在性能宣傳上最喜歡說的一件事情就是，賽車下壓力大到，賽車達到120公裡/小時的時候，賽車可以倒過來在天花板上行駛而不會掉下來。

△這就是下壓力在賽車上的大體分布：前翼----25%；尾翼----25%；車體---5-10%；車底和擴散器---45%

產生下壓力的方式有很多種：F1主要靠車底的擴散器，前後翼片和車體表面的流線型設計。這就是為什麼F1賽車有如此複雜的多層翼片，各種導風翼片的原因。而FE由於全部是在街道上行駛，沒有緩衝區，危險性更大。同時，因為在街道上行駛，周圍有各種不同的建築物，氣流情況更加複雜，因此FE主要產生下壓力的部分是擴散器，而不是翼片。相對來說，FE賽車的設計也被稱作「low down force design」---低下壓力設計。這個是相對於現在的F1賽車說的。F1則是高下壓力設計。

F1和FE設計上的異同

基本上氣動原理是一樣的。但設計因為自身賽車的特點而有所不同。

車頭部分：

F1是「開輪式賽車」—「Open Wheel」。輪胎是外露的。由於輪胎高速旋轉，因此氣流撞擊到輪胎上會產生很多亂流，如果設計上不去考慮這部分的影響，那麼將會造成很大的不穩定。

△方程式賽車氣流簡圖

△氣流撞擊輪胎後的氣流分布

因此，F1賽車車頭設計極為複雜。設計上需要滿足以下幾點要求：

1. 前翼要能產生足夠強大且穩定的下壓力；

2. 前翼需要整理氣流儘量避免氣流直接撞擊輪胎；

3. 前翼的上表面需要整理氣流，讓氣流可以平順地通過車體表面，並產生下壓力；

4. 前翼的下表面需要整理氣流，讓氣流可以平順通過車體和地面之間的通道，最大效率地向擴散器輸送乾淨氣流。

因此，F1賽車的車頭（車迷喜歡叫它車鼻）會儘量做得小一些，車頭下方儘量留出較大的空間，並在車頭下方會有很多複雜的導風翼片，這裡並不會產生很大的下壓力。

△2012 紅牛賽車的高車鼻，這樣設計，車鼻下有很大的氣流空間

△2012 法拉利高車鼻

△2012法拉利高車鼻下氣流示意圖

△2019 法拉利在新加坡站使用的車鼻---這時候規則已經禁止高車鼻設計了

主翼片是非常重要的翼片，會產生相當一部分下壓力，同時，它整理氣流的作用更大，目的就是為了車底氣流的效率。

副翼是設計上最能發揮設計師想像力的地方。因為這裡需要最大限度地產生下壓力。所以翼片的形狀，角度，尺寸等等都極為複雜。在以前技術相對開放的時期，這裡的翼片最多可以達到9層（我們開玩笑曾經說這裡的翼片是9層妖塔）。典型的例子就是火星車時代的紅牛賽車，為了控制成本，今年賽車的前翼副翼部分只準許5片翼片存在。

△2018年，邁凱倫複雜的前翼

△2019年梅賽德斯複雜的前翼

△2018年法拉利複雜的前翼

△2019年因為規則限制只能有最多5片副翼，前翼設計簡單了許多

FE電動方程式的前翼設計就沒有那麼複雜了。新一代賽車的主要下壓力都來自擴散器，也被定義成低阻設計，更重要的一點是，FE的輪胎不是外露的，因此輪胎撞擊氣流的情況是不存在的。

△第二代電動方程式賽車

△第二代電動方程式賽車---被人稱作賽道蝙蝠俠

FE賽車前翼的設計主要滿足以下幾點：

1. 最大限度整合氣流通過車體上表面；

2. 最大限度整合氣流通過下表面，給擴散器輸送高效氣流；

3. 在車輪內側，產生下壓力。

因此，我們可以看到，前輪的包圍上面是平滑的弧形表面，和輪胎形狀一致，在正面則是設計成比較尖銳的形狀，目的就是為了減小阻力。原理和尖銳的飛機機頭設計一個道理。主翼片被設計成階梯形狀，在車頭的部分被抬起，下方產生更大空間，目的就是為了最大限度地通過車體下方氣流。在車輪內側有兩片副翼，這裡會產生下壓力。

△階梯型前翼主板，扁平車頭，低下壓力賽車

車頭做成帶有弧形，下墜式的錐形。車頭扁平，從車頭的尺寸來看，車頭表面也會產生一定量的下壓力。

△下墜，錐型車頭，表面扁平

△前輪全包，前部也做成錐型，便於減小阻力。

尾翼部分：

F1的尾翼設計也非常複雜，因為這裡需要產生賽車整體所需要的1/3強下壓力。因此不論是主翼片，上方的副翼，還有邊上的端板都經過氣動工程師的反覆研究，邊上的開槽，或者主翼片的弧面尺寸和角度，副翼的形狀和角度等等都是經過精心計算和風動實驗而得來的。

△F1複雜的尾翼---都是電腦設計，風動「吹」出來的成果

FE第二代賽車採用的是無尾翼設計。

儘管FE的後輪沒有被包圍起來，但因為前輪已經被包圍住了，因此這裡相對撞擊到輪胎上的氣流非常有限，而在輪胎上方有一小段和輪胎同寬的翼片，這樣在輪胎的正上方可以產生一定程度的下壓力。這部分翼片斜向車體中間位置連接的翼片可以看做是起到梁柱支撐的作用，同時也可以起到一定程度的氣流整合作用。

△電動方程式的尾翼---也被稱作無尾翼設計，只有輪胎上方的這塊小翼片產生一定的下壓力

擴散器部分：

擴散器的英文是—diffuser。如果你有心查字典，diffuser是名詞，來自於diffuse這個英文動詞，就是（使）擴散，把什麼東西擴散出去的意思。Diffuser指的是能把什麼東西擴散出去的裝置。例如：reed diffuser指的是「蘆葦擴散器」（雖然聽起來你可能不知道是啥玩意兒，但現在很多人都在用）它就是「無火香薰」，是現在很流行的一種環保家用空氣清新用品。

△家居尚品----無火香薰

賽車中的擴散器全程叫做「car diffuser」。在賽車上用的，目的是為了加速車底氣流通過的速度，流速快了，壓力就小了。車體下方壓力小了，上方壓力大，就能把賽車「按」在地上，增加穩定度。

△後輪到車尾延伸的部分就是擴散器

△擴散器氣流示意圖

擴散器的形狀就是上揚的開口，並有很多的柵欄設計，柵欄是為了整理氣流。F1賽車對於擴散器的大小，起始位置有嚴格的限制，目的就是為了不希望賽車產生太大的下壓力，下壓力越大，賽車過彎速度越快，一旦失控就越危險。

△F1擴撒器，概念示意圖

△2018年F1梅賽德斯車隊擴散器設計

擴散器是賽車下壓力產生的最主要武器，因此每支車隊在設計時都非常小心。一方面，要保證車底的高速氣流不會產生分離現象（separation）另外，柵欄（strake---原譯指的是外板，條形板）。可以整合下方的氣流，避免車底下方產生渦流。車底渦流會讓壓力升高，從而降低擴散器的效率，另外柵欄還可以在氣流在後方產生渦流（vortex）。高速旋轉的車尾渦流可以起到加速的作用，進一步增加車底氣流的流速，從而進一步減小車底壓力。

△2019年法拉利賽車不斷研發改進的擴散器，複雜的「柵欄」清晰可見

FE的擴散器，無論比F1要大得多，幾乎從賽車尾部要分離出來了，柵欄的尺寸也大得多。充分說明，這裡是FE賽車最主要的下壓力所在。而且電動方程式的擴散器長度也更長，上揚的斜度和整個車體後部的上揚角度完全一致。從而進一步保持了氣流的一致性。這樣的設計可以判定出，在同等速度下，FE電動方程式車底產生的下壓力要比F1大許多。

△超大號的擴散器

△巨型擴散器，是FE電動方程式賽車主要的下壓力來源

FE賽車設計的未來

雖然FE下一代賽車並沒有在賽場上出現，但從已經公布的設計圖來看，最大的變化在前翼和尾翼上。前輪的前包圍，正面尖銳形狀設計被放棄，前輪前方被設計成鉅框型。前輪上方有了水平翼片。其目的非常明顯，就是為了能夠在這個位置產生下壓力。同時，尾翼上方也有類似的設計，連接車體中軸位置的斜梁被取消，代之以尾翼上方延伸出來的水平翼片，也是為了增加後輪上的下壓力。同時，也引入了背鰭概念，為了進一步整合通過車體上表面的氣流，提升氣流效率。這樣的設計說明，第二代賽車上方的下壓力太弱，需要進一步改進。

△新一代賽車把全包輪胎的概念放棄，這樣的水平翼片可以產生比二代車更多的下壓力

△水平的尾翼和背鰭也能進一步提升下壓力總量

賽車的氣動設計是提升性能的最重要手段，每一支車隊都非常關注這一領域。而賽車比賽中所取得的設計經驗和成果，特別是氣動方面的成果也在不斷轉化到普通汽車的設計領域，讓我們平時使用的汽車效率更高。