技术分析:保护阿隆索生命安全的关键技术

费尔南多·阿隆索能够在澳大利亚大奖赛的事故中平安无事,展现出当今F1高水平的安全措施。Matt Somerfield和Giorgio Piola带您解析F1如何保护车手的安全。

F1对于安全技术全方位的苛求通常并不会吸引较多的目光,而只有类似在墨尔本发生的事故才会使F1在保护车手的技术上所取得的进展成为关注的焦点。

为了更好地理解在车身发生碰撞时能量是如何产生的,F1进行了大量的研发工作。

 

McLaren MP4/1 monocoque
McLaren MP4/1 monocoque

Photo by: Giorgio Piola

类似阿隆索在第17圈所遭遇的撞车事故颇为惨烈,但更令人惊叹的是,赛车使用了怎样的结构和原理能够确保其平安无事。

显而易见,与几十年前采取力图制出坚不可摧的车体的策略不同的是,当今赛车在与外物发生碰撞时,能够通过结构发生形变吸收动能。

为了使事故处理措施标准化,国际汽联在赛车的多个区域进行了规定,同时一些关键位置还必须通过载荷和碰撞测试。

Frontal crash test
Frontal crash test

Illustration by: Giorgio Piola

鼻锥部分之所以需要最多的测试,并不是由于它相比于其他部件拥有更高的重要性,而是因为它对空气动力所起到的决定性作用。各车队一方面要遵循规则对鼻锥形状日益严苛的要求,另一方面还要保证能够通过碰撞测试。

在现有规则框架下,各个车队目前正探寻在满足前鼻最小长度的基础上如何使整车性能最大化的方法,并在赛车前鼻下更大文章,进而小幅缩短赛车长度

Wheels tethers
Wheels tethers

Illustration by: Giorgio Piola

自2001年以来,轮索被应用在F1赛车中,以降低车轮在发生事故时脱落而击中车手头部、观众以及赛事官员的风险。

亨利·索迪斯在二级方程式被对手脱落的车轮击中头部而死亡的悲剧,使得国际汽联发布了新版本的轮锁技术要求。

2011年,国际汽联对原有每个车轮配备一个轮锁的要求进行了修订,车队需要为每个车轮安装两个轮锁,每个轮锁所能吸收的能量不得低于6千焦。

在事故发生时,车轮可以高达150km/h的相对速度从赛车弹出。在此情况下,以20千克车轮为例,其动能可高达17千焦。因此,对该动能进行控制有着相当的必要性。

2017版本新规为适应更宽的车身进行了进一步的修订,将动能的吸收量提高至8千焦。

McLaren MP4/1 monocoque
McLaren MP4/1 monocoque

Photo by: McLaren

F1车身由碳纤维制成,是赛车的核心部分。碳纤维车身自1981年迈凯伦与赫拉克勒斯合作引入F1以来,为这项运动带来了巨大变革。

起初,F1界内对这种材料和设计的可行性抱有质疑,但此后不久,所有车队便纷纷效仿并摒弃了之前的金属车身。

这种复合材料相比与之前所使用的方案,兼具重量轻和强度大两大优点。基于这种材料,在传统设计中不可行的复杂结构得以应用。

Cockpit dimensions
Cockpit dimensions

Illustration by: Giorgio Piola

为确保车手得到充分的保护,规定了车体的最小外形尺寸。其中,通过对驾驶舱的开口进行严格规定确保了各个赛车使用了相同的设计,确定了处理事故的措施,使得车手可以从事故赛车中安全离开。

由于之前的赛季中有一些车手因事故伤及腿部,自1988年以来,车手的双脚应按照规定置于前轮中轴线的后方。

这对驾驶坐姿带来了显著的变化:车手双脚抬起,与之前所采用的坐姿形成了鲜明的对比(上图为1983年坐姿示意图)。

Side protections
Side protections

Illustration by: Giorgio Piola

2014年F1规则进行了改变,对于作为在侧面碰撞发生时的第一道防护措施的侧撞保护梁进行了调整。

2007年蒙特利尔发生在罗伯特·库比卡的强烈碰撞,使得国际汽联和一些车队对在有一定倾斜角度情况下发生的碰撞进行了进一步研究。

正是这一研究,促成了目前正在使用的侧撞防护梁。该设计的鼻祖来自于玛鲁西亚车队,并随后由红牛车队优化。

目前,该防护梁能够在正常情况和有倾斜角的碰撞事故中吸收40千焦的能量。

Mercedes AMG F1 W07 detail
Mercedes AMG F1 W07 detail

Photo by: XPB Images

对于该侧撞防护梁的标准化,目前许多车队使用的是安装在车身侧面的方案(详见上方奔驰车队的设计),以兼顾安装防护梁和空气动力性能的小幅提升。

 

Head protections strenght
Head protections strenght

Photo by: Giorgio Piola

2007年,国际汽联引入规定,各个车队需要给赛车在驾驶舱两侧配备柴隆材纤维制成的条状部件,这种材料因其独有的拉伸强度通常被用于制作防弹面罩。

国际汽联通过对该材料的运用,进一步降低了车手因外界异物进入驾驶舱而受伤的可能性。

柴隆材料安装在驾驶舱内壁,进而使2016赛季赛车驾驶舱侧板高度有20毫米的增加,同时负载测试也随之增加到15千牛至50千牛。

Removable seat
Removable seat

Illustration by: Giorgio Piola

在之后的F1各个赛季前,我们会经常听到所谓“定制座椅”这个词,用以代表车手到厂商定制用于征战新赛季所使用的赛车座椅。

在定制座椅此期间,车手坐在驾驶舱内一个填有合成树脂的袋子里,树脂材料在干燥定型后作为碳纤维的负面模具。即便车手无法自行离开赛车,这些由碳纤维制成的轻量化座椅也可以从驾驶舱轻松取出。

座椅通过两个螺栓固定在底盘,并可通过分发给救援人员的标准工具进行拆卸。尽管现在看来难以想象,但是将车手固定在可拆卸座椅的六点式安全带直到1972年才成为强制项目。

此外,当在车手需要被解救时,医疗队可以在将座椅和车手从驾驶舱取出时,用座椅上设置的孔洞和其上表面的凹槽配合平衡轮,来支撑车手的头部和颈部。

Cockpit crash test
Cockpit crash test

Illustration by: Giorgio Piola

为防止赛车翻滚,车身设有两处轧辊结构:一处是在方向盘前方、底盘的上方(次轧辊结构),而另一处设置在不得低于参考面以上940毫米且不得低于驾驶舱后方30毫米的位置(主轧辊结构)。

这样形成的三角结构确保了车手的头盔即使在赛车翻滚的情况下也绝不会触碰到地面。

设计主结构时需要考虑进气箱,空气由后者进入内燃机单元。

在设计其造型时,大量的努力用在了提高空气动力和部件轻量化的工作上。由于是赛车的最高点,因此主轧辊结构对赛车的重心有着不言而喻的影响。

然而,国际汽联仍然坚持规定,该结构应该具备承载横向50千牛、后向60千牛以及向下90千牛的载荷的能力。该轧辊结构失效的后果不堪设想。

HANS system
HANS system

Illustration by: Giorgio Piola

当2003年头颈支撑装置成为强制要求时,对于为何使用该装置的原因曾引发质疑。而如今,头颈支撑装置成为世界各个明星车手必不可少的装备,并拯救了相当一部分人的生命。

该装置结构简单,能够保持车手的头部和躯干保持固定的相对位置。一旦发生事故,能够对头部缓冲,并将能量传至躯干。

国际汽联热衷于研究头部在发生事故时的运动轨迹,并会自2016年起,在接下来几年中通过在车手正前方和底盘顶部安装高速摄像头来进一步推动其在该领域的研究成果。

阿隆索上周碰撞事故时所采集的影像也许会对管理层在未来所进行的安全研究工作具有巨大的参考价值。

FIA closed cockpit testing
FIA 封闭座舱测试

Giorgio Piola

近几个月,另一种对车手头部的保护措施“光环保护罩”成为议论的焦点。

尽管大部分车迷并没有看到其真正的好处,但国际汽联、车队和车手一致同意这项保护头部的措施在2017年付诸实施。

虽然我们无法从美学角度认可光环保护罩,但它还是至少要比国际汽联最开始测试的想法要好一些。

光环保护罩是国际汽联首先测试的程式化版本,并伴有其他诸多用以避免例如脱落的车轮等较大物体击中车手头部等事故的方案。

Sebastian Vettel, Ferrari SF16-H running the Halo cockpit cover
Sebastian Vettel, Ferrari SF16-H running the Halo cockpit cover

Photo by: XPB Images

法拉利车队曾经在季前测试阶段使用过的“光环保护罩”并非结构型装置,因此只允许在赛前测试圈使用。在驾驶配有保护罩的赛车的过程中,并没有车手对其阻拦视线提出异议。

又有批评的声音认为,光环保护罩由于无法阻止类似2009年从鲁本斯·巴里切罗的BGP001赛车中飞出的弹簧击中菲利佩·马萨的头盔的事件发生。

Red Bull Halo concept
Red Bull Halo concept

Illustration by: Giorgio Piola

尽管并不是出于这一目的,红牛车队自行设计了一种由挡风玻璃和双A柱组成的方案,用以保护车手头部的两侧。

该方案同样招来了反对的声音,他们更加关注这种通过封闭的方式防止车手被小物体击中头部的设计所带来的负面影响。

不论2017赛季国际汽联最终会采用哪种方案,都将表明,管理层致力于改善竞赛安全环境和避免可能发生的事故的决心不会改变。

和我们一起创造辉煌

写评论
显示评论
关于这篇文章
系列 F1
文章类型 分析