技术分析:F1车队在2017赛季面临的挑战

2017赛季,F1将携全新的赛车以崭新的面貌呈现在人们的眼前,而这种焕然一新的感觉不只停留在视觉上,更将在赛车的机械结构和空气动力学层面带来巨大的改变。

2017赛季,F1将携全新的赛车以崭新的面貌呈现在人们的眼前,而这种焕然一新的感觉不只停留在视觉上,更将在赛车的机械结构和空气动力学层面带来巨大的改变。

本次规则的大幅调整是以将圈速时间缩短5秒作为出发点。为了实现这样的目标,倍耐力为赛事提供了更宽版本的轮胎,而赛车的气动设计也得到了大量的改动。

在这些气动结构的调整中,最值得注意的是前翼、后翼和侧箱前缘的外形向后倾斜的趋势,从而形成类似三角形的形状。

一方面,这样的设计可以使赛车在视觉上更富侵略性,但另一方面,这样的方案迫使赛车设计师们不得不对赛车气流的流径做进一步的思考。

2016-2017 bottom view comparison
2016/2017赛季版本F1赛车底视图对比
图片: Giorgio Piola

为了更好地理解该设计对赛车在新赛季中性能表现的影响,我们选取了平时很少出现在分析中的底视图进行分析。

前翼

对于整个赛车的性能而言,前翼扮演着至关重要的角色。作为在前进过程中最先与空气进行接触的部件,前翼将对其他所有部件的性能产生显著影响。同时,由于位于前轮较近的位置,因此前翼同样对前轮所产生的尾流对其他部分气动性能的影响起到作用。

此外,由于方程式赛车受到阻力中的40%来自于轮胎,因此赛车设计师如果不对此进行改变,那么只能试图找到更合适的阻力系数。

Ferrari F2008 and F60 top view comparison
法拉利F2008和F60俯视图对比
图片: Giorgio Piola

在2009赛季引入的规则修改(如上图所示)使得设计师们不得不采取相同的做法。为此,设计师们在前翼的中间部分加入了中心区域,而赛车的前翼宽度也随之增加,以与赛车的总宽度相匹配。同时,赛车的破风板尺寸得到大幅减小,进而改变了前轮所产生尾流的流向。

为了与之相匹配,赛车的后部也相应减小以降低赛车整体的下压力水平。其中,底盘前端区域受到的影响最大。

接下来的几个赛季中,与下压力水平降低相匹配的是,前翼的宽度同样有所减小,这也使得设计师们继采用外扩式前翼取代内敛式前翼方案后的工作难度进一步增大。

使用外扩形前翼的目的在于将前轮产生的尾流引向外侧,避开更小尺寸的破风板。而该版本的破风板由于在尺寸上的缩小,因此对底板和侧箱前端的物理保护也随之降低。

Y250气涡用于对轮胎尾流产生影响,其作用与之前版本技术规则框架下所允许的较大尺寸的破风板类似。

2016/2017 front wings comparison
2016/2017 前翼对比图
图片: Giorgio Piola

2017赛季的赛车不仅有前翼中性区,而且采用了三角形外形,从而为设计师们在对Y250气涡的处理上提供了自由度。然而,由于前鼻的长度下限值由850mm增加到1050mm,因此Y250气涡的结构同样会受到影响。

赛车前翼的宽度由1650mm增加到1800mm,从而与轮胎宽度从245mm到300mm的增加相匹配。

破风板

McLaren MP4/31 front wing fins, bottom view, Mexican GP
墨西哥大奖赛中迈凯伦 MP4-31赛车前翼翼片的底视图
图片: Giorgio Piola

按照我们刚才介绍的信息,您或许会认为外扩式将继续出现在新版赛车上,但由于规则制定者的修改,尺寸更大的破风板将重新回到赛车上。如上文所述,该方案将前轮尾流从底板引出的作用使设计师们不得不改变对赛车前翼的设计思路。

然而,与其他大部分车队所不同的是,迈凯伦在赛车前翼方案(如上图所示)的选择上独树一帜。

Mclaren MP4-17D,  Ferrari F2004M and Sauber C22 bargeboards comparison.jpg
迈凯伦MP4-17D、法拉利F2004M和索伯C22破风板对比图
图片: Giorgio Piola

继2009赛季和2014赛季通过显著降低下压力水平以降低速度同时提高安全性后,对赛车速度的追求如今又重新回到这项运动中来。

为了更好的介绍底盘前部的复杂程度以及该方案对气流带来的后果,我们将2009赛季之前版本的赛车作为基准。

2003和2004赛季中所处的技术水平可在上图中得以一见,而2009赛季之前的版本则在改变气流的流向和分布方面有所不同。

分离器

2017 aero regulations, plank design
2017 气动规则框架下的底板设计
图片: 国际汽联

F1赛车离地间隙是以底板和前区的“T”形结构分离器作为背景。而从空气动力学的角度来看,这样的方案有两个出发点:前翼的地面效应以及增加扩散器的膨胀比。

近年来,我们一直在关注这一富有争议的区域。铰链式和悬挂式分离器可以在不被技术检查员判定违规的情况下改善赛车的气动性能。

T Tray strength test 2016
2016年T形支架强度测试
图片: Giorgio Piola

按照2017赛季赛会的规定,底板的位置向后移动100mm。这样一来,由于该区域的受力相同,因此使该部件所产生的下压力的提升成为可能。

扩散器

2017 aero regulations, rear view
2017 气动规则,后视图
图片: 国际汽联

赛会在赛车尾部带来的尺寸上的变化为设计师们在对赛车扩散器的设计上提供了较大空间。与之前的扩散器始于后轮中心线的规则不同的是,在现行的规则下,扩散器的起点可位于距离后轮中心线175mm的位置。同时,其宽度增加50mm至1050mm,并在高度上修改为175mm,同样提高了50mm。

这意味着扩散器可分为三个部分,而底板的末端仍然位于后轮中心线。

总结

2017赛季的技术规则修改正在朝着不同的方向前进,并将为F1带来接近5秒圈速时间的缩短。

诚然,由于对赛车的各个部件进行了从头至尾的彻底改变,因此赛车将在空气动力学层面迎来巨大变化。

然而,新版技术规则框架对现有方案的革新将使设计师们沿着一条充满未知数的路径前行。

毋庸置疑的是,任何类似这种幅度的技术规则调整都将引起各支车队在整个赛季中展开激烈的技术竞赛。

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