f12021年赛车(f12021年赛程)

写在前面

上一篇写完了前翼和前鼻锥的分析,我就一直在纠结接下来是先写车身的上部车体(Upperbody),又或是车底部分的地效地板(Underbody Ground Effect Floor)。地效地板作为这次规则修改的核心,就如同房间里的大象一样,自然而然地吸引了最广泛的注意力。不过呢,在我分析了Article 3关于地板的具体规则之后,却感觉地效地板其实没什么好进一步分析的:其工作原理与设计思路都非常的简单直接。反倒是上部车体,虽然关注的人不多,但是车队可以发挥的空间就大多了。如果有哪支车队玩得特别溜,上部车体甚至能成为决定比赛胜负的Game Changer。

本文将首先从参考体积(RV Reference Volume)与 参考平面(RS Reference Surface) 的定义,简要地解读Article 3 的规则细节。然后,我会点出我认为的规则重点,并假设工程师会围绕规则重点选择设计思路。接下来我会回顾并梳理最近几个赛季F1赛车上部车身的设计思路的发展,以及各支车队已经为新赛车提前铺垫了哪些技术升级。最后就是我个人的前瞻预测,我会根据已经整理与总结出的信息,给出我认为可能会出现在新赛车上的设计。


*坐标系定义(Article 2)

以下关于具体坐标点的讨论,都是基于一个右手定则三维坐标系。X轴是代表车身长度的坐标轴,车身相对X轴左右对称;Y轴表示车身宽度,Y0处在车身中轴上;Z轴表示车体相对车底木板(Z0)的高度。

XF是前轴的长度方向的位置坐标(longitudinal location);

XR是后轴的长度方向的位置坐标;

Xa是座舱的长度方向的位置坐标,Xa若在XF之前,则两者之间的距离不能大于100mm;

参考体积(RV Reference Volume)是根据相对与XF 与 XR的距离而确定的,故不同赛车的RV/RS会有微小的区别。

上部车体(Article 3.7)

所谓上部车体,其实对应的是Article 3中的后部车身(RBW rear bodyworks),具体包含四个参考体积和两个参考平面。

  • RV-RBW-SPOD 侧箱进气口参考体积(1 黄色)。这个区域只能用作侧箱散热器的进气口,不能加装任何多余的导气管,转向叶片,百叶窗叶片或是涡流发生器。
  • RV-RBW-COKE 侧箱后部可乐瓶区参考体积(2 深灰色)。这一区域类似之前规则中的R75 参考体积,在该RV内的车身部件的最小边缘半径为75mm。在此基础上,新规则又增加了最小凹曲面弧度(minimum concave radius)等于50mm。
  • RV-RBW-APERTURE 侧箱散热开口参考体积 (3 淡蓝色)。在此体积内,规则允许设置散热开口,开口不受最小边缘半径规则限制。
  • RV-RBW-EC 引擎罩参考体积 (4 浅灰色)引擎罩的最大允许宽度是900mm。举一个直观一点的例子,2021赛季的Alpine赛车拥有最宽的引擎罩,其宽度符合新规则的RV-RBW-EC。
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  • RS-RWB-APERTURE 侧箱散热开口参考平面(深红色)。所有在侧箱上的散热开口的俯视投影面积,必须在RS-RWB-APERTURE之内。假如有车队选择了宽引擎罩+高侧箱,那么理论上可以设置散热开口的区域就只剩不到RS-RWB-APERTURE的1/2的面积。
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  • RS-RBW-EC 侧箱引擎罩参考平面(绿色)。这一规则是为了保证赛车引擎罩侧面有足够面积用于展示赞助商的标志,侧箱+引擎罩的侧面投影面积必须大于RS-RBW-EC。新赛车应该都会有一个类似2021赛车上那种小背鳍。
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FIA的几台参考样车,在上部车体这一块没有太大区别,接下来我以小白为例。

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熟悉的样车小白

可以看得出来,小白的侧箱形状基本上就是按照RV box的边缘而设计的。估计官方找来几个3D建模师,让他们把RV box变得更圆润一些,于是便设计出了样车。

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新规则的重点

赛车侧箱冷却进气口 与 地板进气口的相对位置的改变

以下图为例,旧规则的侧箱冷却进气口(蓝线)和地板进气口(绿虚线)是在同一个平面上的;新规则下,两个平面则是错开的(offset),地效地板进气口在前,侧箱冷却进气口在后。侧箱冷却进气口处会形成一个高压区(黄色),而这个高压区被用来引导气流(Y250涡流)向下流进地板或侧箱的undercut;高压区还能避免鼻锥下方的扰流向上无序扩散,那些低能量的扰流最终会被工程师设计的涡流卷起,流向两侧(侧箱undercut)。

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新规则下,两个进气口的相互影响被大幅削弱

侧箱散热开口(Cooling Aperture)

09年规则修改时候,赛会引入了R75 参考体积(详见 专栏文章 一), 侧箱散热开口从此被禁止。时隔12年之后,新规则将重新允许设置侧箱散热开口。

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样车的散热口也就意思意思,做个样子

在我看来,这项规则修改几乎与地效地板的回归一样重要,因为其彻底改变了散热与upperbody气动的设计思路。09-21赛季,赛车的散热气流的出口在引擎罩的末端,车队们根据自家赛车的散热需求,决定开口的大小,然后在此基础上优化开口的轮廓。虽然从开口出来的高能量热风能起到一定的正面效果,但车队们都更愿意追求尽可能小的尾部散热开口。

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2022新规则鼓励车队将赛车散热产生的气流,从两侧侧箱上的散热开口排出车外。在同等工况下,新赛车引擎罩的尾部将会更加纤细。空气动力学工程师在优化车尾的气动外形时,不会再过多受制于散热的需求。

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实际能否做到如样车上纤细的引擎罩尾部,还要等到季前测试时才能见分晓

这些年来规则虽然不允许在引擎罩上开散热口,但是不妨碍车队们想着法子打擦边球。比较常见的就是在座舱两边开散热口(也有奇葩如Haas在引擎罩与地板的交接处开散热口)。

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车队们乐此不疲地研究怎么开这些散热口,主要是为了利用散热口排出的高能量热风,这部分热风类似涡流,可以起到抑制车身表面流体分离现象的产生,使得气流顺着车体形状流到它该去的区域。

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梁翼(Beam Wing)

另一个时隔多年再次被规则允许的气动部件就是梁翼(BW Beam Wing)。BW属于Article 3中尾翼的RV,之所以把它挑出来配合分析upperbody的气动设计,是因为BW实在是太重要了!我读了十几遍的Article 3,总共一万六千多个单词,字里行间只发现这一个气动部件没有被布朗和西蒙斯下毒:BW出现在最合适的位置;BW没有华而不实的后掠角;RV非常慷慨宽容,给了工程师难得的发挥空间。

如果一辆赛车的侧箱和引擎罩设计得足够好,那么BW毫无疑问将是整辆赛车上气动效率最高的一组翼型(AF Airfoil)。高效的BW,对于尾部扩散器,以及整个地效地板的效能,都能起到增幅的作用。车尾的气动设计从来都是工程师们各显神通,一分高下的关键部位,BW更是新规则下,车尾气动优化的重中之重。

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车队们的偷跑

动力单元的布局

侧箱和引擎罩归根结底还是为了底下的动力单元(PU Power Unit)而存在的,PU的布局与形状主导了气动外形的设计思路。几个引擎供应商也非常坦诚地承认:2021的PU主要是考虑了2022新赛车的需求,提前研发的产物。故我们能根据过去两个赛季PU布局的发展趋势,预测新赛车的上部车体的外形。这个趋势简而言之,就是尽可能地减小PU正面投影的宽度。为了达成这一目标,绝大多数车队不惜以抬高赛车重心为代价。

这方面做得最极端的就是Alpine车队,那个宽度夸张的引擎罩从亮相赛季初测试就成了围场内的焦点。Alpine的执行总监Marvin Budkowski面对媒体时直言不讳的表示,我们认为更窄的侧箱能带来更高的性能。他还不忘吐槽了一番,说车迷们对Alpine赛车的批评是身材羞辱(body shaming)。。。。

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虎背熊腰的Alpine

2021赛季使用梅奔PU的赛车,在引擎罩上都多出了一个鼓包。值得注意的是,这个鼓包本不符合新规则中关于曲面连贯性的条款,为此梅奔车队专门致函FIA要求澄清规则。FIA的答复是,因为PU形状造成的引擎罩表面凸起可以被豁免。

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如果说雷诺和梅奔是从比较集中的布局,发展成更加集中的布局,法拉利则是用过去几个赛季实践总结来的经验,验证了为什么另一个方向走不通(捂脸)。2019赛季,法拉利将更多的PU散热布置在了座舱两侧。有一个马后炮的解释是,法拉利在那个赛季采用的开挂引擎的发热量巨大,中间的进气口已经无法满足散热的需求。既然扩大侧箱的冷却进气口是无法避免的,那么干脆把引擎罩设计得更窄,让更多气流流向尾翼。

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SF90与SF1000这两辆赛车一直饱受车尾不稳定的困扰,因为工程师无法让足够的气流到达扩散器上方的地板末端。尾部不稳定导致了后轮滑动过多,轮胎衰退过快。为了抑制后轮滑动的负面影响,法拉利不得不采用高下压力的尾翼设定,这样做又把赛车设计时所追求的低阻力的优点也丢了。我个人觉得,比诺托面对19赛季的规则修改(简化前翼),有点儿反应过度了。他们主动抛弃了设计SF70h/SF71h时追求平衡性与操控性的思路,转而去追求低阻力的设计目标。事实证明,前翼虽然被砍,但损失的下压力很快可以从其他部位找补回来;开挂的PU给了他们错误的安全感,失去了及时纠错的机会。

法拉利于2021赛季完成了设计思路的横跳,SF21回归了类似SF70h/SF71h的散热布局。根据比诺托的说法,SF21将中冷散热器和电池散热器从侧箱移到了ICE与发动机进气道之间的空间。从上赛季法拉利赛车的表现来看,SF21以灵活性和操控性见长,仿佛是直接从SF70h/SF71h进化而来的。

歪头也是倒了血霉才开上了SF1000/SF91,导致风评被害;人刚走,就错过了SF21。

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SF90(左) SF21(右)

本田是散热器集中布置的先驱,自从本田与小牛合作起,红牛和小牛的引擎罩侧面轮廓就给人一种弓着背的感觉。下图是2019年帮助本田收获V6混动时代首个分站赛冠军的PU,这台PU直接头顶着一个散热器,当年也算是独树一帜的设计。鉴于本田已于2021赛季结束后退出F1,红牛继承了本田PU的设计IP,大概率会继续使用这个散热器布局。

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2 是散热器
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红牛的Airbox被分成了上下两个部分
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上进气口是用于冷却;下面那个进气口才是ICE的进气口
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背部散热器的冷却液导管对应不同的散热需求

侧箱进气口高度

这些年另一个设计趋势,就是由法拉利SF70h首创的HT侧箱进气口(High-Top Sidepod)。传统三角形的侧箱进气口,处于座舱上下两个侧面碰撞结构(SIPS Side Impact Structure)之间,侧箱的高度被上SIPS的最高高度限制。法拉利把上SIPS下移至规则允许的最低高度,然后把进气口放在上SIPS的上面。这样做就可以完全利用侧箱RV的垂直空间,更靠上进气口(进气口高压区)能把更多气流推向侧箱undercut和地板。

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SF70h(右)
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Mid Inlet
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TH进气口 High Inlet

HT进气口还方便工程师把零零碎碎的设备塞进进气口下方的空间,让车身更加紧凑。

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我难得吹了一波法拉利的设计。不过有一说一,HT进气口相较于传统的进气口有它的优势,但是远远算不上是决定性的创新。梅奔直到上赛季的W12,终于花了一个Token把上SIPS下移,换装了HT进气口。梅奔系的迈凯轮和威廉姆斯都比梅奔要更早使用上HT进气口,而开着二手W11的阿斯顿马丁,是上赛季唯一还使用传统进气口的车队(Haas的二手法拉利早就用上了HT进气口)。法拉利的创新帮助工程师们打开了崭新的设计思路:进气口不是非要布置在上下SIPS之间,进气口高度,甚至进气口形状,都是可以玩出花样儿的。

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可乐瓶的形状

所谓的可乐瓶区域,顾名思义,是因为F1赛车的侧箱+引擎罩那流畅连贯的曲面外形,非常像可口可乐玻璃瓶的形状。经典的可乐瓶一般有着贯穿全长的undercut,车身在靠近地板的部分会向内收。

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典型的可乐瓶

最近几个赛季,经典可乐瓶逐渐退出赛场,取而代之的则是类似梅奔的Packaging策略。以下图为例,SF70h的车身从前端的进气口,一直到车尾的散热开口,侧箱与引擎罩的曲线浑然一体,曲面连贯且优雅,堪称可乐瓶功能与美学的巅峰。反观同年的梅奔W08 EQ, 车身如同穿着超人紧身衣一样的蒙皮:侧箱和引擎罩的曲面不再是一个连贯的整体;车身靠近地板的部位也没有向内收。

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从侧面看,这类非经典侧箱(下洗气流侧箱)利用柯安达效应(参考专栏文章 二),让侧箱上表面的气流尽快与地板附近的气流汇合,如此可以避免传统可乐瓶上表面气流产生流体分离现象,使得车尾扩散器上方的气流更稳定。法拉利历经三个赛季的升级(针对性升级了后悬架,PU散热,前翼),最后于2021赛季完成了可乐瓶形状的转变。

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SF70h(上) SF21(下)
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SF21的下洗气流侧箱,在靠近地板的部分几乎没有内收

小结

进气口的位置(高低)与形状,可乐瓶区域曲面的走向,引擎罩的宽度,车尾与BW处的衔接与过渡,在以上几个关键的区域(节点),根据不同的设计思路,可以玩出的花样还是不少的,玩好了的收益也是巨大的。所以我觉得上部车体的设计,比起地效地板要有趣多了。


预测与期待

在分享我个人的预测之前,我想先跟读者互动一下。下图是新规则最初发布的时候,Motorsport杂志的顾问根据他们对Article 3的理解,给出的三种新赛车的气动外形概念设计。那么,各位读者基于上文的信息,觉得新赛车可能会最接近绿/红/蓝 三辆车之中的哪一个?

或者说,如果让读者主导新赛车的气动设计,三个思路你会怎么选择?

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选红车的,恭喜你找出了长得最像官方样车的那个。

红车最离谱的其实是侧箱进气口,特别是进气口的后掠角。高效的进气口入口的平面,一般是垂直于气流的方向(气动工程没理由给气流一个向外的水平分力)。规则中的RV-RBW-SPOD看着很大,实际上能用的体积非常小(布朗和西蒙斯也不是第一次挖这种坑忽悠人了)。红车进气口的后掠角,是为了充分利用RV-RBW-SPOD才设计成那个样子的,没有别的用处。就算把红车进气口的后掠角拿掉,进气口的形状也不对:那个位置与高度的进气口,轮廓应该长成下图那样,更接近倒三角形,而不是椭圆形。

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选蓝车的,恭喜你没有被我的啰嗦给绕晕,成功接受了上文至少90%的信息。蓝车上能看到HT进气口和下洗气流侧箱,可谓是紧跟潮流。不过,蓝车终究不过是发布于两年前的概念图,按照现在的眼光来看:蓝车的侧箱还可以更窄一点;侧箱的下洗曲面可以更极端。

下图是一个月前发布的新赛车概念图,图片来自专栏作家Craig Scarborough,Scarb的思路基本上是蓝车思路的升级版。

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Scarb概念车 侧箱的气流

选绿车的,咱们都是不走寻常路的乐子人。当然,也有可能是因为你对十年前的迈凯轮MP4-26,特别是对它那独特的U形(L形)侧箱,印象深刻。

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迈凯伦称之为U形进气口,也就是媒体口中的L形进气口
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MP4-26的正面
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从后面看,能更好地理解U形侧箱的玄妙

补充几个关于MP4-26的背景信息:

  • 2011赛季的规则禁止了双重扩散器,同时对气吹扩散器的位置作出了限制。迈凯轮选择针对BW梁翼优化气动设计,用高效的BW弥补车尾因规则修改而损失的那部分下压力。
  • 迈凯轮利用引擎排气的方式也非常特别:大多数车队选择将尾气吹向后轮与扩散器之间,这样做可以密封扩散器,提升扩散器的效率;迈凯伦采用了被媒体称为章鱼排气管的设计,将尾气吹向地板的前方和两侧,获得了类似地效地板的效果。
  • 引擎供应商梅奔在赛季初提供了最有效的引擎热吹(Hot Blown Engine Mapping)方案。车手可以全程不松开油门,发动机在中低转速区间只输出非常小的扭矩,实现不间断吹气。引擎热吹在赛季中被禁止。
  • MP4-26是红牛最强的挑战者。如果不是迈凯轮车队慢热+内耗,然后赛季中又被规则砍了一刀,MP4-26完全具有改写历史走向的能力。

回到2022年的新规则,如下图所示,图中的绿色虚线代表了BW的高度。显然,不管是采用哪种主流的侧箱进气口,都不可避免的会阻挡流向BW的气流。绿车的U形(L形)侧箱进气口就是为了尽量不阻挡BW高度的气流。干净的气流,就是最好的气流。如果真的有车队按照这个思路设计车身,我愿改换门庭,成为该队的死忠。

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传统进气口 VS U形进气口
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U形侧箱的气流示意图 by Scarb

话说,这么妙的设计,为啥就如此短命呢?为此,我专门找到了Scarb十年前专访Paddy Lowe的文章,Lowe给出的原因有二:规则修改,2012赛季的柯安达效应排气管直接对着车尾吹气;为了优化引擎罩内部的气流,提升散热效率。我再补充两条:13赛季是12赛季的延续,12赛季不用U形侧箱进气口,那么13赛季也不会用;从2014赛季至2021赛季,BW都是被规则禁止的,自然也就没必要了。

我认为,法拉利的HT侧箱进气口与U形侧箱进气口,本质上是异曲同工,区别是:一个(最)高,另一个(最)低;两种进气口的形状都很特别。我猜啊,会不会有车队将进气口下移,形状不一定非要做成U形,只要能不遮挡流向BW的气流就成。

预测什么的,就到此为止吧。说多了,万一下图的这辆赛车是货真价实的真家伙,那我的脸可要被打肿了(捂脸)。

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圆鼓鼓的引擎罩应该是没跑了

版权声明:网站导航 发表于 2022年8月14日 下午10:39。
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