F12022赛季新赛车前瞻(一)(f12021新赛车)

早在几个月前,官方于银石大奖赛周末,公布了2022 新规则下的新赛车的样车。当时,我本打算在某个知乎问题下谈谈我对新赛车究竟会长啥样的看法,谁知道F1 2022 规则中的Article 3, 居然有将近16,000个单词的文字描述,这还没算上 附录2 中几千字内容,于是这事儿就这么拖到了十二月中下旬。随着FIA年度颁奖礼的举办,以及梅奔车队正式撤回诉讼,充满了争议与戏剧性的F1 2021赛季算是尘埃落定了。大约再过一个月,各支车队就会陆陆续续公布新赛季的赛车。虽然赛车首发主要以公布车身涂装为主,但是,由于下赛季的特殊性,许多细节都能在首发,就看出点儿端倪。我的分析再不写,这阅读理解就白做了。

本文作为系列分析的第一篇,我会把它跟后续的篇幅放进专栏里。文章主要汇总了FIA 2022规则的Article 3,一些技术专栏,以及几篇论文。仍然是那句老话,我也只是拾人牙慧。我大学学的流体力学是侧重于不可压缩流体,与空气动力学还是有方向上的区别,如有错误,欢迎指正。在我看来,每到F1的休赛季,车迷们根据新规则进行脑洞CFD模拟,猜测新赛车的研发方向,是非常有趣的一件事。我计划这一系列文章前两章是一些必要的铺垫,希望能以此抛砖引玉,让更多赛车迷同好加入眼球流体力学大师(Eyeball Aerodynamicist)行列。


Think Inside the Box

我们熟悉的F1,即Grand Prix Racing,在进入上世纪八十年代后,逐步开始从规则上对赛车的外形进行限制。之前提到的Article 3,就是规则中专门针对赛车车身的条文。Article 3 旨在会为参赛制造商,规定出一个Reference Volume(RV 参考体积),所有参赛赛车的车体被限定在RV的Box内,而设计师和工程师的工作,就是标题中的think inside the box。

1983——1994

八十年代初,官方取缔了地面效应侧箱,F1赛车的外形变得更加接近我们熟悉的现代F1赛车的设计。此时的RV还十分的抽象,规则除了在前轮和后轮附近,对高度进行了限制之外,设计师们可自由发挥的空间相当大。

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下图的两辆赛车是遵守同一个RV Box设计的。

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纽维的首个代表作 Leyton House 881
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Gordon Murray的得意之作

1994

90年代初,随着F1赛车的速度越来越快,FIA出于安全的考虑,第一次尝试通过修改Article 3,达到帮F1降速的目的:赛车的最大宽度由之前的2150mm,缩短至2000mm;后轮轮胎的宽度由406mm(16英寸)被削减至356mm(14英寸);前翼不得宽于前轮轮距的1400mm,且前翼可布置的位置被大幅后移,只有鼻锥可以突前;尾翼的高度也被切了一小块儿;Article 3.7禁止了主动悬架与可变空气动力学套件;

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总的来说,对于不是特别熟悉那个时代的赛车迷来说,1994年的规则修改并没有显著地改变赛车的外形,大部分赛车都和上面的Leyton House 881赛车长得差不多。不过,一些不安分的车队为了应对尾翼高度被降低,实验了一些奇葩尾翼设计,属于比较典型的例子。

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1994 伊莫拉大奖赛之后

如果说1994赛季前,FIA预感到了赛车日益剧增的安全风险。那么,当塞纳与罗森博格相继在伊莫拉大奖赛周末殒命之后,给赛车降速已经是一种迫切需要解决的问题。FIA在赛季初的规则的基础上做出了以下改动:在车底加入了人们现在熟知的木板(Plank),以达到限制赛车地板与地面之间最小间隙的目的;RV 车尾的扩散器被切掉两大块体积,变速箱两侧及后轴之后不被允许布置空气动力学套件(该规则一直持续到2009赛季)。

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Plank 木板 舒马赫曾因Plank过度磨损,被取消了参赛资格
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FW16 塞纳出事前的扩散器
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FW16b 塞纳意外之后的扩散器

1995

1994年的赛季中期规则修改,只是应对悲剧的权宜之计,FIA下定决心进一步细化Article 3关于RV的规则。从1995赛季开始,赛车不再以地面为参照平面(RS Reference Surface),而是将每辆赛车最靠近地面的平面视为RS;赛车地板不再与刚刚加入的木板处在同一平面,而是必须比木板高10mm,进一步控制离地间隙;木板的长度被加长,尾端至后轴处;尾翼的尺寸和高度被修改;引擎罩附近的RV被细化;前翼的离地间隙从40mm被抬高至50mm;前悬架附近不能设置任何车身部件。

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这时的RV Box,已经有点儿像用乐高积木拼成的赛车,特别是RV Box的中后部。不知道出于什么原因,可能是FIA觉得没必要吧。车身中前部的RV没有更加细致的规定,于是就被车队钻空子了。曾经流行一时的‘X Wings,就是利用了侧箱进气口附近的RV。

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1998

赛车的宽度由2000mm缩小至1800mm。除此之外,RV并无变动。甚至充满争议的X Wings也得以保留,FIA意思是,你们别玩太过火了就成。FIA保留对X Wings是否合规的最后决定权。

2001-2004

新世纪初的RV主要有以下的改动:细化了侧箱进气口附近的RV,从规则上取缔了X Wings;把前翼又抬高了50mm;尾翼翼面的数量被限制为3个。

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令人匪夷所思的是,FIA没有顺带着把驾驶舱前端的RV也修改了。果不其然,又被车队钻空子。

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2004年,FIA为Article 3添加了小改动,对尾翼的位置与尺寸做出了修改。

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2003规 尾翼
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2004规 尾翼

往赛车鼻子上加翅膀,仍然属于RV所允许的灰色地带。FIA直到2012年之后,才对那个区域做出详细的规定。小翼是否合规,完全由FIA根据Article 2.3 做出裁决。上面图中的两个小翼都被取缔了;下图中,一个合规,另一个被定性违规。

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合规
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违规Tower Winglets

2005

单独把2005赛季挑出来,因为这是舒马赫王朝的终结之年。规则其实比较之前,并没有太大的改动,仅仅是前翼又被抬高了50mm,达到了150mm最小离RS间隙。

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2004年的法拉利光顾着赢麻了,并没有重视这点小小的规则变动。2005赛季初,他们带着换了前鼻锥的F2004M来到赛场,结果发现现实并不如想象中的简单。

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F2004M的鼻锥其实就是把F2004的前翼抬高,然后在中部的下面加装一个靠近地面的小翼。事实证明,这种混子的解决方案能奏效就奇了怪了。F2005在赛季中姗姗来迟,前翼终于换成了主流的勺子形前翼。

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F2004
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F2004M
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F2005

后来,设计师们发现,被抬高的前翼的RV已经几乎与前鼻锥的尖端处在同一平面上了,于是06-08赛季的双层前翼应运而生。

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迈凯伦 MP4-22

2009

2009赛季,F1迎来了新千年第一次规则大改,FIA首次将减少扰流对跟车的负面影响写进Article 3中。具体到RV Box:前翼的离地高度被降低;前翼的中段是强制规定的中性区域(横轴正负250mm宽),终结了勺子前翼;前翼的副翼不能进入中性区域,双层前翼被取缔,随之而来的,是由纽维引领的Y250涡流的研发方向。

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车身部分,规则在RV的基础上引入了R75 Volume,即该区域的车身部件必须有足够半径75mm的厚度。说人话:引擎罩上乱七八糟的小翼都拆了;复杂非连贯曲面的设计也别整了。

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尾部:尾翼被抬高。

重点是规则对车尾扩散器的修改:扩散器的末端被允许延伸至后轴之后350mm处,这种扩散器在外观上更接近1994年塞纳出事故之前,规则所允许的扩散器样式;从车底往上看,扩散器最高处不得低于175mm。

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2009扩散器(上)2008扩散器(下)
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2009扩散器(上)2008扩散器(下)

那么大名鼎鼎的双层扩散器是怎么来的呢?

简而言之,因为FIA只规定了从车底往上看,扩散器最高处不得高于175mm。扩散器,变速箱外壳,还有梁翼(beam wing)之间的RV并没有特别规定。于是,布朗和红牛等车队就在车底地板开了进气口,然后围绕着变速箱外壳和梁翼,搞了第二个扩散器。之所以布朗的双层扩散器最成功,是因为布朗的变速箱和后悬架,都针对优化扩散器尺寸而特别设计。红牛抬高了后变速箱,才勉强塞进了一个双层扩散器(他们在2010赛季搞出了双层+气吹扩散器的玩意儿);法拉利由于变速箱尺寸的问题,没有办法模仿布朗的设计。

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2012

09新规则进行了三个赛季,FIA于2012赛季针对性地修改了Article 3的RV。首先,FIA终于对前鼻锥的高度下手了。2011赛季,几乎所有车队都采用了又高又扁平的前鼻锥设计,这种设计已经产生了明显的安全隐患。FIA为了安全修改规则本无可厚非,只是手段略显粗糙。我猜官方是想给车队们留更多的发挥空间,谁曾想却开启了F1赛车颜值的黑暗时代。

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F12022赛季新赛车前瞻(一)(f12021新赛车)
Stepped Nose 阶梯鼻

其次,引擎罩上鲨鱼鳍RV不再与尾翼RV接触,这项改动是为了杜绝类似F Duct这种类DRS的奇淫巧技再次出现。

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F Duct示意图

最后,虽然在RV Box上看不出来,但是FIA对排气管出口的最低高度与角度有了明确的限制,目的当然是为了取缔气吹扩散器(blown diffuser)。只可惜,迈凯轮在2010年曾经测试过一个气吹扩散器的废案,该设计使用的是科安达效应(Coanda Effect)的气吹扩散器。虽然后续迈凯轮最终采用了类似红牛的排气管布局方案,即直接贴着地板上表面排气,但迈凯轮的这次尝试,却被红牛等对手看在眼里。红牛联合雷诺等车队,忽悠了FIA,导致2012规则虽然禁止把尾气贴着地板吹向扩散器,可并没有把利用尾气这条路给封死。

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2010 RB6 排气管出口
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2012 法拉利 Coanda Effect排气管
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2012 红牛 Coanda Effect 桥排气管

2014

F1进入V6混动时代,2014-2016这几个赛季堪称F1赛车颜值的至暗时刻。当然,不得不承认,那几年的赛车的辨识度非常高,每款赛车都丑得很有特点。问题主要出在前鼻锥上,FIA铁了心要把前鼻锥压低。

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混动时代因为才刚刚结束,大家的记忆都还比较清晰,故我就不赘述了。导致那几年前鼻锥如此百花齐放的原因,还是在于FIA想在规则里留下足够的发挥空间:2014赛季,前鼻锥尖端要有截面积为8000mm^2车体达到某个高度;2015赛季,8000mm^2之后,需有截面积至少为20000mm^2的车体达到某个高度;2016赛季,横截面为U形的短鼻子被禁止。

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2014赛季
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2015赛季
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2016赛季

另外,排气管的位置被统一了,谁都别想再在尾气上做文章。

2017-2021

美国的Liberty Media收购了F1,在新所有者的影响下,FIA首次将赛车颜值的考量加入规则中。

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从空气动力学的角度来看,2017年Article 3 增加了侧箱barge board的RV,而各个车队能各显神通的地方,也主要集中在侧箱区域。从最早的垂直涡流发生器,挡板,到后来的回旋镖和百叶窗。这些令人眼花缭乱的气动组件,等到了2022赛季,就看不到了。

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回旋镖
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百叶窗

2018赛季,取缔了鲨鱼鳍和T wing,增加了Halo;2019赛季,简化了前翼的翼面数量与复杂程度;2020赛季,不记得了;2021赛季,地板切了角。

2022

写了这么多,终于到了2022赛季新规则的部分了。之所以啰嗦了那么多,是希望能帮读者带入赛车设计师的思维中,即think inside the box。

正如开头所提到的那样,2022赛季的Article 3是史无前例的。仅规则的文本量,就比本世纪初的Article 3 要翻了三番。在新规则中,RV不再只限制车身的最大体积,在同一个部位,还会有最小参考体积(min-RV);除了RV之外,还有更多的参考平面(RS Reference Surface)和参考投影面积(RPA Reference Projected Area)。

规则不再设定一个统一的RV Box,而是每支车队都要通过官方指定的CAD终端,上传赛车的轴距等尺寸,FIA再根据赛车的轴距,反馈给车队RV Box的参数。车身的不同部位,都有他们独立的RV/RS/RPA,这些小Box根据相对于前轴/后轴的位置关系,确定具体坐标和体积。除了规则中关于体积和面积的限制,车体有时还必须满足类似以下的要求:曲面必须是切线连贯/曲率连贯;转角处满足最小半径;材料厚度。

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后续,我打算分几个部分单独分析新规则:前鼻锥/翼,车底底盘,车尾和车身上部。这里可以提前交个底,那就是,官方在银石展示的样车,很好的体现了FIA的布朗和西蒙斯,是以怎样思路制定具体的Box。样车是一个很中庸的设计。搞不好,人们分析了半天,结果发布出来的新车,都跟它长差不多。这是很有可能的事儿,也难怪人家纽维特别不待见2022的新规则。

版权声明:网站导航 发表于 2022年8月9日 上午5:29。
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