从飞机起飞后的“脏气流”说起，是什么将F1赛车牢牢“吸”在赛道上？

「一周热点」

4.22-5.6

在这里

看全球航空

在航空领域有这样一种现象：大型飞机起飞后，在它身后的中型或小型飞机，必须要间隔一段时间才能起飞。这一现象的原因是，中小型飞机必须避开大型飞机的尾部涡流。

尾流的主要部分是大型飞机的两翼翼尖处所会产生的翼尖涡流，这两股高速翻动的螺旋形气流，会向后、向下延伸，持续高速旋转，且旋转方向相反。这两股涡流内侧会形成强大的下降气流，外侧形成强大的上升气流。

当中、小型飞机起飞进入这个空域，向下的气流会严重干扰到它们的正常飞行，甚至会造成飞行事故。

飞机的尾部涡流和翼尖涡流的一种可视化呈现。如果后面的飞机（特别是小飞机）进入了涡流，特别是在起降阶段就会颠簸，影响飞行安全，。

在F1围场内，也有类似这般气流干扰的情形。

前车高速行驶过后，留下的是被它扰乱的“脏气流”（Dirty Air），后车因此无法产生足够的下压力（特别是前翼的下压力下降，让赛车操控性下降），速度就会受到影响，造成了后车难以在弯道中跟车和超车，进而降低了F1比赛的竞争性和观赏性。

为了减少这种前车对后车的“脏气流”干扰，F1比赛在2022年做出了划时代的变革。自此F1赛车进入了“地面效应”时代，也将F1赛车的空气动力学带入了新纪元。

前辆赛车留下的“脏气流”，不仅会导致后车的下压力削减，也还会影响到轮胎、制动器温度等，最终让F1赛道内的超车变得困难，也就牺牲了赛事的竞争性、观赏性。

“地面效应”和“文丘里管效应”

在航空领域也有“地面效应”这一词。

当飞行器以很小的距离贴近地面或水面飞行时，地面或水面阻挡了翼尖涡流的产生、中断了机翼的下洗气流，进而减小了机翼的诱导阻力，整个飞行器体的上下压力差增大，升力会陡然增加，飞行器也获得了比空中飞行更高升阻比。

在冷战时期，以苏联阿列克谢耶夫（Rostislav Alexeyev）为代表的中央水翼艇设计局基于“地面效应”开发了多款地效飞行器，其影响也绵延至今。现在，航空业依旧在延续着对地效飞行器的探索。

从冷战时期的反舰巨兽，到今天的近海客运货运等，地效翼飞行器虽依旧小众，但业界并没有放弃对它的技术探索和应用上的畅想。

但F1赛车领域的“地面效应”则与此截然不同。它在原理上是“文丘里管效应”（Venturi Tunnel，以发现者意大利物理学家文丘里命名）。

也因此，我们看到2022赛季的F1新赛车，底板拥有了两个类似凹槽的气流通道。从侧面看，它们呈两边高中间低且类似波浪的曲面形状；这两个凹槽就与赛道地面形成了两面粗、中间收口变细的“文图里管”。

F1新规则生效后，从2022年开始，F1赛车最突出的变化发生在底板部分，与此前的（上图）截然不同。

新赛车底板增加的凹槽气流通道将与赛道地面形成了“文丘里管”，依托“文丘里管效应”产生下压力。

利用“文丘里管效应”，当空气从赛车前端进入设有“文丘里管”的赛车车底后，由于底部中部空间骤然压缩、后端空间又再次敞开，空气在中部的流速显著提高，明显高于赛车的前后两端。

根据经典的伯努利定律下，流速大的区域，其压强小，由此在赛车中部区域形成了低于常压的负压区，赛车就被一只无形的大手（即“下压力”）紧紧地按在了地上。对于赛车而言，它与地面产生了强大的“吸力”。而且，随着赛车速度更快，这种“吸力”会更大。

“地面效应”回归，前后翼作用削弱

不过，在F1围场内，第一款应用“地面效应”赛车是诞生于40多年前的“莲花”79。该车凭借这项现代空气动力学创新，在赛场上一骑绝尘，包揽了1978年的车手和车队世界冠军。

该车的“地面效应”是通过侧箱来在侧箱内部巧妙地构造起与赛道地面的“文丘里管”。不过，为了应对弯道速度上升的安全问题，1983年F1赛车新规则颁布，强制要求F1赛车采用平底，“莲花”79的传奇告一段落。

“莲花”79是通过侧箱来和地面形成“文丘里管”，侧箱前部有一个开口，高速气流从这里流入，而后经过散热器、辅助油箱时，气流被压缩、流速变大，形成低压区，产生与地面的“吸力”。

而2022年F1赛场的新规，让“地面效应”得以回归，组委会的公开理由是“为了减少前车对后车的‘脏气流’干扰”。

这背后的逻辑在于：新规则为了降低“脏气流”干扰，必须削弱F1赛车前后翼的空气动力学性能，大幅降低它们对气流的梳理和引导；但这也就意味着前后翼的下压力产生能力将被大幅削弱。

所以，此时就需要新F1赛车的底板依托“地面效应”来扛起生成“下压力”的重任（理论上，赛车底板对“下压力”生成的贡献可达70%）。

赛车的前后翼等空气动力学装置在产生下压力能力上被削减，而有着“地面效应”的底板就成了高效补偿手段，它的设计成为了决定F1赛车性能的关键所在。

另外，2022年的F1新规，不仅重造了F1赛车底板，也让赛车上部的外观发生了直观的大改。比如前轮一改开放式轮胎结构，轮胎尺寸增加、增加了轮毂罩和轮胎扰流翼片。据悉，根据CFD（计算流体力学）软件的模拟结果，这些改变将使前车所产生的气流更为干净有利，可以减少前车轮胎产生的乱流对后车的影响。

F1新规让F1赛车的前部外观有着不小的改变。

如何解决“海豚跳”？

前后翼在F1赛车身上产生下压力的同时，也在产生的阻力。对比来看，底板通过“地面效应”产生下压力时，则几乎不会产生阻力。

因此，从2022年开始，F1新赛车的一个变化是整车轴距的加长，以此增加底板面积，提高“地面效应”的效果。

新赛车的底板不仅增加了“文丘里管”这一气流通道，而且底板前部的垂直端板、底板边缘和扩散器等都进行了重新设计，以使得气流流经底板时更密封、更稳定、更易控制，阻挡外部乱流对车底气流的影响，从而提高底板整体生成的“下压力”水平。

但2022年赛季，围绕“地面效应”展开设计的F1新赛车，也在随后的测试和竞赛中暴露出了新问题——“海豚跳”（Porpoising）。

F1赛车领域的“海豚跳”，可以类比于航空领域的“海豚着陆”，即弹跳着陆——飞机在降落阶段速度过快、下滑率过大、错误判断地面位置、不当使用配平等，都会造成飞机在跑道上的弹跳。如果复飞等措施应对不当，可能会发生前起落架、螺旋桨和发动机被损害等事故。

火花意味着F1赛车的底板擦地了，也意味着由底板生成的下压力瞬间减弱了。

出现“海豚跳”现象，是因为赛车底板与赛道地面形成的“文丘里管”，在“密封性”上不可避免地会受到赛车速度、姿态和离地间隙的不稳定（比如，颠簸路面）等因素的影响，或者直接发生了变形。

比如，吸力更大时，赛车过于紧贴地面，凸出的底板中部离地间隙逐渐减小，就会直接阻断车底空气的流动；而气流不足，赛车就会“失速”，无法产生地面效应，下压力瞬间减弱，赛车就会向上弹起。随后气流恢复，下压力再次产生……

如此反复之下，F1赛车就会像海豚在海面畅游时的那般上下跳跃。

新规则后的宝马车队，对“海豚跳”问题一时无解，被迫转而以提高车底来降低问题影响，但也因此牺牲了赛车性能。

“地效”之于F1，堪比隐身之于四代机

所以，F1赛场在2022年新规推出后，那双看不见的空气动力学依旧左右着赛车性能，一次次塑造着新一代F1赛车。

“地面效应”利用得好与坏，直接决定了各家车队赛车性能的优劣。而从这两年的赛事成绩来看，显然并不是所有车队都已熟悉、适应了这个F1赛车的“地面效应”时代。

冠军之师红牛车队的赛车很好地解决了“海豚跳”问题，并且在驾驭“地面效应”中将赛车的底板效率带到了最高水平。

但反观自2014年以来F1混合动力时代的8冠王奔驰车队，在2022年进入“地效时代”以后，在整整两个赛季只拿到一个分站冠军、该车队的七冠王汉密尔顿更是自述因“海豚跳”造成了背部不适（已有医学报告称“海豚跳”可能有损于车手的大脑等部位）。

就像飞机设计中，一位领军型设计总师对飞机研制至关重要，首席技术官在一支F1车队中也直接决定着赛车的性能优劣。

在F1赛场上，当前红牛F1车队的首席技术官阿德里安·纽维（Adrian Newey）就是公认的空气动力学大师。

可见，“地面效应”作为今天F1赛车上的全新空气动力学课题，之于今天的F1赛事或者说对F1赛车性能的冲击，就像隐身设计之于今天的战斗机。

正是“隐身”让第四代战斗机拉开了与第三代战斗机的代际差距——无隐身不四代。同样，无“地面效应”不F1，哪支F1车队还没能更好地驾驭“地面效应”，就意味着赛车性能上的巨大落差。这种落差之大，亦如航空领域的高亚声速与超声速之间隔着的那道“声障”。同样，隐身设计与地面效应，对于战斗机设计师、F1赛车工程师来说，都是空气动力学领域的再攀高峰，都是将空气动力学的应用推到一个史无前例的极致高度。

此外，航空飞行器的设计与F1赛车的设计，也同样都要借助那个百年传统手段——风洞。这部分内容，我们在后续文章中再展开。

排版：陈奕煊

文案 | 策划 ：郑宇航

编审 | 监制：武晨、王兰

看航空融媒体工作室出品