# F1 赛车为什么长这样？

- 作者：爱范儿
- 发布时间：2019-04-12 12:15
- 分类：汽车
- 原文：https://www.ifanr.com/1198250

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细长车头下是一大片前翼，四个轮子伸出车外，车手半躺着坐在车内只露出脑袋，身后是发动机两侧是进气口，再往后是高高耸起的尾翼——你有没有想过，为什么如今的 F1 赛车都长这个样子？

### 开轮式结构

对于类似 F1 这样四个轮子伸出车外、没有车体外壳保护，有一个专门称谓：开轮式（Open-Wheels）赛车。除了 F1，绝大多数方程式赛车都是开轮式，比如F2、F3、印地（IndyCar）等。

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▲（Indy 赛车）



F1 之所以采用开轮式结构，其实并非这种结构有多大的技术优势，更多是因为发展过程和历史沿续。在 F1 最初的 50 年代，奔驰车队就曾尝试过封闭车轮设计，但也仅在某些偏高速直线的分站（蒙扎）使用。

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▲（右：封闭车轮的奔驰 W196 Steamliner，1954）



开轮式能让车手更清楚地看到前轮走向，但会增加阻力、增加空气动力学设计难度。而 F1 一级方程式，顾名思义，本质上是一种在重重规则（故名方程式）限制下榨取性能提高速度的赛事。归根结底，F1 追求的是精确细腻的驾驶操作、镣铐下跳舞的技术创新，方便车手驾驶和车队维护优先，耐用性是其次，再加上历史因素和规则限制，开轮式结构就被 F1 作为默认项沿用至今。

### 一个雏形

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▲（F1 早期的前置引擎赛车）



50 年代早期，所有的 F1 赛车都是前置 V12 发动机，驾驶员在后。1960 年，传奇人物柯林·查普曼领导莲花车队，设计出第一辆中置引擎赛车 Lotus 18。这种重心更靠后的布局很快显示出优势，并击败了执拗于前置引擎的恩佐·法拉利。从 60 年代直到今天，中置引擎成了 F1 在内所有方程式赛车、甚至是大多数高性能跑车的标准布局。

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最初，由于引擎前置，F1 赛车的进气口和冷却通道很自然的设置在车头。中置引擎的到来，使得车头尺寸有了缩小可能。进入 70 年代，F1 工程师突发奇想，将倒置的飞机翼型装上赛车，从而可以在高速下产生下压力，大幅提高赛车过弯的速度和稳定性。从这时开始，空气动力学逐渐成为如今 F1 世界中最重要的科目。

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▲（早期 F1 翼片出问题很常见）



最初的赛车翼片非常简陋，仅仅靠几根柱子临时性的立在赛车上。翼片和车身并非作为整体来设计，在某些高速赛道还可以取下翼片来增加直线速度。这种原始而脆弱的翼片时常引发事故，在当时引起了不少质疑和反对。1970 赛季冠军乔臣·林特就曾因此撞断了鼻梁骨，他直言 「F1 赛车不是马戏团。」

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▲（Lotus 72 呈现了今天 F1 赛车的雏形）



但空气动力学进入 F1 赛场已经是不可逆的趋势。1970 年，又是柯林·查普曼和他的莲花车队设计出了 Lotus 72 赛车。它将进气口从车头移至车身两侧，车身从以往的筒形变为梭形，车头和车尾分别安装前/尾翼，后来还在车手身后增加了顶进气口。Lotus 72 的这些设计被沿用至今，形成了现代 F1 赛车的雏形。

### 空气动力学

今天，空气动力学是 F1 赛场中最重要的科目，它的重要性和对赛车性能的影响，也只有引擎技术可以相提并论。一辆 F1 赛车的空动设计好坏，直接影响到它在比赛中的速度成绩。每年赛季开始前的新车测试阶段，空动部件的设计创新是最受外界关注的焦点。主要用来进行空气动力学研发的风洞，是各车队至关重要的核心资产。

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▲（大车队都拥有自己的风洞）



F1 赛车需要的是尽可能短的单圈时间，这意味着尽可能快的平均速度。在一些高速弯道，F1 赛车能够以超过 250km/h 时速通过，这就需要空气动力学帮助产生极大的下压力，让赛车牢牢抓住地面。

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▲（2017 年 F1 的典型下压力分布）



这些下压力中大约有 20-30% 由前翼产生，30-40% 由尾翼产生，50% 左右由车尾扩散器（底板）生成，车身的其他部分也可能提供一些下压力。简单来讲，前后翼的下压力来自于翼片翼型产生的气压差（就是飞机机翼倒置）；车尾扩散器则形似一个喇叭，车底气流到达车尾时通道迅速扩大，使得气流加速抽离车底形成负压，从而对赛车产生向下的压力。

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▲（最下方就是扩散器）



当然真正的空气动力学远比这复杂万倍。

虽然前翼直接提供的下压力不多，但由于是第一个接触前方气流，前翼的设计影响着后方部件的空动效率，因此它是整个赛车空动设计中至关重要的一环。现在的 F1 赛车，甚至需要对前翼产生的下压力进行一定控制。因为前翼产生下压力时会使气流「上洗」，后方部件接受到气流的利用效率就会变差，前翼下压力和气流上洗的程度会被控制在一定水平，保证整车空动效率最优。

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部件在产生下压力的同时也必然会带来风阻，所以空气动力学设计需要想方设法实现下压力最大化而阻力最小化。翼片角度（攻角）越大，产生的下压力越大，但当超过一定幅度，又会导致气流分离（失速）而「过犹不及」。在高速流动下，空气还会显露出黏性依附在赛车表面，需要想办法「赶走」这些滞留的空气。

当气流流经车轮这样的部件，或者流至翼片尖端，会形成螺旋形的涡流。对于 F1 来说，涡流既是良药也是砒霜。涡流有行进方向稳定的趋势，不容易受到干扰破坏，这使得设计师可以利用涡流来对其他气流进行控制；但涡流很难被直接利用生成下压力，如果有涡流流经尾翼之类的下压力部件，往往需要对部件做优化设计来避免负面效应。

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▲（前翼生成的涡流可以控制侧面乱流走向）



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前者最著名的例子，是如今 F1 赛车上最重要的两组涡流 「Y250」 涡。为了减少气流分离导致的失速可能，赛车的前后翼都会采用纵向多片副翼组合。按照 F1 规则，这些副翼不允许出现在赛车中线左右 250mm 范围。而每片副翼内侧（距中线/Y 轴 250mm 处）的翼尖，都会拉出一道流向车底两侧的涡流，这左右两组涡流因此得名 Y250 涡。Y250 涡对于车底和车侧气流有着重要的控制作用，比如它可以帮助封闭车身底部的两侧，避免本应流向车尾扩散器的气流「侧漏」而损失下压力。

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后者的典型案例是，是尾翼上经常出现的勺型设计。你能注意到 F1 赛车的尾翼很多时候并不是平直的，有些中间凹（勺型）而有些中间凸起。这一般是因为赛车前中部的某些部件产生涡流会影响到尾翼工作，于是设计师在相应的位置对翼型做专门优化，以更合适的高度、角度迎接气流，便形成了不平直的尾翼翼片。

我们说过，F1 中的空气动力学远比这些复杂太多太多，即便真正的硬核 F1 爱好者，很多也只是浅尝辄止。当然这也正常不过，连围场内的专业人士，即便是各车队工程师，对于别家的设计也未必能一眼洞穿，更不要说外界票友了。看似专业实则被证伪的技术分析，在每年的 F1 新车测试中都屡见不鲜。

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### Formula=规则

Formula 1 的中文名其实不算贴切，「formula」 一词在这里的意思并不是数学中的「方程式」，而是代表着「规则」。1946 年 FIA 国际汽联开始规划 Formula 赛事时，目的就是为了给出一套赛车技术规则，好让各家混乱的赛车在一个统一的规格下同台竞争。因此，守旧般固执且周密到变态的厚厚一本规则，是 F1 与生俱来、相附相生的。

所以你很容易意识到，以上所说的一切归根到底都在围绕着规则打转。如果没有规则，F1 大可以用上飞机发动机、用上八个轮子、用上超大排量引擎……但这些都没有，有的话 F1 也不再是 F1。F1 追求的并非无节制的创新、无限制的快，而是在严格的条条框框限制，在点滴中突破和进步。用「带着镣铐跳舞」来形容再贴切不过。

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▲（F1 技术规则中的一页）



最初，F1 限制的主要是引擎规则，1950 年的首届 F1 只允许使用 3.5L 自然吸气或 1.5L 机械增压引擎，从而让这两种引擎的赛车得以同场竞技。后来随着空气动力学的迅速发展，规则限制最多的变成了空动部件的设计边界。光是技术规则，就有多达上百页密密麻麻的条款，来限制赛车的研发空间，翻译成人话基本就是「这些不能做」、「那里不能有东西」、「这种设计不允许」、「那样是违规的」……

但规则是人定的，就难免会出现漏洞。F1 技术规则中的漏洞，有时会使得弱势车队异军突起，也可能会被 FIA 解读为违规而被抓典型（这其中的车队政治博弈也是 F1 的一大看点，限于篇幅这方面不细说）。前者的典型是 2009 年，布朗车队利用双层扩散器的规则漏洞一骑绝尘，彻底打乱了赛场强弱格局并最终夺冠。后者的最近例子是 2006 年，雷诺车队的质量避震器被禁用，这件事引起的争议至今无解。

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▲（双侧扩散器只是巧妙利用了规则的漏洞）



F1 是很多「黑科技」的发源地，但 F1 其实从来不是一个「黑科技」的舞台。它是在 FIA 给定规则的前提下（当然规则在制定时也是有导向性的，比如促进竞争增强观赏性、增加技术下放民用车可能等），逼迫车队在规则所导向的方向进行创新。比如双层扩散器就根本不是什么「黑科技」，而是成功抓住并巧妙利用了规则的漏洞。F1 近 70 年历史中，真正的「黑科技」结局往往是被禁用：6 轮赛车、地面效应、风扇扩散器、主动悬挂……但 F1 中被禁归被禁，有些你已经能在民用车上看到，可谓桃李满天下。

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▲（现在的 F1 有着严格的座舱安全标准）



从 70 年代开始 F1 逐渐正规化，人们开始重视比赛的安全性，规则也开始被用来限制赛车的速度和性能，将比赛风险控制在合理水平下。比如 80 年代 F1 引入涡轮增压，马力超过 1400 匹，FIA 几次限制燃油流量未果，干脆在 1988 年后禁掉了涡轮。1994 年塞纳遇难，FIA 数次增加赛车尺寸限制，强化碰撞安全，启用 HANS、Halo 等安全系统。

2000 年后法拉利一家独大，FIA 忙于用规则打乱格局，让落后车队有机会赶上，避免观赏性下降到威胁赛事生存。由于经济危机等因素，规则还被用来限制大车队的研发支出，让小车队得以生存。车队车手要夺冠、要生存，但 F1 这个平台本身也要生存，如果某一家车队独大垄断赛场，F1 失去观赏性而丢失观众最终损失收入，游戏就无法进行下去。何况围绕规则的政治博弈，本来也是 F1 的独特看点之一。

就像《飞驰人生》中林臻东说的，如果你渴望公平那就来赛车，但假如你追求绝对公平，那还是算了。