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[F1專欄]「可動式底盤」的啟示
記者/Hunter Hsu 本文已被閱讀55,545
針對澳洲站結束後引發的「可動式底板」紛爭,FIA科技小組正著手做出更嚴苛的賽前驗車程序,預料F2007賽車在直線道的「尾速優勢」將有不小的影響。值得注意的是,從最近兩年F1車隊空力套件的發展觀察,我們不難發現新世代空力套件設計哲學已經從過去「追求更大下降力」轉變為「減少直線道阻力」,這與FIA主席Max Mosley過去持續推動的各項改革脫不了關係。

對F2007賽車底部好奇的人不在少數

「可動式底板」的威力有多大?我們或許可以從FIA公布的週六排位賽各車手賽車極速的排名略知一二:兩位Ferrari車手Raikkonen與Massa高居前兩名,其賽車尾速與主要競爭對手Fernando Alonso及Lewis Hamilton有著不小的差距!「可動式賽車底板」利用彈簧、細金屬支柱或者鋼纜來連接車身與駕駛座下方的氣流分散板底板,這項設計的首要目的就是減少在直線道行駛時的空氣阻力,其原理為可動式底板在高速時可上升,因而封閉氣流流向車身下方的通道、間接使得賽車尾部的Rear Diffuser停止作用(減低空氣下降力與空氣阻力),我們在之後的段落仔細介紹。

澳洲站排位賽各車手賽車極速排行榜
排名
車手名稱
賽車極速(Km/h)
1
Kimi Raikkonen
308.3
2
Felipe Massa
306.9
3
Mark Webber
306.6
4
Alexander Wurz
306.5
5
Scott Speed
306.3
6
Rubens Barrichello
306.0
7
Vitantonio Liuzzi
305.7
8
Giancarlo Fisichella
305.3
9
Nico Rosberg
305.3
10
Heikki Kovalainen
304.9
11
David Coulthard
304.8
12
Lewis Hamilton
304.4
13
Fernando Alonso
304.3
14
Jarno Trulli
303.8
15
Ralf Schumacher
303.7
16
Takuma Sato
302.9
17
Jenson Button
302.8
18
Anthony Davidson
302.6
19
Nick Heidfeld
302.4
20
Robert Kubica
302.1
21
Adrian Sutil
301.0
22
Christijan Albers
298.4

空力套件從上個世紀1970年代成為F1賽道上的顯學,其最早的功用是為了增加車輛的抓地力(Grip Force)而提升車輛過彎速度,進而提升單圈表現。當時的車隊工程師發現如果能阻止(或是加速)空氣流入車身底部、就可以造成車輛底盤與地面之間成為「接近真空」的狀況,這樣車輛就可以如同吸盤般牢牢吸附在賽道上(Ground Effect的定義:空力套件距離地面的距離越小、它所發生的作用就越大)。1978年的Lotus車隊與1979年的Ferrari車隊就率先應用了這個理論,這類車輛的最大特色就是「車輛兩側部分加裝了與地面接觸了裙腳(Skirt),賽車前方裝設了引導空氣流向兩側的氣霸」。可惜之後FIA卻以安全因素禁止了裙腳的使用:首先是禁止Sliding Skirt(與地面接觸的軟質裙腳)使用、到了1983年FIA將Flat-Bottom Regulation(車身下方必須平坦的)規定的導入更禁止了一切由底盤向下延伸的空氣力學設計,至此Ground Effect Era才算是轟轟烈烈地正式壽終正寢。90年代更規定賽車中央部分必須低於兩旁以有效減低地面效應的效果。也就是這個部分經常摩擦地表、讓我們在電視轉播中看到火花四濺的特效。

空力設計是過去30年F1賽壇的顯學

在Ground Effect Era結束之後,F1工程師們又發現了另一個可以提供大量下降力的空力設計:Rear Diffuser,它是位於位於F1車身尾部的一種逐漸向上延伸的結構,應用的原理則是流體力學的基本定律:白弩利定理。當車身下方的空氣流過Diffuser時、因為通過的截面積增大而使流速變慢,此時會造成壓力增大的情形(白弩利定理是一個能量守恆定理,意即流速增大則壓力變小、流速變小則壓力稱大)。這種現象可以加快車身下方的空氣造成「暫時真空」效果(其實也就是也就是另一種形式的Ground Effect),在Rear Diffuser發展的全盛時期時它甚至負責產生F1賽車70%以上的下降力!一直到1994年FIA政策急轉彎,強制縮短Diffuser的長度之後它的重要性才稍微降低(目前仍然佔約40%的車輛下降力分佈)。

Rear Diffuser的設計也在超級跑車上出現

然而,由空力套件產生的Downforce有另一個重要的特性,就是一般來說如果要產生較多的Downforce、就必須付出較多的Drag Force(拖曳力)做為代價,我們可以用「增大空力套件的傾角(angle of arrack)」這樣的例子來想像,例如調大賽車尾翼傾角或加大尾翼面積的確可以增加下降力、但同時也增加空氣阻力。所以「如何在車隊可以接受的空氣阻力上限之下產生最大的下降力?」就是賽車空力設計師的首要挑戰。由於FIA過去幾年透過減少引擎汽缸、長壽引擎和轉速上限降低車輛進彎速度有成,透過提升車輛下降力進而提升車輛過彎速度的重要性顯著降低。F1空力工程師開始把重心轉移至「如何減少直線道時的空氣阻力?」的領域,如2006年賽季初期引起軒然大波的「彈性尾翼」其原理是上層尾翼在高速時大幅向下彎曲,緊貼的上下兩層結構將大幅減少空氣阻力(也同時降低下降力,但對直線加速過程影響很小),目的也提升高速彎道或直線道的極速,與現在的「可動式底板」有著異曲同工之妙。

目前的F1科技規則要求任何賽車部件在驗車時都必須通過嚴格的變形測試,關於車身底板的規定是當受到500牛頓的施力時,底板垂直變形幅度不得超過5mm,預料馬來西亞站時FIA會頒佈更嚴格的規定。不過F1空力設計師尋找灰色地帶、進而突破限制的意志絕對不會改變。

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