超级跑车的秘密之看不见的空气动力学效应

空气通常给人们的感觉是轻柔、温雅的，但是运动中的空气却充满着力量，这种力量可以让重达上百吨的飞机冲向蓝天，反过来，它也可以让赛车产生远超过自身重量的下压力，使其紧贴地面。



● 伯努利原理

在日常生活中，我们可以很容易地感受到空气动力学效应的存在。当你坐在一辆行驶的车辆中，将手伸出车外并尝试着不断调整手与迎风方向的角度，这时你便可以感受到空气的升力和下压力。



我们还可以通过一个小实验来感受空气动力学的奇妙之处：找一张A4大小的白纸，双手捏住纸的两个长边，让短边贴着自己的嘴唇，此时纸的另一端是自然下垂的。如果对纸的上表面快速吹气，会发现纸就这样飘起来了，当你停止吹气后，纸会再次恢复自然下垂的状态，如果将这个原理反向应用于跑车或者赛车上，空气会将车辆紧紧地压在地面上。



了解空气动力学的基本原理以及常见的实例将有助于我们理解超跑以及赛车的外形设计。一辆车在行使时，会对静止的空气造成冲击，空气因此会向车的四周流动，一部分流经车体表面，一部分蹿入车底，还有一部分会进入车体内部，如何高效的疏导和利用这些气流来为车辆提供充足的下压力，同时迅速带走发动机、制动系统产生的热量对于超跑来说则显得尤为重要。



不过相比于赛车，增加下压力并非是民用级超跑所要追求的一切，因为追求下压力和减小空气阻力就像翘翘板的两端。车辆在高速行驶时（100km/h以上），发动机所做的功绝大部分要用于克服空气阻力，所以对于讲求排放和油耗的民用车来说，如何减小空气阻力也显得十分重要，而成功的关键是如何在最大下压力与最低空气阻力之间找到一个平衡点。下面我们来看看超跑是如何利用这些气流的。



车身的空气动力学设计

● 车身表面的空气动力学设计

首先要说明，作为民用级的超跑，其车身表面不能遍布像赛车一样经过大量风洞试验、纷繁复杂并对车身气流的疏导起到承前启后作用的翼片，因为这将使得车辆看上去不是特别具有美感。而根据车辆的品牌传承、设计理念、市场定位等因素，绝大部分超跑在外形上都遵循了光滑、流畅的设计原则，这也使得空气从车辆四周平缓流过，将阻力减至最小。



其实仔细观察超跑的侧面造型，就不难发现从车头至车尾的线条呈中间高两边低的弧形，而车底则十分的平坦，而这个形状十分类似机翼的截面。当在单位时间内，气流流过这个机翼形状的物体时，由于车体上方的路程相对更长，所以上方流过的气体一定较从车体下方流过得快，如此一来便会产生一股浮升力。

随着车速的提高，浮升力会加大，同时下压力的损失也在加大。虽然车体上下方的压力差可能只有一点点，但是由于车体上下的面积较大，微小的压力差便会造成明显的抓着力的差别。一般而言，车尾更容易受到浮升力的影响，而车头部分也会因此受到牵连，导致操控稳定性差。

——车头部分



超跑的前机舱盖配合倾斜角度很大的前风挡玻璃本身可以产生一些下压力，由于很多超跑都采用发动机中置或者后置的布局，所以前机盖通常留给空气动力学的设计人员较大的发挥空间，比如通过在机舱盖上开槽的方式来对气流进行合理的引导，从而额外产生一部分的下压力。





随着材料学的发展，工程人员开发出了一种被动可变形的扰流翼，这项技术曾经打着技术规则的擦边球在F1中短暂出现过，不过后来还是被禁用，但是这并不妨碍它在民用车上的大展拳脚。这种翼片由柔性良好的材料制成，弯道时由于车速较慢，导致风阻系数较低，使得翼片基本保持原先相对陡峭的形状，一旦车辆高速行驶，更大的风阻系数会把翼片吹得更平，有助于减小空气阻力。



对于超跑来说，“快”是它们一个最为显著的标签，但是也不可忽视它们所拥有的强大制动能力，若要使制动系统在连续高负荷的条件下稳定工作，则少不了散热系统的辅助，所以流经车头的一部分空气就需要合理地导入到制动系统来为其散热，而这也属于对空气动力学效应的应用。



——车身中部

车身中部通常是空气动力学很少做文章的地方，工程师更多的是对现有的车身部件进行优化，比如凸出车身的后视镜往往会扰乱行进中顺畅的气流，如果能够很好的对其加以利用（比如它伸出车外的距离、大小、造型等），后视镜还能起到梳理气流的作用，车尾部在接受到这些平稳顺畅的气流后，也可以获得更高效的空气动力学特性。



此外将门把手设计成隐藏式的，都可以减少乱流的产生。



由于很多超跑采用发动机后置的布局，所以在车门后方会开有相应的进气孔，一部分气流用来给发动机提供进气，另一部分则用来提供散热。



——车尾部分



前面提到车尾部通常是一辆车最需要下压力的地方，首先是车尾在高速行驶时更容易产生升力。其次很多超跑都采用后轮驱动，所以车辆后部更需要充足的下压力来确保抓地力。此外气流流经车尾后由于失去了车身的依附，从而变得混乱不堪，这种乱流会破坏车辆的行驶稳定性，车速越高越明显，所以针对车尾部的气流疏导显得十分必要。

——车底的气流疏导/扩散器

很多超跑的尾部都安装有扰流翼，有固定式的，也有根据车速可自动升起和收回的，这种尾翼在低速时不影响车辆的外形，使其整体保持平整，同时在车辆制动时会升起并提供辅助的制动；在高速时它可以对气流进行疏导并产生下压力。



『固定式扰流翼』



『可自动升降的扰流翼』

此外，帕加尼Huayra可谓将翼片的作用发挥到了极致，该车前后分别安装有4块可自动升降的翼片。在车辆行驶时，每块翼片都可以单独控制，电脑会根据目前的车身姿态来实时地调整每个翼片开启的角度，从而使车身的姿态趋于平稳，减少转向时的侧倾以及制动时的俯冲姿态。





——车轮部分

车辆在行驶时，车轮是唯一与空气接触但又自身运动的部件，而它的旋转会极大的扰乱流经车身的气流，好在民用级的车辆都有车轮罩，不过这对于超跑来说或许还不够，设计人员依然要通过特殊的设计来进一步改善车轮罩周围的气流。但是对车轮其外部被称作空气帘的两个附加垂直进气口，可以明显减少乱流，改善轮罩周围的气流。



● 可以加快车底气流速度的扩散器

下面我们再来看看车底的空气动力学效应是如何应用的。由于在车身上增加扰流翼都不可避免的会增加空气阻力，所以人们就开始琢磨如何在底盘上做文章。根据伯努利的理论，如果能够让流经车底的气流速度加快，甚至超过车身表面的气流速度，那么就可以在底盘区域产生一个相对的低压区，那么车辆在大气压的作用下就可以紧贴地面，对于这种现象我们通常也称为“地面效应”。



其实这个看似简单的原理，直到上世纪七十年代末才首次应用于汽车上，当然这依然是先出现在F1赛场上。赛车和地面的距离越贴近，该效应越能得到充分发挥，由于应用此技术的赛车成绩斐然，这项技术后来被严格加以限制。

除此之外，更有甚者直接在车尾部安装一个可以高速旋转的风扇，它可以把车底的气流快速抽出并导出车外，这无疑进一步提升了地面效应，不过这种极端的激进分子只能落个被迅速取缔的结果。



『1978年的布拉汉姆BT46B赛车』

民用级超跑当然不需要如此极端的地面效应，而要想加快车底的气流速度，首先要确保尽可能少的凸出物对车底气流的干扰，所以平整的底盘是个关键。



其次，则少不了扩散器的功劳。



扩散器位于车辆的尾部，它的作用主要在两方面：一是其自身可以在车尾部制造一定的下压力，并为车尾部的气流进行疏导；第二个作用类似于前面讲到的在车尾部所安装的风扇，它可以从车的下方抽走空气，从而在车辆的底盘部分形成一个低压区域。民用级超跑的扩散器不像赛车一样设计得如此复杂精致，所以它所能起到的作用也相对有限。要想扩散器发挥出最大的效能，从气流进入车头部位就要开始考虑如果进行合理的引导，配合平整的底盘以及适当的离地间隙，最终将气流引导至扩散器来加速气流流动。