跑車開快為啥沒飛起來?汽車空氣動力學“推手”路特斯告訴你答案
近代物理學之父牛頓可能無法想象,他對空氣阻力的力學詮釋,究竟帶來了怎樣宏大的動力飛行世界。
空氣動力學之父英國人George Cayley無法想象,他提出的“升力”概念究竟產生了多大的推力,為今天的汽車下壓力指明了方向。
天才工程師柯林·查普曼同樣無法想象,他對空氣動力學的癡迷鉆研和大膽實驗,為他所創立的路特斯品牌推出全球首款純電超跑Evija積累了多么寶貴的財富。
走進路特斯上海體驗中心,目光完全被這臺純電超跑Evija牢牢吸住,在跑車世界里,它是稀缺和渴望的交織,2000匹馬力、1680公斤、孔隙式設計全是它的注釋,作為世界上量產車馬力最大、車重最輕的純電超跑,Evija體現了路特斯空氣動力學的哲學思考,尤其是直接貫穿整車的兩個碩大的文丘里管道,在降低風阻的同時又提升了下壓力,很好地引導氣流通過車身,極大地解決了汽車的空氣動力學難題,即牛頓提出的空氣阻力問題、George Cayley提出的升力問題以及側向力問題。
現在的汽車品牌幾乎都在提空氣動力學,而作為汽車空氣動力學應用的開路先鋒,路特斯的探索之路并非一帆風順。當F1冠軍王座被路特斯車隊搶走,恩佐·法拉利曾帶著復雜的心情說:“造不出好引擎的人,才會去研究空氣動力學。”與此同時,FIA跟在柯林·查普曼的后面修改F1比賽規則,路特斯在研發技術、技術被禁、再研發技術、技術再被禁的反復斗爭過程中,一步步將F1賽車拉入了空氣動力學的宏大世界。我們不禁要探尋下,這位空氣動力學大師的“馭風決”到底是如何煉成的。
阻力、升力和傾向力,是擺在汽車空氣動力學的三座大山,三者各有難題又彼此相互影響,“搬山”之路崎嶇坎坷。而路特斯創始人柯林·查普曼曾在英國皇家空軍服役和鋁業公司供職的經歷,冥冥之中似乎已經設定好了解決之道。
降低風阻:引領潮流的楔形車
縱觀汽車車身設計演變史,從箱型車、到流線型、再到后來的船型車、魚型車,以及路特斯導入賽車潮流的楔形車,你會發現追求火箭般速度的跑車,都逐漸變成更加扁平、更加貼近地面的外觀造型,其實這都是為了降低風阻而不斷進化的結果。
汽車的阻力主要分為輪胎的摩擦阻力和車身的氣動阻力,在賽車設計中,氣動阻力占主導。而在汽車氣動阻力的構成中,尾跡阻力占據上風。尾跡阻力產生的原因是物體尾部形成的尾跡中由于流動分離而造成的低壓區,為了減小這個低壓區,流線型設計必不可少,所以低阻力車身設計的秘訣就是:車身矮、整體修長圓滑、兩頭較扁。
基于此,路特斯給出了解決方案:楔形車。F1賽車從光溜溜的雪茄造型變成了今天的楔形造型,路特斯功不可沒。
如果要挑一款車開始路特斯空氣動力學的故事,那Mark 8就不得不提。1954年,柯林·查普曼開著初探空氣動力學領域的Mark 8開上了英國倫敦的銀石賽道,參加了為F1英國站大獎賽舉辦的一個墊場賽。Mark 8搭載的只是85bhp的二手MG發動機,但是從發車開始就占據了上風,最終取得了勝利。Mark 8的造型在當時可以說是獨樹一幟,極度低矮的車身,夸張的前后輪拱曲線,超長的車尾設計,與當時流行的造型相比,流線型設計以大幅降低空氣阻力,這也是它在發動機劣勢的情況下贏得比賽的關鍵因素。
1967年,路特斯Type 49問世,為賽車界帶來了兩項開創性的革新,一個是“尾翼”,一個便是“楔形造型”,既提升了下壓力又降低了風阻,這款車標志著F1賽車第一次進入了空氣動力時代。
在Type 49的基礎上,1970年路特斯推出的Type 72在車頭采用了創新的楔形設計,直到1975年退役,這款車一共收獲了兩屆車手總冠軍、三屆車隊總冠軍和20場分站總冠軍。在Type 72的非凡成績中,有一項值得一提,這款車幾乎憑一己之力將F1賽車從光溜溜的雪茄造型變成了今天的楔形造型。而越來越低的底盤高度和新衍生出的安置散熱器的側箱也自然而然地催生了下一代車型的開發重點——地效。
消弭升力:風翼和地面效應
氣流對于車身的影響除了阻力之外,還有升力。為了抵消車身的升力,提升下壓力是主要設計策略。
基于英國皇家空軍服役的經歷,柯林·查普曼自然對飛機的空氣動力學頗為熟稔,他把用飛機上的翼片設計用在了Type 49車型上,緊接著又根據風翼的特點做了進一步創新,給Type 49安裝了“高位定風翼”,使得用作產生下壓力的空氣來自亂流較少的位置,同時將空氣下壓力直接傳遞至車輪,產生更大的抓地力。“高位定風翼”極大改善了賽車在疾馳時的車身狀態,引起各家車隊紛紛效仿。同年F1首站南非站的比賽中,各家車隊都派出了實裝“高位定風翼”的賽車,讓比賽徹底淪為“翼車”的賽場。
1978年,路特斯又一次主宰了F1賽場——贏得了12個桿位,8場勝利。車手馬里奧·安德烈蒂在這個賽季里駕駛了Type 79,這款車又一次展示了柯林·查普曼在工程上天才的創新。Type 79是Type 78的改進型,成為F1賽場上采用“地面效應”的技術先驅,它通過導引車底氣流,在賽車側箱的內部形成負壓區,加上緊貼路面的側裙設計,形成文丘里效應,獲得極大的空氣下壓力,把賽車牢牢吸在地面上。
革新與危險并存,無論是“高位定風翼”還是“地面效應”都先后被FIA限制或者禁用。但這恰恰也說明了路特斯對于賽車的空氣動力學改造已經遠超過我們今天所說的極致了。
克服傾向力:輕量化車身結構
克服阻力和側向力的影響,要求車輛保持纖細和流線型的同時,盡量采用更輕的車身。而輕量化設計也正是路特斯的立身之本。
1951年,路特斯第一輛場地賽車Mark 3就采用了輕量化鋁合金車身,讓車輛0-50英里/小時的加速時間達到了6.6秒,最高車速達到90英里/小時。
1957年,路特斯 Mark 7車型發布,整車重量只有約350公斤,不需要多大馬力就能把車子開得飛快,加速足以和超級跑車匹敵。同年,路特斯廣受贊譽的量產跑車Type 14 Elite在伯爵宮(Earls Court)車展上登場,這是路特斯第一款面向民用的轎車,風阻系數達到了即便是在今天都十分領先的0.29。不過更為重要的是,Elite采用了高度創新的玻璃纖維的單體殼結構,徹底消滅了車輛的管架結構,車重僅半噸,在搭載一臺 75hp 的 Coventry Climax 的 1216cc 發動機的情況下仍能開到 180km/h。
輕量化可以克服阻力和傾向力,但路特斯也不只是一味地追求輕量化,空氣動力學和輕量化為主導的車輛整合調校才更令駕駛者心馳神往。如果說哪款車能真正地融合所有路特斯的設計準則,非Elise莫屬。Elise在汽車設計和建造方面都有革命性的突破。環氧樹脂粘合擠壓成型鋁合金底盤、源于賽車的雙叉臂懸掛以及輕質復合材料車身,成為路特斯首創的經典,之后路特斯每一款車的設計都貫徹了它的基本原則。
新能源時代的空氣動力學
基于過去七十余年對于“風”的研究,在滾滾而來的電動化浪潮下,路特斯品牌率先開啟電動超跑計劃,推出劃時代的超跑車型Evija——路特斯空氣動力學哲學思想“會呼吸”的集大成者。除了塑造了令人嘆為觀止的外形,被稱之為“孔隙”的設計理念將高能量氣流引導至車尾,繼而對抗較低的空氣壓力,進一步降低風阻。氣流從車底、車頂、車身四周穿過,也使氣流得以穿過車體本身。此外,氣流通道所產生的文丘里效應將空氣拉過后輪拱形導風板,維持擴散器內的氣流質量。
值得一提的是,Evija采用了全碳纖維底盤,擁有出色的強度、剛性和安全性,底部為了優化下壓力進行了整體造型。主動空氣動力學設計包含了后擾流器和F1風格的DRS可調尾翼,后擾流器靜置時與車身齊平,使用時能夠進行抬升。
從Mark 8流線車型設計帶來的低風阻去“適應風”,到第一臺F1的翼車Type 49和橫掃F1的地效賽車Type79的“駕馭風”,再到Evija的“成為風”,路特斯在空氣動力學領域不斷進階,早已將空氣動力學刻入DNA。
迎接智電時代,路特斯空氣動力學性能的優勢更加突出。旗下首款SUV Type 132就將配備主動式下進氣格柵、菱形中網、升降式激光雷達以及大量碳纖維套件,輪圈設計呈現出刀鋒式的造型,采用前羽翼式的LED大燈組,搭配后呼吸式的貫穿式尾燈組,營造出如同呼吸般的感覺,帶來更加優秀的空氣動力學設計以及戰斗感爆棚的視覺效果。
據悉,這款基于路特斯EPA架構開發的車型將于3月份全球亮相,它將如何演繹馭風傳奇,令人期待。
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