文/何辛
每次我们和不太熟悉赛车的朋友们聊天，遇到的第一个问题总是：为什么叫方程式？为什么叫一级方程式？叫电动方程式？首先，方程式这个词是从Formula直译过来的。
Formula One为什么叫“Formula One”
那么Formula One为啥叫做“Formula One”呢？（这问题貌似有些像---你为啥是你---但其实还真不算过分）。最早的赛车运动发起于法国，而早期的赛车比赛名称通常都是从赛马比赛中的名称借鉴来的。被称作“Grand Prix”---法语的“大奖赛”。到了今年，除了赛车中普遍采用的这一名称之外，在赛马中我们依然可以看到“Grand Prix”的影子，特别是在法语系国家。例如：“Grand Prix de Paris”就是专门为3岁马准备的2400米竞速赛。
△1907年Grand Prix de Paris---1907年（赛马）巴黎大奖赛
Formula在数学上叫“方程式”，在语言学上的翻译准确的讲应该是“式”。指，格式，方法，规范，规则，形式等等。因此，早期人们谈起赛车说的是“Grand Prix Formula”---这种“大奖赛式”的赛车。
二战之后，1946年，人们计划重建战后赛车运动格局，赛车运动的有识之士聚集法国来讨论未来比赛的形式和格局。要讲清楚“Grand Prix formula”到底应该怎么比？准许怎样的车？
△早期的摩纳哥大奖赛
Formula One---一级方程式这个名字到底是谁发明的，没有一个确定的历史答案。不过，多数人归功于意大利人Marquis Antonio Brivio-Sforza。这位来自米兰的狂热赛车爱好者曾经在1935和1936年的摩纳哥和纽布格林大奖赛拿到过第三名，也是前雪橇比赛世界冠军。
△Marquis Antonio Brivio-Sforza和领航在1936年的“千里杯”大赛中，当年他们夺冠
1949年出台了FIA Formula One Championship规则。“Formula”这个名词被正式确定下来。
一级方程式演变到今天，性能上取决于两大方面的优劣和进步。一是动力性能，另一个是气动性能。
赛车的设计---一切都是为了追求气动性能
空气动力学性能，在航空领域被简称为“气动性能”。赛车上，很多车迷也喜欢把它称作“空力性能”。其实是一个意思。
人们对于空气动力学朦胧的认识可以追溯到几千年前，船的设计，风帆的设计上都会考虑到。但早期人们对于空气的作用都比较模糊，还没有形成理论知识。现代动气动力学起源于17世纪。在1726年，据说被苹果砸中脑袋的那个人---牛顿爵士提出了空气阻力的一系列理论，因此牛顿也是被公认的最早的空气动力学家之一。1799年，英国人乔治-凯利提出了飞行当中的四大要素：重量，升力，阻力和推力概念，并且阐明了彼此之间的关系。赛车运动的气动设计也会遵循这四大原则和彼此之间的逻辑关系。
△历史上很“牛”的牛顿爵士
△乔治·凯利爵士---现代航空业之父
△1848年凯利的滑翔机手稿
所以，赛车设计上首先就是要追求——轻。因此我们看到各种新型材料和复合材料的产生和运用。F1，FE以及其他很多赛车在满足强度的情况下大量使用复合材料，从早期的铝合金，铝镁合金到碳纤维。为了追求重量轻，早期梅赛德斯车队甚至牺牲了赛车的涂装，从而产生了现在的“银箭”车队的别名。
△著名的梅赛德斯W196---1954,1955赛季
△梅赛德斯奔驰300SLR—又叫W196S，就是这辆车所发生的的意外引发1955年勒芒惨案，赛车为了追求轻，含有较高成分的镁金属。勒芒惨案造成84人死亡，180多人受伤，梅赛德斯奔驰因此退出赛车领域长达几十年
在气动方面，方程式赛车大量采用翼片设计。目的就是为了在不增加重量，阻力最小的情况下，获得最大的下压力（对于飞机来说，追求的是升力，而对于赛车来说，这个力需要向下，从而能把赛车压在赛道上，被称作下压力—down force）。F1以往在性能宣传上最喜欢说的一件事情就是，赛车下压力大到，赛车达到120公里/小时的时候，赛车可以倒过来在天花板上行驶而不会掉下来。
△这就是下压力在赛车上的大体分布：前翼----25%；尾翼----25%；车体---5-10%；车底和扩散器---45%
产生下压力的方式有很多种：F1主要靠车底的扩散器，前后翼片和车体表面的流线型设计。这就是为什么F1赛车有如此复杂的多层翼片，各种导风翼片的原因。而FE由于全部是在街道上行驶，没有缓冲区，危险性更大。同时，因为在街道上行驶，周围有各种不同的建筑物，气流情况更加复杂，因此FE主要产生下压力的部分是扩散器，而不是翼片。相对来说，FE赛车的设计也被称作“low down force design”---低下压力设计。这个是相对于现在的F1赛车说的。F1则是高下压力设计。
F1和FE设计上的异同
基本上气动原理是一样的。但设计因为自身赛车的特点而有所不同。
车头部分：
F1是“开轮式赛车”—“Open Wheel”。轮胎是外露的。由于轮胎高速旋转，因此气流撞击到轮胎上会产生很多乱流，如果设计上不去考虑这部分的影响，那么将会造成很大的不稳定。
△方程式赛车气流简图
△气流撞击轮胎后的气流分布
因此，F1赛车车头设计极为复杂。设计上需要满足以下几点要求：
1. 前翼要能产生足够强大且稳定的下压力；
2. 前翼需要整理气流尽量避免气流直接撞击轮胎；
3. 前翼的上表面需要整理气流，让气流可以平顺地通过车体表面，并产生下压力；
4. 前翼的下表面需要整理气流，让气流可以平顺通过车体和地面之间的通道，最大效率地向扩散器输送干净气流。
因此，F1赛车的车头（车迷喜欢叫它车鼻）会尽量做得小一些，车头下方尽量留出较大的空间，并在车头下方会有很多复杂的导风翼片，这里并不会产生很大的下压力。
△2012 红牛赛车的高车鼻，这样设计，车鼻下有很大的气流空间
△2012 法拉利高车鼻
△2012法拉利高车鼻下气流示意图
△2019 法拉利在新加坡站使用的车鼻---这时候规则已经禁止高车鼻设计了
主翼片是非常重要的翼片，会产生相当一部分下压力，同时，它整理气流的作用更大，目的就是为了车底气流的效率。
副翼是设计上最能发挥设计师想象力的地方。因为这里需要最大限度地产生下压力。所以翼片的形状，角度，尺寸等等都极为复杂。在以前技术相对开放的时期，这里的翼片最多可以达到9层（我们开玩笑曾经说这里的翼片是9层妖塔）。典型的例子就是火星车时代的红牛赛车，为了控制成本，今年赛车的前翼副翼部分只准许5片翼片存在。
△2018年，迈凯伦复杂的前翼
△2019年梅赛德斯复杂的前翼
△2018年法拉利复杂的前翼
△2019年因为规则限制只能有最多5片副翼，前翼设计简单了许多
FE电动方程式的前翼设计就没有那么复杂了。新一代赛车的主要下压力都来自扩散器，也被定义成低阻设计，更重要的一点是，FE的轮胎不是外露的，因此轮胎撞击气流的情况是不存在的。
△第二代电动方程式赛车
△第二代电动方程式赛车---被人称作赛道蝙蝠侠
FE赛车前翼的设计主要满足以下几点：
1. 最大限度整合气流通过车体上表面；
2. 最大限度整合气流通过下表面，给扩散器输送高效气流；
3. 在车轮内侧，产生下压力。
因此，我们可以看到，前轮的包围上面是平滑的弧形表面，和轮胎形状一致，在正面则是设计成比较尖锐的形状，目的就是为了减小阻力。原理和尖锐的飞机机头设计一个道理。主翼片被设计成阶梯形状，在车头的部分被抬起，下方产生更大空间，目的就是为了最大限度地通过车体下方气流。在车轮内侧有两片副翼，这里会产生下压力。
△阶梯型前翼主板，扁平车头，低下压力赛车
车头做成带有弧形，下坠式的锥形。车头扁平，从车头的尺寸来看，车头表面也会产生一定量的下压力。
△下坠，锥型车头，表面扁平
△前轮全包，前部也做成锥型，便于减小阻力。
尾翼部分：
F1的尾翼设计也非常复杂，因为这里需要产生赛车整体所需要的1/3强下压力。因此不论是主翼片，上方的副翼，还有边上的端板都经过气动工程师的反复研究，边上的开槽，或者主翼片的弧面尺寸和角度，副翼的形状和角度等等都是经过精心计算和风动实验而得来的。
△F1复杂的尾翼---都是电脑设计，风动“吹”出来的成果
FE第二代赛车采用的是无尾翼设计。
尽管FE的后轮没有被包围起来，但因为前轮已经被包围住了，因此这里相对撞击到轮胎上的气流非常有限，而在轮胎上方有一小段和轮胎同宽的翼片，这样在轮胎的正上方可以产生一定程度的下压力。这部分翼片斜向车体中间位置连接的翼片可以看做是起到梁柱支撑的作用，同时也可以起到一定程度的气流整合作用。
△电动方程式的尾翼---也被称作无尾翼设计，只有轮胎上方的这块小翼片产生一定的下压力
扩散器部分：
扩散器的英文是—diffuser。如果你有心查字典，diffuser是名词，来自于diffuse这个英文动词，就是（使）扩散，把什么东西扩散出去的意思。Diffuser指的是能把什么东西扩散出去的装置。例如：reed diffuser指的是“芦苇扩散器”（虽然听起来你可能不知道是啥玩意儿，但现在很多人都在用）它就是“无火香薰”，是现在很流行的一种环保家用空气清新用品。
△家居尚品----无火香薰
赛车中的扩散器全程叫做“car diffuser”。在赛车上用的，目的是为了加速车底气流通过的速度，流速快了，压力就小了。车体下方压力小了，上方压力大，就能把赛车“按”在地上，增加稳定度。
△后轮到车尾延伸的部分就是扩散器
△扩散器气流示意图
扩散器的形状就是上扬的开口，并有很多的栅栏设计，栅栏是为了整理气流。F1赛车对于扩散器的大小，起始位置有严格的限制，目的就是为了不希望赛车产生太大的下压力，下压力越大，赛车过弯速度越快，一旦失控就越危险。
△F1扩撒器，概念示意图
△2018年F1梅赛德斯车队扩散器设计
扩散器是赛车下压力产生的最主要武器，因此每支车队在设计时都非常小心。一方面，要保证车底的高速气流不会产生分离现象（separation）另外，栅栏（strake---原译指的是外板，条形板）。可以整合下方的气流，避免车底下方产生涡流。车底涡流会让压力升高，从而降低扩散器的效率，另外栅栏还可以在气流在后方产生涡流（vortex）。高速旋转的车尾涡流可以起到加速的作用，进一步增加车底气流的流速，从而进一步减小车底压力。
△2019年法拉利赛车不断研发改进的扩散器，复杂的“栅栏”清晰可见
FE的扩散器，无论比F1要大得多，几乎从赛车尾部要分离出来了，栅栏的尺寸也大得多。充分说明，这里是FE赛车最主要的下压力所在。而且电动方程式的扩散器长度也更长，上扬的斜度和整个车体后部的上扬角度完全一致。从而进一步保持了气流的一致性。这样的设计可以判定出，在同等速度下，FE电动方程式车底产生的下压力要比F1大许多。
△超大号的扩散器
△巨型扩散器，是FE电动方程式赛车主要的下压力来源
FE赛车设计的未来
虽然FE下一代赛车并没有在赛场上出现，但从已经公布的设计图来看，最大的变化在前翼和尾翼上。前轮的前包围，正面尖锐形状设计被放弃，前轮前方被设计成钜框型。前轮上方有了水平翼片。其目的非常明显，就是为了能够在这个位置产生下压力。同时，尾翼上方也有类似的设计，连接车体中轴位置的斜梁被取消，代之以尾翼上方延伸出来的水平翼片，也是为了增加后轮上的下压力。同时，也引入了背鳍概念，为了进一步整合通过车体上表面的气流，提升气流效率。这样的设计说明，第二代赛车上方的下压力太弱，需要进一步改进。
△新一代赛车把全包轮胎的概念放弃，这样的水平翼片可以产生比二代车更多的下压力
△水平的尾翼和背鳍也能进一步提升下压力总量
赛车的气动设计是提升性能的最重要手段，每一支车队都非常关注这一领域。而赛车比赛中所取得的设计经验和成果，特别是气动方面的成果也在不断转化到普通汽车的设计领域，让我们平时使用的汽车效率更高。