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[F1專欄] F1賽車尾部的「方寸之爭」 |
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| 記者/Hunter Hsu |
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第二階段冬季車輛測試剛開始，F1賽壇就因為Toyota與Williams賽車後方的Rear Diffuser遊走於「灰色地帶」的設計是否違規而引起眾議。看起來不起眼的Rear Diffuser實則是F1賽車設計上寸土必爭的重要關鍵，唯有從空氣動力學原理、F1賽車科技演進歷史的角度出發才能夠窺得全貌！
F1車手接受記者訪問時，最常提及的就是抱怨賽車Downforce (下壓力) 不足、有時候也會統稱為Grip (抓地力) ，這個名詞為什麼那麼重要呢？中學的基礎物理 (希望你還沒有忘記、或者曾經學過) 告訴我們「物體進行圓週運動時需提供必要的向心力」，這個向心力在賽車運動上就是我們稱的Grip (抓地力) 。車輛的抓地力越大、則通過彎道的速度上限就可以越快 (我們也可說「抓地力的大小決定了過彎的速度」) ，如果車輛的抓地力不夠卻硬是要以較高的速度過彎時會發生什麼情況？這就是我們說的Spin (打滑) ，指整輛賽車失去控制並偏離過彎時應循的正常軌跡。
如何增大Grip？它有兩個主要來源：第一是Mechanic Grip，這種抓地力來自於輪胎、車輛配重與懸吊系統適當的配合 (這也是為什麼乾胎、雨胎、半雨胎的單圈成績不同) 。第二種則稱為Aerodynamic Grip，此類抓地力則來自空力套件產生的Downforce所提供。對於F1車隊來說提升Mechanic Grip需靠他人 (取決於Bridgestone輪胎廠) ，唯一可以操之在己的就剩下Aerodynamic Grip。
與前翼、尾翼相比，黑嘛嘛的Rear Diffuser很少吸引眾人的目光。它是裝置於賽車尾翼的下方、F1賽車底盤尾部採用逐漸向上傾斜的設計，能夠產生「抽離底盤空氣」並造成真空效果。不要小看Rear Diffuser、它製造的下降力佔了F1賽車總下降力超過三分之一以上，甚至遠遠超過了最容易被車迷識別的前翼。
 | | | 在今年開始實施的新版空力套件規定中，尾翼的造型有了顯著改變，包括翼片寬度從之前的1000mm壓縮到750mm。上層翼片升高150mm與引擎蓋同高，這將大幅減少車輛後半部的下降力。 |
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Diffuser是提供F1賽車所需下降力的無名英雄，這項裝置的設計經常被車隊視為是最高機密 (新車發表會時經常用布幔覆蓋此處) 。車隊會利用垂直的隔板將Diffuser分成許多小部分，這可以增加Diffuser真空吸引的效率！此部分設計最頭疼的地方在於此處也是後懸吊及排氣管配置的部分。如果設計失當、排氣管產生的高熱廢氣會嚴重影響Diffuser的效果 (車手就會發現踩油門及收油的時候車輛操控會不平衡) ，最近兩年的解決方案就是像Ferrari車隊一樣使用「潛望鏡式」的排氣管、將高溫廢氣從Diffuser的上方排出。不只是F1賽車才有Diffuser、Ferrari的道路版賽車F50也有相同的設計。
在今年開始實施的新版空力套件規定中，尾翼的造型有了顯著改變，包括翼片寬度從之前的1000mm壓縮到750mm。上層翼片升高150mm與引擎蓋同高，這將大幅減少車輛後半部的下降力，因此車隊尋找其他方式改善車輛尾部的空力效率並不讓人訝異。這次Toyota TF109和Williams FW31賽車的爭議在於其Rear Diffuser巧妙的利用了車尾防撞結構，使其作用有效空間超過了規則規定的最大高度175mm。
 | | | FW31賽車的Rear Diffuser中央部分使用雙層結構，下層頂部與尾椎之間的另外一層隔間也高於最大高度限制。 |
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其中TF109賽車的Rear Diffuser中央部分後方形成了一個更高 (超過175 mm) 的隔間，FW31賽車的Rear Diffuser中央部分使用雙層結構，下層頂部與尾椎之間的另外一層隔間也高於最大高度限制。過去這種設計曾出現在Ferrari F2008賽車上，但在新的空力規則之下屬於合法與不合法之間的灰色地帶。
Rear Diffuser逐漸向上延伸的結構所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) 。此空力套件的尺寸大小對其空力效率有決定性的影響，因此不難理解Toyota TF109和Williams FW31賽車的設計會引起如此軒然大波。
 | | | TF109賽車的Rear Diffuser中央部分後方形成了一個更高 (超過175 mm) 的隔間。 |
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事實上這也不是第一次Rear Diffuser成為爭議焦點，1990年代初期可謂Rear Diffuser發展的全盛時期時，當時它甚至負責製造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」 (但之後也仍然佔了約40％的車輛下降力分佈) 、FIA的新規定也讓賽車設計師不得不繼續朝車身其他部分動腦筋。
以Renault為首的其他F1車隊已經要求FIA科技小組澄清此部分的科技規則細節。有了過去幾個賽季在彈性前翼、3D尾翼以及質量減震系統的種種教訓，F1工程團隊在研發過程中就與FIA科技小組溝通，以確保最後的研發成果不會付諸東流。據傳FIA科技小組對兩支隊伍其中的一個設計很早就知曉並表示默許，此傳言在澳洲站時就可真相大白。
 | | | 有了過去幾個賽季在彈性前翼、3D尾翼以及質量減震系統的種種教訓，F1工程團隊在研發過程中就與FIA科技小組溝通，以確保最後的研發成果不會付諸東流。 |
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