F1赛车大海域海豚跳，背后什么严重原因？FIA要不要背锅？

ferrarigtr

阿尔法罗密欧因为海豚跳(Porpoising)的原因第一天跑了很少的圈，第二天法拉利，阿斯顿马丁，迈凯伦都出现了明显的海豚跳问题，表现出来的问题是直线就会车身上下以相对低频率的运动，这样会有非常大的下压力不稳定的情况，属于非常危险的行为。我看到Autosport，WTF1都发了相关视频，但是他们说的理由似乎是不完全的，都不是这次海豚跳的真正原因。


随着车速提高，赛车下压力会以速度平方级的方式增加，于是这个压力会作用车身让车身下降，这个压力和我们开的车不一样；房车是悬挂的四个减震弹簧压缩，承受更大的负荷；F1赛车是由一个叫Heave Spring的弹簧负责，这样做的目的是解耦单独轮胎的减震弹簧和阻尼，分开处理这个下坐的运动和侧倾加路面弹跳。



Autosport Jake和WTF1的说法是就是因为车身下降造成的下部空气忽然流通不过去造成的下压力突然减小，于是车身就往上走，接下来下压力又压下了车神。我们可以看到下图是车身相对高度和下压力系数（绿色）的关系，这里是简化的楔块模型。绿色线下压力系数确实会在高度非常小的时候有一个很明显的衰减。高度很小的时候并不会出现理想的“抽真空”现象，而是局部压强太大，气流去了别处，这里会失速（Stall）。


但赛车设计时候都会保留一个合理的最低高度。我们试图想象中计算下，根据下压力公式Fdown = 0.5 *cL*A*V2我们代入这个乘上一个速度平方应该也是一个连续的曲线，也就意味着随着车速升高车身下降，会到一个下压力系数降到很低的时候整体实际下压力开始下降，车身随着实际下压力的减小缓慢上升，到一个平衡点经过一个浮动最后都是平滑的趋近于平衡点。这个过程中弹簧力量是被动的，下压力增加多少减少多少它就跟着动多少，不会有间断的忽然不一致问题。而且这个过程动量是几乎始终被阻尼器消耗掉，不会出现我们蹦极那种一次冲击后反复跳好几次的拉扯。


那么这样不断的很大幅度的弹跳是怎么来的呢？这就要说到这次2022 F1赛车是地面效应回归，或者说增大的产物；地面效应发生在底板文丘里通道，主要下吸力在开始下凸的区域，随着速度增加这个吸力增加，也就意味着相比之前几年的赛车，在车手身后的下压力增大了，也就是赛车的气动重心向后移动了，速度越快向后移动越多。车辆高速时候相比于静止状态呈现出一个后蹲的姿态。这样的话后方底板接近地面时，下压力减少，但是前部下压力还在增加；同时后部悬挂弹簧本身的劲度系数是大于前部的，后部的自然震动频率本来也是更高的。所以在后部下压力减小时候，就会出现尾部被协助弹跳的情况,无法和前部统一。最后这种运动实际变成的是车身俯仰的运动，我们在车外看起来看不到始发原因以为是整体弹跳，实际是后部开始传递到整个车身的。但是这种运动依然会因为系统的阻尼把能量耗散掉试图回到平衡点。




可是当车辆遇到上下坡，或者起伏不平时候会突发的增加这种情况的产生，这是一种突然介入的一个状态，然后车身被强制拉到这个状态去弹跳试图回到平衡点，但是此时已经到了下一个新的地面高度状态，有了新平衡点，车就没法趋于稳定。老式被禁的那种地面效应赛车都有物理侧裙边，这种阻挡应该会在离地高度低，底部压力增大，空气试图向侧面逃离时候挡住这些气流，使他们稳定的向扩散器流动，获得稳定的下压力。但是现代的F1没有这种物理侧裙边，都是尽量靠侧面发生的涡流气压阻隔，这样的效果肯定会差一些。但是老式的侧裙边方式，一旦因为不稳定失去下压力，就是弹出个大事故，就不止海豚跳这么简单了。海豚跳这种预警方式反而显得安全。



那么有没有解决办法呢？一就是限制悬挂行程，让后部地板高度保持在下压力极速下降之上，但这样的操作会让会让后轮没有弹跳的空间，遇到颠簸转向都会非常不稳定。第二个做法就是把后Heave Spring做成渐进的，到最后这段行程的劲度系数增加让下压力不能压到这个拐点区域。第三种就是可能修改成本最低的就是Heave结构的阻尼器增加，虽然后部还会弹跳，但是用阻尼器耗散掉这震动能量然震动幅度尽可能减小。

总之，这次几乎所有车队都遇到的海豚跳，应该是本身FIA带来的这次标准设计必然伴随的产物，因为之前工程师在电脑上模拟，在风洞里测试，甚至在运动皮带风洞测试中都发现不了；那些地方的地面都太理想了。不过这海豚跳的出现也体现了冬测的意义所在，如果比赛大家都在跳着比赛，那不就真成马里奥赛车（跑跑卡丁车）了？FIA一定会想办法消除这种现象，哪怕是修改底板曲线的规则面，因为这种现象除了可能缓解车手久坐导致的痔疮的优点，其他全是危险。