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铸剑为犁之空气动力学 跑得太快容易起飞?

2018-08-17 07:18:00
来源:网络

在上一期《铸剑为犁》选题中,我们介绍了源自军事领域的汽车轻量化材料,在这些新兴材料的帮助下,如今的汽车可以拥有更轻的重量和更高的强度,以此来提升其性能表现。那么现在问题来了,汽车的整备质量真的越轻越好?重量降低了会不会带来什么弊端呢?本期《铸剑为犁》选题我们就来聊聊另一项源自军事领域的技术:空气动力学。

汽车

研究空气对高速运动物体产生的影响,就是空气动力学。在飞机发明之前,空气动力学主要应用于子弹等高速飞行物体的研究,并通过优化造型来实现更低的风阻和弹道稳定。

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与轻量化材料一样,随着航空工业的发展,飞行速度越来越快的飞机也促进了我们对空气动力学的认识。与子弹飞行时所面对的空气影响相比,飞行姿态变化更多的飞机所需要的空气动力学挑战要复杂许多。尤其是军用战斗机,除了要解决飞得起来之外,还得兼顾速度、机动性等等性能。

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出于对性能的要求,当时的战斗机设计师和工程师都在不懈余力的采用各种办法来改善飞机的气动性能,因此也增加了制造工艺难度和成本。正是由于经过第二次世界大战的洗礼,我们对空气动力学有了更为深刻的认识。

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如果说亚音速时代的飞机工程师已经被空气这个看不见摸不着的“魔鬼”虐的体无完肤,那之后飞机突破音速时代的挑战则可以用“惨不忍睹”来形容。在飞行器突破音速之前,会遇到一个被称为“音障”的物理现象,此时飞行器遇到的阻力骤增,升力突降,就算是凭借大功率引擎的“蛮力”突破音速,也无法有效解决超音速阶段飞行器可控性变低的问题。

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随着我们对飞机空气动力学特征的深入研究,最优化的设计造型其实已经被发现。因此,今天我们看到了许多最新型的战斗机无论来自哪个国家,其外形设计都能有许多相似的布局。与飞机刚刚诞生的年代相比,原本百花齐放的飞机造型到了今天已经越发雷同,虽然少了视觉上的新意,但却能为当今的飞机带来性能方面的飞跃。

空气动力学同样适用于汽车研发

与军用飞机的发展轨迹类似,汽车也在朝着越来越快的路线发展。上一期《铸剑为犁》选题我们介绍了汽车轻量化材料的发展,轻盈的车身加之更快的车速,空气对车辆行驶性能的影响也更为直接,因此在新车开发时工程师也需要考虑汽车造型的气动特征,并借助空气动力学来提高行驶性能。

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我们先看看空气动力学在赛车领域的应用。与一般的民用车相比,竞技运动中的赛车对于速度和性能的追求更为极致,因此赛车的气动外形也十分讲究。无论是F1、WRC或者DTM赛事,我们都能看到那些赛车身上“武装到牙齿”的空气动力学套件。

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与追求速度的赛车相比,民用车辆的速度相对要慢了许多,空气对车体行驶表现的影响也相对较小,因此并不需要通过大量造型夸张的气动套件。但是即便如此,我们还是能在量产车上看到许多符合空气动力学的设计特征,其主要用途更多的是出于对安全和舒适性的考虑。

汽车风阻系数越低越好?

回到与我们用车生活息息相关的民用车型上,空气动力学的作用同样十分重要。相信大家或多或少都听到过,很多厂商在宣传自己新车时会用到“风阻系数”这个名词。从字面意思上看,似乎风阻系数越低说明其空气阻力越小。但是这里需要指出的是,轿车风阻系数普遍在0.2-3.0之间,而高性能跑车的风阻系数反而普遍大于0.3,F1赛车的风阻系数根据设定不同能达到0.6-1.3左右。那么问题来了,为什么民用车的风阻系数反而比跑车更低?

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对于民用车,风阻系数低自然会获得更小的空气阻力,但其实际意义其实远没有我们想象中的大,因为民用车的行驶速度相对较慢,气流的阻力影响没有那么明显。另外,当今的汽车设计也开始注重高速行驶时的稳定性,因此下压力和风阻之间的平衡才是汽车工程师追求的。

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相比于制造下压力或者降低风阻,空气动力学在民用车领域主要应用于改善风噪。通过合理的造型和细节设计,我们的汽车可以在行驶时获得更小的风噪,从而提高舒适感。当然,理论上类似的设计也同样能帮助降低油耗(实际效果微乎其微)。下面我们找了几个实例:

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虽然空气动力学对于汽车造型的影响没有飞行器那么重要,但其同样在影响着我们汽车产品的性能和造型设计。实际上,与几十年前风靡全球的“方头”设计相比,如今的汽车设计趋势已经越来越符合空气动力学特征。

全文总结

当汽车技术向着更快、更轻、更安全的方向发展,空气动力学对汽车造型的影响会更加深远。随着我们对汽车产品的品质要求越来越高,空气动力学的研究成果也在我们的车辆上得到更多体现。当然除了要符合空气动力学特性,影响汽车造型的因素还有很多,包括品牌设计风格、行人安全保护效果、制造工艺难度和成本以及美观程度等等。

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