摩托車空氣動(dòng)力學(xué)——奪冠背后的科技暗戰(zhàn)

張雪機(jī)車在國(guó)際賽場(chǎng)奪冠那天，朋友圈沸騰了。不是那種“中國(guó)車隊(duì)好厲害”的禮貌性轉(zhuǎn)發(fā)，而是發(fā)自內(nèi)心的為中國(guó)制造閃耀世界而驕傲。

而賽后各路分析里，“空氣動(dòng)力學(xué)”也成了高頻詞。不過，摩托車領(lǐng)域發(fā)布的氣動(dòng)數(shù)據(jù)比四輪賽車少得多。

今天我們換個(gè)思路：從基本原理出發(fā)，結(jié)合賽車的外形特點(diǎn)，來一次接地氣的空氣動(dòng)力學(xué)分析。

PART 01

不只是“跑得更快”

很多人對(duì)氣動(dòng)的理解停留在“讓車更流線型”這個(gè)層面。這當(dāng)然沒錯(cuò)，但就像說“手機(jī)就是用來打電話的”一樣，屬于正確的廢話。

而真正的問題是：車手敢不敢把油門擰到底？

這個(gè)“敢不敢”，氣動(dòng)至少管四件事。

• 直道：和風(fēng)墻的肉搏戰(zhàn)
  空氣阻力這東西特別不講武德——速度翻倍，風(fēng)阻翻四倍。高速工況下，風(fēng)阻吃掉的動(dòng)力比傳動(dòng)系統(tǒng)損耗、輪胎滾阻加起來都多。低風(fēng)阻的設(shè)計(jì)就是：讓車“穿”過空氣，而不是“撞”上去。

  效果很直觀：同樣動(dòng)力極速更高，同樣速度發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)擔(dān)更小。說的再直白一點(diǎn)——直道上有沒有資格表演“生吃”對(duì)手。

• 穩(wěn)定：別讓車變成脫韁的野馬
  高速騎行時(shí)摩托車有一種強(qiáng)烈的愿望：變成一匹想把騎手甩下去的野馬。前輪發(fā)飄、車頭翹起、重剎時(shí)車尾像喝了假酒一樣搖擺——這些都是氣動(dòng)要解決的事。此時(shí)出場(chǎng)的則是氣動(dòng)下壓力——關(guān)鍵時(shí)刻能把車輪老老實(shí)實(shí)按在地上。

• 過彎：真正的修羅場(chǎng)
  直道快不算本事，彎道快才是真的快。這個(gè)道理所有賽車迷早就刻進(jìn) DNA 了，兩輪四輪概莫能外。氣動(dòng)優(yōu)化讓車身在傾斜狀態(tài)下更穩(wěn)定，減少側(cè)向氣流把車往賽道外面推的沖動(dòng)，間接提升輪胎抓地力的可預(yù)測(cè)性。

  結(jié)果就是：車手敢更早開油，敢用更快的速度劃過彎心。圈速的差距，往往就是在這幾個(gè)“敢”字上拉開的。

• 散熱：看不見的保命技能

  發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的熱量，夠煎熟一塊牛排。而剎車盤的瞬時(shí)溫度突破600°C更是家常便飯 。沒點(diǎn)散熱手段的話，且不說有爆缸的風(fēng)險(xiǎn)，幾圈下來剎車就變成踩棉花。

  氣動(dòng)系統(tǒng)得給散熱器和剎車精準(zhǔn)送風(fēng)，還不能因此把阻力搞得太難看。這是典型的“既要又要還要”，工程師的頭發(fā)就是這么沒的。

一句話總結(jié)：空氣動(dòng)力學(xué)決定的不是車能跑多快，而是車手敢不敢用到極限。

PART 02

摩托車的“氣動(dòng)全家?！?/p>

現(xiàn)代高性能摩托車的設(shè)計(jì)語言，很大程度上是被頂級(jí)賽事的軍備競(jìng)賽帶起來的。WSBK作為量產(chǎn)改裝賽，雖然規(guī)則上比純?cè)蛙囐愂卤Ｊ?，但氣?dòng)方面的內(nèi)卷一點(diǎn)沒落下。

整流罩：最扎實(shí)的基本功

整流罩的設(shè)計(jì)原則古老而樸素：盡量做成水滴形，前圓后收。所有花里胡哨的氣動(dòng)優(yōu)化都建立在整流罩這個(gè)“畫布”之上。

它的核心KPI就兩個(gè)：減少迎風(fēng)面積;讓氣流乖乖貼著車身走而不是到處亂竄。

定風(fēng)翼：摩托車界的“內(nèi)卷之王”

這東西多年前還屬于“鬼火少年的特供”，現(xiàn)在已經(jīng)成為高性能量產(chǎn)車的標(biāo)配，長(zhǎng)得越來越像某種飛行器前翼的縮小版。WSBK賽車上同樣大量應(yīng)用，只是受限于市售車基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)上更講究“螺螄殼里做道場(chǎng)”。

原理跟飛機(jī)翅膀一樣，只不過反過來用——產(chǎn)生負(fù)升力，把車頭往下壓。加速時(shí)前輪不容易翹頭，出彎時(shí)車身更安定。代價(jià)是阻力增加，所以每一片小翼的角度和層數(shù)都是工程師和風(fēng)阻談判的結(jié)果。

導(dǎo)流結(jié)構(gòu)：讓空氣排隊(duì)走

側(cè)導(dǎo)流板、腿部導(dǎo)流面、尾部收縮曲線……這些細(xì)節(jié)的共同目標(biāo)就一個(gè)：減少亂流，讓空氣“有序流動(dòng)”，而不是在車身后方攪成一鍋粥。賽用摩托車在這方面尤其執(zhí)著，車身側(cè)面復(fù)雜得能當(dāng)現(xiàn)代藝術(shù)展品。

冷卻氣道：散熱和阻力的零和博弈

進(jìn)氣口大一點(diǎn)散熱好，但阻力爆炸；進(jìn)氣口小一點(diǎn)阻力友好，但發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)用熱衰警告你。設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于找到那個(gè)甜點(diǎn)——既能精準(zhǔn)送風(fēng)，又不會(huì)拖累極速。

車手：行走的氣動(dòng)套件

四輪賽車和兩輪賽車的根本區(qū)別，用一個(gè)畫面就能說明：四輪車手是藏在座艙里的，摩托車手是趴在風(fēng)里的。

四輪的玩法是“控制空氣”——車身外形固定，設(shè)計(jì)師可以在計(jì)算機(jī)里把氣流安排得明明白白。地面效應(yīng)底板、多層翼片、復(fù)雜的導(dǎo)流通道，高速下能產(chǎn)生數(shù)倍于車重的下壓力。

兩輪的玩法是“適應(yīng)空氣”——車手暴露在外，姿態(tài)還在不斷變化：直道趴低、剎車立起、過彎探身。 這是摩托車氣動(dòng)學(xué)最獨(dú)特、也最浪漫的一點(diǎn)：車手本身就是氣動(dòng)系統(tǒng)的一部分。

跟我學(xué) “車手的人肉氣動(dòng)三件套”：

• 直道：趴低、頭藏進(jìn)風(fēng)擋、胳膊肘收緊、大腿貼油箱。整個(gè)人變成一個(gè)臨時(shí)的人肉整流罩，目標(biāo)只有一個(gè)——減小迎風(fēng)面積。此時(shí)車手內(nèi)心OS：我就是一塊會(huì)騎車的鵝卵石。

• 剎車：上身立起，用胸口硬接氣流。這不是自虐，是主動(dòng)利用身體增加空氣阻力輔助減速。真男人從不回頭，真男人用胸肌剎車。

• 過彎： 身體側(cè)掛出去，不只是調(diào)重心，還在改變氣流在車身周圍的分布，微妙地影響輪胎負(fù)載。每一個(gè)角度都經(jīng)過千錘百煉。

動(dòng)態(tài)氣動(dòng)：車手是最好的“主動(dòng)氣動(dòng)套件”

摩托車的氣動(dòng)外形是實(shí)時(shí)變化的，而執(zhí)行這套變化的不是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的翼片，是車手本人的肌肉和神經(jīng)。

而一輛摩托賽車的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，就是讓車手更容易擺出正確的姿態(tài)——風(fēng)擋的高度讓頭部剛好藏入低壓區(qū)，油箱的造型方便身體貼合，整流罩側(cè)面的曲線包裹腿部減少亂流。

頂級(jí)車手的能力不僅體現(xiàn)在油門和剎車的控制上，更體現(xiàn)在對(duì)自己氣動(dòng)姿態(tài)的精確管理。頭往前探兩厘米還是收兩厘米，肩膀露多少，膝蓋打開多大角度——在 200公里/小時(shí)以上的速度下，這些都是真金白銀的時(shí)間差。

PART 03

尾流：摩托車背后的秘密

“快吸它的尾流！”——比賽中經(jīng)常能看到這種場(chǎng)面：后車在直道上突然像被彈射出來一樣干凈利落地超越前車。不明真相的觀眾以為是后車發(fā)動(dòng)機(jī)突然開掛，實(shí)際上這是尾流效應(yīng)在發(fā)力。

原理不復(fù)雜：前車破開空氣時(shí)身后留下一片低壓區(qū)——一個(gè)氣流相對(duì)“稀薄”的空腔。后車鉆進(jìn)去之后，風(fēng)阻斷崖式下跌，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率更多轉(zhuǎn)化成加速，而不是跟空氣打消耗戰(zhàn)。

摩托車尾流和四輪賽車尾流有個(gè)有意思的區(qū)別。四輪賽車復(fù)雜的翼片結(jié)構(gòu)會(huì)制造出狂暴的湍流尾跡，后車鉆進(jìn)去雖然阻力降低，下壓力卻跟著崩了，操控直接變抽獎(jiǎng)。

而摩托車的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，加上車手身體無形中幫氣流“梳理”了一下，尾流反而更干凈，后車能相對(duì)安穩(wěn)地蓄一波力。

當(dāng)然，能否完美利用這波“偷來的速度”，還得看車輛離開低壓區(qū)時(shí)的表現(xiàn)——突然一頭撞上無形的風(fēng)墻，電控系統(tǒng)能不能平順處理瞬間變化的負(fù)載。這也是為什么有些賽車在尾流戰(zhàn)中表現(xiàn)得游刃有余，有些則像撞了鬼一樣左搖右晃。

PART 04

結(jié)語：看不見的推手和更大的舞臺(tái)

回看張雪的奪冠之路，很難說是哪一項(xiàng)技術(shù)立了頭功。發(fā)動(dòng)機(jī)、車架、電控、輪胎，少了哪樣都不行。空氣動(dòng)力學(xué)更像一個(gè)沉默的放大器——它在關(guān)鍵時(shí)刻，把整車性能和車手能力同時(shí)放大到一個(gè)新的層級(jí)。

張雪機(jī)車在WSBK的勝利是一個(gè)里程碑，它說明中國(guó)車隊(duì)在量產(chǎn)改裝這個(gè)層級(jí)已經(jīng)具備了系統(tǒng)性的競(jìng)爭(zhēng)力。但所有關(guān)注兩輪賽車的人心里都清楚，更大的賽場(chǎng)在等待著中國(guó)的賽車。真正的終極考場(chǎng)在那片被本田、雅馬哈、杜卡迪、 KTM 、阿普利亞統(tǒng)治了數(shù)十年的原型車圣殿—— MotoGP。

如果說WSBK的氣動(dòng)是“毫米級(jí)的博弈”，那MotoGP的氣動(dòng)就是“微米級(jí)的戰(zhàn)爭(zhēng)”。對(duì)任何一個(gè)想要踏入這個(gè)領(lǐng)域的新玩家來說 ， 氣動(dòng)是繞不過去的一道坎 。

我們相信中國(guó)的空氣動(dòng)力學(xué)和中國(guó)制造一定會(huì)在更大的舞臺(tái)閃耀世界之巔。

文章轉(zhuǎn)載自“LBM與流體力學(xué)”公眾號(hào)