空气套件成为主流的时代，MotoGP赛车渴求下压力的秘密

在进入当代那些外观上张牙舞爪、狂放不羁的各式整流罩与空气力学设计的顶级赛事结晶之前，也许我们可以先来讨论关于「空气力学」之于摩托车领域的历史。简短历史概要在过去七十年间，空气动力学与摩托车比赛之间的关系其实并不这么密切，即便F1一级方程式和随后跟进的多数四轮赛车赛事在1970年代间在该领域上取得了大幅度的发展，但空气动力学始终都还是没有跟摩托车赛事扯上太多关系。但这并不是说空气动力学不重要或者不值得被探究，最大的困难在于实际应用层面上受到限制。 1965年，ROYAL ENFIELDS在广告中就展示了如何运用空气动力学再整流罩的造型变化上，用以提升车款的性能以及骑士的骑乘舒适度。在1950年的比赛中，大面积的子弹型整流罩（The Dustbin Fairing）被用来减低阻力并提高性能，但后来则基于安全原因而遭到了封杀。当时，人们对这种全包覆式的大型整流罩设计在对抗侧风时的安全质疑，尤其是在Isle of Man TT曼岛TT赛事中，天气条件将会在比赛结果中扮演举足轻重的角色，也是从这的时候开始，整流罩钻孔的设计与手法才油然而生。而后，赛车则继续在整流罩上进行开发，并致力于在法定范围内尽可能的减少车手与赛车的风阻，但「降低风阻」这个概念，已经算是过去以来针对摩托车空气力学领域中所能做的调整与进步范畴，而这种情况在近十年间发生了变化，因为竞争与技术能力的提升，车队开始在「降低风阻」之外，进一步地寻求提升性能的可能。流体阻力与真空带我们先来讨论阻力。因为阻力一直都是摩托车性能上的重要考虑因素，无论是在赛道上的工厂赛车，或是公路上的市售跑车都是如此。 如果说提升尾速几乎就可以保证一定的性能表现，这也就是减少空气阻力会这么重要的原因。MotoGP 的引擎开发绝对会是追求比赛胜利的关键因素之一，车厂可以花费巨额的预算来榨取规则内可以开发的所有动力，但这些用钞票堆叠出来的科技工艺结晶因为空气阻力而浪费，那基本上这笔投资就显得毫无意义了。二轮相比四轮封闭式的驾驶舱有些不同，摩托车赛车的驾驶舱包含了相当多的外露元素，包含了前轮、前叉、整流罩边缘、空冷进气、车手本身、排气系统以及摇臂等都是暴露在外的，也因此，空气会经过这些元素并且产生大量的流体阻力、多重分离以及反向流动，结果也就是增加了引擎功率需要克服的压力阻力。所以，这也代表了虽然从正面面积来看，摩托车要比起汽车要小很多，但摩托车的阻力系数却要高上许多，最终结果是摩托车与汽车在阻力水平上只能得到平起平坐的数据，就算摩托的体积比较小，可用的引擎功率也较小，这意味有与最高速度性能上的先天条件之下，也代表了工程师可以通过减少阻力的方式来求取更多性能。另一个可能比较不明显的驱动降阻的因素是降低摩托车产生了尾流面积，这种称之为「真空带」会替紧跟在后的其他摩托车提供额外的优势，真空带可以为邻近车辆带来额外的加速力并且帮助对手超车，这个问题在Moto2与Moto3的赛事中就相当频繁的出现。车手的重要性车手的舒适度与稳定性也是决定因素之一。 空气流体在摩托车上是处于一个不稳定的流动状态，当然按照上述的论点来看，制造商都希望可以控制流动从整流罩和车手安全帽分离的方式，但如果这种流动没有办法完整的控制，就极有可能会对车手的身体或是头部造成额外的压力，从而影响比赛表现，尤其是在正赛中需要长距离的移动。车手本身也可以成为空气动力学的辅助硬件，从整流罩后方挪出身体就会显著的改变摩托车正面面积以及阻力系数，简单一点的来说，一旦当车手没有躲在整流罩内的时间，就会增加摩托车的阻力，当然这个部分也牵涉到了过弯前的减速时，你会看到车手会伸出内侧脚，或是打开膝盖的动作。如果你更仔细观察，你会发现车手鲜少以对称的方式在进行身体的移动，多数时候车手都会是侧挂在车辆的内侧，这代表了车辆的阻力中心并不在车辆的中线，而是会随着弯道的需要而偏摆，偏摆的阻力中心会产生偏航力矩（※注一），利用这一点可以帮助摩托车在弯中的转向。（※注一）偏航力矩（Yawing Moment）：飞行力学名词，偏航力矩是对飞机重心的空气动力力矩沿竖轴的分量，飞机作为具有6个自由度的物体，在天空中飞行受到的力或力矩可以简化为：X、Y、Z上的合力和围绕他们的力矩。★ 三力矩：滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩，以上均为合力。载荷传递要从最高时速的感觉中摆脱阻力，前轮会是关键因素之一。一直到目前为止，所有的制造商都在对前轮的性能进行控制，无论在机械设计、结构理论以及电子控制设备的领域，这个问题的症结点在哪里？我们要把话题拉回到二轮与四轮的车体重心以及气动压力中心的相对位置来讨论。 2019年，Lewis Hamilton与Valentino Rossi交换了彼此的赛车（F1与MotoGP），并且在赛道上做出了驾驶体验。MotoGP赛车的重心远高于F1赛车，再加上更短的轴距（二轮车辆仅约1.5m，四轮则有3.5m）与更轻的重量（二轮车辆加车手约210公斤，四轮车辆加车手约752公斤），这使得空气在穿过摩托车时，在垂直载荷与加速阻力的力度上有相当明显的感受。作用在摩托车上的下压力示意图再深入一点的探究，我们用数学公式来观察个中差异与结果。 先忽略空气动力造成的阻力与下压力，加速度从前轮转移到后轮的载荷传递上，我们可以使用以下载荷传递公式：假设重量在车体前后轴的分配比是50：50，我们可以计算出两者在每个轴上的起始载荷分别为二轮=1030N，四轮=3687N，并且，在根据车体尺寸而得下表：如你所见，在0.5个g的加速度（g值为重力加速度单位，1个g=9.807 m/s²）条件下，摩托车从前轮往后轮的可用静态轴载转移率超过50%，而四轮则不到10%。 加上阻力的影响，载荷传递会进一步的增加。就结果论来说，在摩托车的部分，只需要很短的时间就可以将前轮的负载降低至接近零，随着前轮逐渐失去负载，转向也会变得迟钝，并且同时大幅度的降低车辆过弯的抓地力。前轮浮举当然，F1赛车也同样会有前轮抓地力降低的问题，但在高速行驶时却不若摩托车来的严重，车轴上的负载会因为额外的空气动力条件下而加高，所以载四轮赛车上，前轮的浮举问题基本很少，也因为如此，MotoGP赛车开始朝向F1的解决方案发展。DUCATI可以被视为个中的开路先锋，这一项发展也间接地让他们把Desmosedici GP逐渐在赛场上取代了RC213V与YZR-M1长年的霸权。以Desmosedici GP为例，在大多数的状况之下，整流罩前端都以翼型的外观示人，DUCATI试图加重前轴负载来对抗刚刚谈到的载荷移转率问题，而在过去几个赛季中得到了不错的效果而让其他制造商也群起效之。摩托车在运动中的高度复杂性，也意味着关于这个领域的开发你不会总是能够得到好结果。当摩托车过弯时，车身是呈现倾斜的状态。 在倾斜的角度上空气力学也会跟着受到影响，随着倾角的增加，垂直于赛道水平的下压力比例也会降低，产生下压力的空气套件也同时会产生侧向力，而侧向力会将赛车拉出弯道，所以车手需要更大幅度的进行侧挂来抵抗。冷却问题从第一段我们论及到在早年的子弹型全包覆式整流罩设计或是各类型的空气套件，有很大的一部份也会被用在冷却制动系统之上，并且为引擎提供一组更顺畅的进气冷却通道，同时也需要考虑到车手的骑乘舒适性问题。冷却引擎、减轻车体重量以及透过改良的进气通道来控制阻力，进而提高性能。 引擎的进气冲压也是相同的概念，更多的进气代表了更好的发动机运作效能。未来进展就目前的状况来进行分析，除非FIM法规强行介入并强制做出改变，否则空气动力学的演变将会在未来的几年的赛季中持续的增加与进化。 各大制造商之间的竞争与开发将会推动赛会在技术审查的细节审视。车身上的翼型空气套件只是开端，车轮整流罩也已经逐渐开始出现在MotoGP的赛事中，并且各家车厂也正着手在相关领域上进行开发并寻找更好的解决方案。目前最大的问题还是在赛车倾斜时，整流罩下半部与车轮的一侧会比较接近地面，这也是替未来利用地面效应的可能性打开了一扇大门。 当然，这些科技都会暂时成为制造商的企业机密。 但在科技逐渐泛用的时间推移之后，将技术力移转至市售车款的应用也就不足为奇了。