09.18 「F1」“摸石头过河”到“架桥过河”,历史上的规则改变回顾

​​F1历史上每一次技术规则的变革,都是一次对于当时汽车工业技术或者工业科技的考验,然而每一个领域的进步都需要用巨额的经费来做支撑,最终各家车队上演了几十年的这场“军备竞赛”终于要被FIA叫停了,考虑到这项运动的成本越来越高造成的两极分化,FIA决定强行给大家扣上一定预算帽,统一的供应商引入、上要封顶的预算限制、拒绝复杂空力套件的态度,将会给F1的未来带来什么?作为观众的我们或许只希望比赛变的更精彩足以。2021年的这波浪潮即将袭来,是乘风破浪会有时,还是死在沙滩上?请听两年后分解。

那么,参考了F1官网的文章,一起来回顾下F1历史上的一些规则变革。


「地面效应」百家争鸣时代

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1977年对F1的车体设计而言是个划时代的一年,这一年Lotus车队发表了主导未来数年F1车体设计方向的Lotus 78赛车,让F1进入了所谓的「地面效应」时代。

这款由Lotus创办人Colin Chapman担任设计的Type 78赛车最大的特征在于底盘有效使用了能够增加外在吸力的文图里效应(Venturi effect),这大大提示来赛车在赛道上的抓地力与整体速度,我们所谓的“贴地飞行”。

Lotus车队的成功让其他车队开始追随他们的脚步,其中最著名的就是由Gordon Murray设计的「风扇车」Brabham BT46B,但是这辆BT46B赛车的速度实在太快,因此三届世界冠军Niki Lauda拿下1978年瑞典大奖赛冠军后BT46B与其风扇设计就被禁用了。


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虽然就理论来说车辆获得的地面效应越多赛车就能越贴紧地面并让赛车更快,不过现实并不是这么一回事—— 使用地面效应越多的赛车反而在路面越颠颇的赛道中更难以驾驭,尤其是车体如果碰撞受损时地面效应就会大减甚至消失,更快的速度与更高的G力也会加速消耗车手的体力并危害到其安全。

因此FIA决定在1981年针对地面效应做出部分限制,不过上有政策下有对策,设计出风扇车的Brabham车队推出了F1首款使用电子油压悬挂系统的BT49C赛车让部分禁令形同虚设;Lotus车队的Chapman则是决定不依赖当时仍不稳定的电子产品,而是将赛车底盘分为内外两组,但是在1981年美国长滩大奖赛一推出就引起轩然大波,并随即被宣布禁止出赛的双底盘赛车Type88。


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最终让各车队停止继续追求地面效应的原因还是因为1982年赛季一连串的意外事故:Nelson Piquet在巴西大奖赛结束后的颁奖台上因体力用尽昏倒,「Ferrari车队永远的王牌车手」Gilles Villeneuve在比利时大奖赛排位赛意外身亡,Rene Arnoux在荷兰大奖赛因地面效应失效而冲撞轮胎墙,Jochen Mass于法国大奖赛因同样原因冲向观众席,Didier Pironi在雨中举行的德国大奖赛遭遇的严重事。

一连串造成死伤意外的事故让FIA终于在1983年赛季正式下令全面禁止使用地面效应,已发展到走火入魔且无法自拔的地面效应时代就此画上句点,虽然Nelson Piquet于1983年驾驶的冠军车Brabham BT52 (下)的外观和1982年使用的BT50(上)相似,但这辆BT52已非昔日能够贴地飞行的地面效应赛车了。

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「电子战」与「车身安全」

F1在告别引发1980年代引擎性能大战的涡轮时代后,进入了电子化时代,当时为了能让赛车发挥更高的性能,各车队的工程师引进了各项耳熟能详的电子产品:半自动变速箱、主动式悬挂系统、循迹控制系统、刹车防锁死系统,以及起步控制系统等等;另外也有部分车队针对无极变速箱(Continuously Variable Transmission, CVT)与四轮驱动系统进行研究,不过这两项系统并未在F1正式登场过。

当然这些电子配备也引起了大型车队的另一场军备竞赛,这不仅使车队间的实力差距更加明显,参赛成本也随之飙升,三届世界冠军AyrtonSenna曾在Williams车队靠着电子主动式悬挂系统取得压倒性胜利。

「当你接触这种电子战争时,你会发现对车手这些东西感到束手无策,电子设备对赛道有自己一套的应对方式,车手们只要大胆踩下油门就行,我想这应该不是大家所想要看到的东西。」塞纳表示。

因此1993年赛季途中FIA宣布自隔年起禁用除了半自动变速箱以外,统称为「车手辅助装置」的电子系统,同时恢复了自1983年赛季以来取消的进站加油制,这次的规则大变化再次改变了F1赛车的设计方针。


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不过FIA贸然移除大部份电子辅助装置的行为引起了部分车手的担忧,虽然Senna是反对加装辅助装置的其中一位车手,不过他在隔年(1994)的季前测试结束后表示:「现在的赛车变得太快且难以驾驭,如果今年没发生大意外的话可说是相当幸运了。」


结果Senna的担忧在当年四月底的伊莫拉赛道成真了,这场与1960年比利时大奖赛并称为F1史上最黑暗一周的大赛发生了一连串的意外:

RubensBarrichello于周五排位赛的翻车造成本人与数位观众受伤;

Roland Ratzenberger于周六排位赛意外身亡;

Senna也在正赛中由于事故身亡;

一连串的悲剧再次让FIA决定降低赛车速度并提高车手在赛场上的安全性,而且是立即实行。

FIA在一个月后的西班牙大奖赛起开始推出了一连串修改规则,包括了缩小前鼻翼、尾翼等等空力套件的尺寸,动力方面则是缩小引擎进气口来降低动力输出,另外还有一个施行至今的规则——赛车底盘必须加装一片厚度为一公分,每场比赛只能磨损一公厘的木板以侦测赛车离地距离是否过低。

(据传这块木板的统一供应商是伯尼的前妻,且价格不菲)

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然后是阶梯状的底盘结构,底盘中间较为突出的设计预计能让底盘能够获得的下压力降低五成,同一时间FIA降低了尾翼高度与长度,另外引擎排气量从原本的3.5升缩小为3.0升来进一步降低输出功率。

这次的限制效果相当显著,以巴西站为例,Schumacher于1995年创下的决赛最快单圈纪录为1分20秒921,1994年为1分18秒455,单圈速度下降了约2.5秒,排位赛圈速更是降低了约四秒。

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车手安全终于也在这次的新版规则中获得重视,这次的修改中驾驶舱的开口与脚部长度获得延伸,宽度则是略为缩减以保护车手的肩膀,驾驶舱也得经过撞击测试才能装上赛车。


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这些规则上的修改虽然让车手们必须适应新的驾驶姿势,工程师们也得绞尽脑汁以符合FIA的需求,不过这些措施确实让安全度获得显著提升。

「条纹轮胎」与「窄体化的车身」

日本轮胎巨头普利司通在1997年正式进军F1与固特异展开竞争,新的轮胎供应商也成了提升赛车速度的助力。

速度的提升让FIA决定再次对规则开刀,时任FIA主席Max Mosley要求F1技术团队制定出能够有效阻止提速的新方案并想办法增加日益减少的超车机会,想当然的,这次的规则(1998年规则)又得让工程师们必须再次从头打造一辆新赛车。

第一个,同时也是从赛车外观最显而可见的规则修改就是光头胎被迫暂离F1赛场,取而代之的是前轮有三条,后轮有四条的沟的条纹胎,目的显而易见:降低轮胎的接触面积与抓地力。


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这次的规则修改也让两家供应商大伤脑筋,因为供应商得更改配方才能让新轮胎有和以往光头胎相同的耐久度,而且FIA还能更改轮胎的条纹数来控制车速进一步提升——1999年FIA将前轮的条纹数提升到四条,这让赛车的速度又略为下滑。


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第二个则是车身变窄了,这次的规则修改让车宽让原本的200cm缩短到180cm,虽然FIA缩减车宽的目的之一是为了让车手有较多的超车空间,不过车宽的缩减也大幅影响了1998年赛车的整体表现:

1998年赛车随着车宽的减小,轮胎的位置也得跟着索窄,这影响了赛车整体所能获得的空力效率,虽然各车队的工程师在之后慢慢掌握住了设计要点,不过整体来说1998年规则赛车比去年减少了约两成的下压力,另外车身的窄体化也使工程师们得全盘重新思考整体赛车的配重和重心点。

第三个则是刹车系统也跟着改变了,FIA宣布禁用如铍之类的稀土金属,此外每个车轮只能使用单一卡钳(最多六个活塞)、单一刹车碟与两块刹车片,同时刹车碟厚度也从原本的34cm缩减至28cm,FIA为了制造超车机会与降低参赛成本可说是无所不用其极。


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车手在比赛时的安全也在这次的修改中有了近一步的提升,FIA除了加宽后照镜使车手有较广阔的视野了解后方状况外,加大驾驶舱的最小尺寸、更严格的撞击测试与延伸至驾驶舱两侧的头枕让驾驶舱的安全性大幅提升。

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1998年起引擎规格统一为3.0升V10引擎,FIA这次的规则修改究竟有没有达到他们的目标呢?可以说有,也可以说没有。

1998年的揭幕站澳洲大奖赛拿下杆位的「芬兰飞人」MikaHakkinen的圈速为1分30秒010,比去年的杆位Jacques Villeneuve创下的1分29秒369只慢了约0.65秒,虽然FIA确实降低了赛车的速度,但这个下降幅度绝对与他们的预计有一段差距。


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总归一句话,要限制人们追求速度极限本来就是件难以办到的事情。

「KERS系统的引入」与「更窄的车身」

2000年代的F1赛车可说是赛车运动史上最注重空气力学的赛车,自1997年Mercedes车队的前身Tyrrell车队推出了加装于车侧的空力套件「X-wings」的025赛车后,工程师们可说是找到了新天地,这辆Tyrrell 025赛车让F1进入了极为讲究空气力学效率的「空力时代」。


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F1进入空力时代后,各队空力工程师为了让赛车拥有更好的空力效率而卯足全力为赛车装了各式各样的空力套件,或采取了与众不同的车体设计:

2004年Williams车队推出了FW26剑齿虎赛车,不过这个大胆设计在季中被认定是失败尝试而在同年匈牙利大奖赛改回较传统的前鼻翼设计。


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同样是在2004年,McLaren车队推出了拥有细长车鼻赛车MP4-19,不过这款由空力大师Adrian Newey设计的赛车发生了车侧进气口设计太窄的缺陷而使引擎常出现过热进而爆缸的问题。

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然后到了2008年,Red Bull车队推出了引擎盖「鲨鱼鳍」套件的RB4赛车,Honda车队也推出了拥有独特造型前鼻翼,被称作「小飞象」的RA108赛车,另外BMW Sauber车队的F1.08赛车前鼻翼也采用了类似RA108的设定。


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这些东西让FIA得出了「再这样下去不行」的结论:

第一点是这些空力套件的研发费用不便宜,为了开发更强悍的空力套件,车队势必会砸下大量资金让开发风洞全力运转,或著是不断使用流体力学模拟软件来求取最好的结果。

这边举个例子,Sauber车队为此在2002年花了近二亿人民币建造属于自己的风洞。(后来证实大部分的费用来自于Kimi转会迈凯伦的违约金)

第二点则是空力时代的赛车和地面效应时代的赛车一样敏感,而且空力时代的赛车让车手们要利用车尾气流超车变成一项相当困难的任务,使超车画面变得越来越稀少。

另外金融风暴与不断飙升的原油价格也算是原因之一,总而言之,FIA在2006年底决定对车身规则做久违的大开刀,由于规则到2009年才正式实施,因此F1赛车在2009年又带给了我们新的风貌。


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2009年规则的第一点就是整辆赛车基本上是要推翻重新设计了(2021年新规则有异曲同工之处),这次主要是为了增加超车机会,FIA与因应制定新规则而成立的增加超车机会小组讨论与研究了很长一段时间,结果在风洞测试中发现较高且较窄的尾翼能够制造出较稳定的尾流。


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还有就是较低且较宽的前鼻翼,这组前鼻翼在经过数次的风洞测试后获得了较容易利用前车尾流的结论,同时FIA也要求前鼻翼的设计必须简化,虽然理论上这套新前后翼能够增加超车机会,不过实际上这套新前后翼反而使超车更为危险。


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第三点则是原本分散在两侧的各种造型空力辅助套件消失了,这个也是FIA在制定2009年规则的重点排查区域,限制安装空力套件来避免破坏车尾流影响超车,同时也能降低各队的空力研发资金与降低车身能获得的下压力。


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第四点则是FIA决定让光头胎重返赛场,原因是让赛车下压力降低的部分由增加抓地力弥补。


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虽然FIA针对2009年规则赛车的空力设计做出许多限制,不过Williams、Toyota与Brawn这三支车队还是找到了一个灰色地带,那就是在赛季初期引发论战,能够有效获得下压力的双重扩散器,这个发现让Brawn车队在赛季初期获得不小优势。


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接下来我们来看2009年规则的动力部分,为了让参赛成本更为降低,FIA制定了一辆赛车但赛季只能使用八具引擎,同时也限制引擎最高转速只能到每分钟18,000转。

不过更重要的是F1在这一年踏出了油电混合动力化的第一步,那就是引进了动能回收系统(Kinetic Energy Recovery Systems, KERS),一圈能使用约6.67秒,可让赛车额外增加80匹马力输出的KERS系统由后轮刹车时产生的能量来发电并将能源储藏在电池当中,车手们则是透过方向盘的按钮来自行掌握这6.67秒的使用时机。


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原本FIA引进KERS的用意是希望能够增加超车机会,不过在实战中KERS反而造成了一些问题,其中一个是原本被视为进攻武器的KERS反倒成了防守工具,另外首次使用的KERS系统还有很多不成熟的地方:

第一个是漏电问题。Red Bull车队在测试KERS用电池时发生故障并引发火灾,一周后一位BMW Sauber车队工程师在检测时发生触电意外,所幸没有受伤。


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第二个是初期量产型KERS的重量相当重且稳定性差。KERS在引进首年只有四支车队(Ferrari、BMW Sauber、Renault与McLaren-Mercedes),KERS的启用首个赛季最后只靠着McLaren与Ferrari两队拿下三场胜利,因而造成隔年出现没有车队愿意安装KERS的状况。

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第三个则是KERS额外增加了各队的参赛成本。根据媒体的估算,Renault动力阵营在2012年的动力系统使用费约为1000万欧元,其中大约有一半是KERS的维护费、技术支援费与研发成本等费用,原本因为减少空力开发而省下的费用基本上被KERS都花了。


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