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飞机和赛车都怕“脏气流”
在航空领域这样一种现象，大型飞机起飞后在它身后的中型或小型飞机，必须要间隔一段时间才能起飞，背后的原因是，避开大型飞机的尾部涡流，而尾流的主要部分是大型飞机的两翼翼尖处所会产生的翼尖涡流。这两股自下而上高速翻动的螺旋形气流，会向后、向下延伸，持续高速旋转，且旋转方向相反。两股涡流，内侧会形成强大的下降气流，外侧形成强大的上升气流。当中、小型飞机起飞进入这个空域，向下的气流会严重干扰到它们的正常飞行，甚至会造成飞行事故。
在F1围场内，也有类似这般气流干扰的情形。前车高速行驶过后，留下的是被它扰乱的“脏气流”（Dirty Air），后车因此无法产生足够的下压力（特别是前翼的下压力下降，让赛车操控性下降）、速度受到影响，造成了后车难以在弯道中跟车和超车，进而降低了F1比赛的竞争性和观赏性。那么，为了减少这种前车对后车的“脏气流”干扰，F1在2022年做出了划时代的变革，至此F1赛车进入了“地面效应”时代，也将F1赛车的空气动力学带入了新纪元。
“地面效应”和“文图里管效应”
同样，在航空领域也有“地面效应”这一词。当飞行器以很近高度贴近地面或水面飞行时，地面或水面阻挡了翼尖涡流的产生、中断了机翼的下洗气流，进而减小了机翼的诱导阻力，整个飞行器体的上下压力差增大，升力会陡然增加，飞行器也获得了比空中飞行更高升阻比。在冷战时期，以苏联阿列克谢耶夫（Rostislav Alexeyev）代表的中央水翼艇设计局基于“地面效应”开发了多款地效翼飞行器，其影响也绵延至今，航空业依旧在继续地效翼飞行器的探索。

昨天我们聊了让F1赛车“贴地飞行”的空气动力学原理，今天继续聊聊空气动力学如何影响赛车设计。
前翼的下压力和引导气流
首先，来看F1赛车上第一个接触前方气流的前翼。由它直接提供的下压力在整车的比例中虽算不上大，但它的设计直接影响后方部件的空气动力学效率。因此，它是整个赛车空气动力学设计中至关重要的一环。
和飞机的机翼一样，F1赛车的前翼在产生下压力的同时，翼面会产生翼后涡面，翼尖会形成翼尖涡流，同时还会使气流“上洗”（在机翼中对应的是，翼尖涡的作用下，气流向下倾斜，产生“下洗流”），它们一并影响着赛车中后部的气流流场空气动力学性能以及后翼的空气动力学效率。
所以，F1赛车前翼的一个设计目标就是更好地引导气流，使车头处的高速气流能够流向对赛车最有利的方向，比如通过增加翼尖端板（类似于飞机上的翼尖小翼）来引导气流恰到好处地通过轮胎。
另外，对于采用纵向多片翼面组合的前翼，这几组翼片的攻角越大，产生的下压力越大，但当超过一定幅度，又会导致气流分离（也就是“失速”），下压力不增反降，还会造成前翼的迎风面积大，使空气阻力增加。
对于飞机来说，升力是和飞行速度的平方成正比例的，那么对于F1赛车的“负升力”，即下压力来说也是同理。
后翼与底板各有所长
而对于F1赛车的后翼来说，车体后部的空气流动已经受到了前翼、前轮、后视镜、车手头盔、侧舱和排气管的影响，这就导致后翼的空气动力学效率低于前翼。但为了平衡赛车的操控性，后翼通常要产生与前翼基本相当（或更大）的下压力。
因此，为了避开赛车前中部某些部件产生的涡流影响，后翼的外形就并不见得一定是平直的，有的是中间凹下，有的是中间凸起，总之工程师会对翼型做专门优化，在密密麻麻的规则框架下，寻求以最优的角度、高度、翼型等来迎接气流，并产生既定的下压力。
F-4“鬼怪”之所以有着这样的尾翼设计，一个重要原因就是为了避开前方机翼湍流的不利影响。如果没有这样的一个下反角，比如在降落阶段的大迎角状态下（比如），机翼的下洗气流会影响要平尾的俯仰控制能力。
一辆F1赛车的下压力有三大主要“来源”：除了车体上部分的前翼、后翼外，剩下的就是来自赛车的底板和扩散器。
在2022年F1比赛颁布新规、引入“地面效应”之前，这三者对下压力的贡献率，因为不同年代、不同车队的赛车设计思路之别而有很大的差异，比如既有趋近于各占三分之一；也有大约20%~30%由前翼产生，30%~40%由后翼产生，底板和扩散器贡献50%等。

4月21日，世界一级方程式赛车锦标赛（F1）中国大奖赛在上海国际赛车场收官。
本届F1中国大奖赛盛况空前，对于赛车迷来说堪称一场难得的“嘉年华”，久违的发动机轰鸣热浪、赛车的风驰电掣，引发了全场山呼海啸的掌声与呼喊，令赛车迷久久回味。
在航空迷眼中，在这场关于地表速度的竞赛中，每一个转弯和直道都见证着空气动力学的无形“大手”如何将赛车稳稳地按在赛道上，让它贴地飞行，高速过弯。也是这双空气动力学的“大手”托举着飞机冲上蓝天，赋予人类一双翅膀。
本期，我们就从空气动力学的视角来聊一聊F1赛车“贴地飞行”背后的奥秘。
从升力到“负”升力，赛车贴地飞行
飞机之所以能飞起来，一种简单的解释是：空气流过机翼（通常是上表面向外弯曲的程度较大、下表面相对较平）的上下表面，上表面空气流速加快、压力变小（根据伯努利定律）；下表面的空气流速减慢、压力变大。上下翼面的压力差形成了托举飞机飞上蓝天的升力。
20世纪60年代末，后翼（也有称之“尾翼”）被引入F1赛车的设计中。自此，前翼和后翼就成了F1赛车上的标配。
而F1赛车上的前后翼，在翼型（翼的剖面形状）上就类似倒置过来的飞机“机翼”。
当空气流经F1赛车前后翼，下翼面气流流速高、压力小，上翼面的空气速度低、压力大，从而产生了“负”升力，即空气对赛车的“下压力”。

4月21日，F1中国大奖赛落幕。
“F1第一位中国车手主场首秀”、“时隔五年F1回归”、“F1中国20周年”，让今年“上赛”盛况空前，堪称今年中国最大的一场体育嘉年华。对于赛车迷来说，久违了的发动机轰鸣热浪，围场内赛车风驰电掣，携全场雷山呼海啸的呼声，在空气中留下尖啸的阵阵回响。
那么，在航空迷的眼中，这场关于地表速度的竞赛，F1赛车的每一个转弯和直道都见证了，有一双无形的空气动力学大手，正将赛车稳稳地按在赛道上，让它贴地飞行，高速过弯。也同样是这双空气动力学的大手，托举起飞机冲上蓝天、赋予人类一双翅膀。所以，这期早读，我们就以空气动力学的视角来聊一聊F1赛车贴地飞行背后的技术奥秘。
从升力到“负”升力，让赛车贴地飞行
对于飞机之所以能飞起来，简化下来的解释是：空气流过机翼（通常是上表面向外弯曲的程度较大、下表面相对较平）的上下表面，上表面空气流速加快、压力变小（根据伯努利定律），下表面的空气流速减慢、压力变大，上下翼面的压力差，便产生了托举飞机飞上蓝天的升力。而在上世纪60年代末，后翼（也有称之“尾翼”）引入到F1赛车上，此后前翼、后翼就成了F1赛车上的标配。而F1赛车上的前后翼，在翼型（翼的剖面形状）上就是倒置过来的飞机“机翼”。

根据《军事新闻》（Military News）等媒体的报道，美国空军特种作战司令部（AFSOC）发言人表示，由于“技术上的挑战”，美空军不再计划在针对特种作战任务的AC-130J武装炮艇机上安装空中高能激光武器（AHEL）。这意味着美空军持续多年的这一尝试最终划上了失败的句号。从目前公开的信息来看，AC-130J的激光炮项目已经进行了地面与空中测试。最终被叫停，并非因为技术上的失败，而是由于研发节点多次延误，错过了最后的时间窗口，使其在项目管理层面上不得不被宣告终止。AHEL项目的基本概念和方向由AFSOC在2015年提出，它旨在为固定翼飞机提供高能激光武器。目的是让飞机在近距离空中支援和拦截任务中，实现一种被侦测概率大幅度降低的隐秘攻击能力。其针对目标是包括雷达天线在内的通信节点、乘用车等轻型至中型载具、变压器等电力基础设备等，功率水平据披露可达60kW。2017年，时任AFSOC司令的布拉德·韦伯曾公开描述使用AHEL时的场景：“在没有丝毫爆炸声、呼啸声、重击声甚至飞机发动机嗡嗡声的情况下，造成关键目标永久性失去使用功能。”除了攻击的隐秘性之外，激光武器还有一些重要特性：很高的火力杀伤速度与持续性，后者常被美军人员比喻为“深弹匣”。AC-130飞机家族在型号发展到AC-130W和AC-130J Block10期间，曾一度取消了机上的105毫米火炮，代之以精确制导武器——包括“地狱火”导弹和精确制导炸弹。

4月2日，美国空军空战司令部发表声明称，目前正在改装6架F-16战机，令其在目前的无人驾驶测试基础上成为具备自主飞行能力、能够与有人机搭配作业的无人僚机。这一项目被命名为“毒蛇”，是美空军在无人机开发领域的新进展。在美国空军对未来的规划中，无人僚机有着举足轻重的地位，未来无人僚机将伴随F-35和六代机协同作战，成为有人驾驶战机的“力量倍增器”。而“毒蛇”项目中，随着为F-16研发的自主飞行软件的成熟，这些软件最终很有可能被应用在美军未来的无人僚机上。美空军对无人驾驶软件的探索综合美国科技杂志《大众科学（Popular Science）》与军事媒体“战区”的相关报道可以知道，自从人工智能（AI）技术出现之后，美国空军一直寻求将其应用在战斗机的智能化领域。2022年8月，由F-16改装的可变飞行模拟飞机（VISTA）在美国加州爱德华兹空军基地首飞。这款验证机最初被命名为NF-16D，首飞后被正式命名为X-62A。VISTA验证机最初诞生于20世纪90年代，最初是一款通过编程模拟其飞机飞控和操作系统的验证机，美军2019年改装了该验证机，开始测试由美国国防部预先研究计划局（DARPA）和美国空军实验室研发的两款自主飞行软件。这两款自主飞行软件分别是DARPA主导的“空战进化”项目（Air Combat Evolution，ACE）和美国空军研究实验室主导的“自主空战行动”（Autonomous Air Combat Operations，AACO）项目。前者主要针对战机在目视距离下的空中格斗，而后者则针对飞机自主导航以及可视范围之外的模拟战斗。这两项测试任务之所以同时使用VISTA验证机作为测试平台，是为了实现同一平台不同软件的自主性和兼容性，使得未来让战机可同时胜任多种战斗模式。在实地测试环节，以F-16D为平台的VISTA验证机并非真的“无人”驾驶，而是需要搭载两名飞行员：其中，前座通常安排一位航空工程师来监督自主飞行软件的运行；经验丰富的飞行教官则在后座，并接受一定时长的操控VISTA验证机的训练，以保障测试飞行的安全。美军之所以选择F-16作为自主飞行测试平台，主要的原因是其具有良好的气动设计，事故率较低，同时服役数量众多——这意味着一旦启动无人机改装，该机机群规模庞大，易于实现大规模的无人化，且成本较低。近日，美国空军空战司令部披露的“毒蛇”项目则是在VISTA验证机现有测试基础上更进一步，从模拟测试阶段过渡到实战可用的自主飞行能力。