陆地飞行器
独家周刊
汽车因人类对速度的追求而诞生，而汽车的外形发展却一直坚持着一个原则——流线型，随着计算机技术的发展，汽车的工业设计结合数字建模技术和实验室技术的发展，流线型的追求越来越极致；而汽车的外形设计，最重要的就是应对速度和风阻的平衡，风洞实验室便在这一环节中扮演了研发的重要角色；我们还将谈及实际的汽车尾翼加装技巧，为你带来全方位的陆地飞行手册。
Part1 让汽车贴地飞行
速度与美学的设计
1886年德国工程师卡尔·奔驰发明了第一辆汽车，很长一段时间内，汽车是以敞篷的马车车厢作为设计蓝本，其实就是一辆“无马的马车”。随着技术进步，汽车速度提高，为躲避迎面而来的风，福特用挡风玻璃和木头制成的像箱子一样的车身开始采用。
然而，巨大的空气阻力阻止了车速进一步加快，设计师发现了汽车外形与空气阻力之间的微妙关系，于是应用流体力学理论的汽车被设计出来。1934年，美国克莱斯勒生产的“气流”牌小客车首先采用流线型车身，但这种超前的审美形式因不能与当时人们的欣赏习惯相适应而归于失败。直到上世纪40年代，随着德国大众生产的甲壳虫形车的普及，人们才感到甲壳虫的自然美运用到车身造型上也具有同样的魅力，于是“甲壳虫”成了流线型车身的代名词。
从此，为减小空气阻力、提高汽车速度与时尚造型、个性消费成为了汽车造型发展的重要环节。流线型的设计后来广泛流行，如今几乎波及到所有的产品外形，比如我们常见的笔记本、台式机、手机……都能看到流线型设计。
车身外形从马车形、甲壳虫形、船形、鱼形到楔形的演变经历了漫长的过程，如何控制汽车速度，更加符合空气动力学，成为现代汽车造型的关键。所以，我们看到追求速度的跑车，绝大部分都是采用减少棱角的流线型设计。
流线型设计降低油耗
发展到如今，城市汽车相对比赛用车、跑车来说，在速度的追求上有一定限制，汽车造型本应没有太多要求，但汽车造型会对油耗产生重要影响，因为行驶车速越快，空气阻力越大，油耗越大，而对汽车造型的优化，就会减小空气阻力，减少油耗。
在设计上，主要是通过减少汽车的迎风面积和空气阻力系数来实现，一般而言迎风面积取决于汽车的体积，空气阻力取决于车身造型。为此，汽车车身紧凑化和流线型是提高燃油经济性的途径。
目前许多轿车的空气阻力系数在0.28~0.3之间，对减少燃油消耗起到很大作用。设计师通过对动力传动系统、整车行驶系统的优化设计，提升汽车的节油性能。对于整车行驶，整个行驶过程中最大的阻力在于风阻和滚动阻力。滚动阻力主要来源于车重，而风阻却不同，一般情况下，风阻带来的消耗功率为W=CV3（C代表空气阻力系数，V代表车速），在同一条件下，风阻系数越小，1升油的利用率就越高。
根据实际数据的测试，每超过10公里会相应增加1升/百公里油耗，当一辆汽车以100公里/小时行进时，有60%的油耗是用来克服风阻的。
风阻系数降10%，油耗就降7%。通常而言，车身高度超过1.5米的汽车，其空气阻力系数比较大，与同类型动力系统的低车身汽车相比，不但行驶速度降低，而且燃油消耗量也增大。因此，空间、速度、燃油消耗量都是矛盾的组合体，只能求得一个合理的平衡点，不可能有面面俱到的汽车。
城市轿车的流线风潮
城市当中的民用轿车，在赛车、跑车身上学到了很多设计灵感，各个汽车厂商，不同系列车型的升级版，大多数都增加了线条感，以在速度感和空间使用方面得到平衡。这里我们以前不久在中国上市的新福克斯作为案例分析，该车身设计概念整车中，流线型的空气动力学优化得到了完美鉴证。
首先体现在车顶轮廓线的降低，前挡风玻璃更为前置，使汽车拥有更新颖的流线外形；其次为了消除不需要的阻力，发动机密封舱盖和发动机下面的护板使得车头完全封闭起来，从而让空气可以更高效地通过格栅流经冷却组件；然后通过车身底部量身打造的翼板，以及位置更低的导流板和前下唇空气动力套件、发动机舱底板和前轮后部导流板，对车底气流加以管理。
新福克斯同时也在车辆各个位置的细节上改进优化了空气动力学性能，在车辆侧面，优化的镜面设计减少了风阻，同时也使得风噪降至最低，并形成了对侧玻璃上雨水水流的引导；在车尾，从车下面流出的气流通过接合在保险杠上的扩散器加以引导，而增加的底护板也为进一步降低风阻做出了贡献；一体式的尾部扰流板把风阻尽量降低，还加强了车的稳定性；同时，尾灯侧面加上了一些微小细节，形成了更锋锐的边缘，使得从车侧流过的气流精确地在适宜位置离开车身两侧。
赛车的特殊造型
在电影电视的画面中，我们经常看到百舸争流般的汽车大赛。几乎每个人都会问一个奇怪的现象，方程式赛车的外形为什么这样奇特呢？方程式赛车的外形不同于城市中常见的汽车，它的车身更低矮，轮胎特别宽大，车前车后装有翘起的板，这是为什么呢？
赛车的车速高达每小时300公里以上，迎风阻力是以60公里时速行驶时的18倍，因此赛车必须具有极好的流线体型。赛车的车身造型是由一流的航空学家通过严谨的科学论证计算后设计的，并经过昂贵的风洞试验。好像一把梭子，又像一滴水滴，这种造型的车身使汽车在高速运动时空气阻力很小，气流从车身轻拂而过，车后不会形成漩涡，从而获得最高的速度。
任何物体在疾驶中都会产生很大的升力，就像我们看到飞机起飞一样，气流流过飞机机翼上下两面时，产生压力差，从而形成一股巨大的升力，将飞机托起，使它能在空中飞行。而这种升力对于陆地行驶的汽车就十分有害，它会使轮胎与地面的附着力减小，使汽车有向上飘的趋势，造成行驶方向的不稳定，使汽车失去控制。因此，赛车前后都有扰特殊造型的装置，作用是阻止气流流向汽车底盘、使车身下的压力减小、形成向下的负举升力、使轮胎与地面的附着力增加，这些效果增加了汽车的操纵稳定性。
赛车的轮胎也与普通汽车不同。赛车使用的是柔软而带黏性的轮胎。这种轮胎光滑，凹坑和花纹的面积很小，使轮胎和地面有尽可能大的接触，轮胎断面可超过50厘米，以获得最大的“贴地”性能，使赛车即使在转弯时也无需减速很多。赛车的后轮比前轮宽，是因为汽车无论在加速或转弯时，分量主要落在后轮，后轮宽，就不容易翻车。
方程式赛车奇特的造型决定了它具有车身短、起步快、速度高、行驶稳的特点，这些都是进行汽车比赛时必不可少的。
Part2 风洞实验室，验什么？
大家对风洞实验应该不会太陌生，风洞实验是了解物体空气动力学特征的一种实验方法。以汽车来说，通过风洞实验，设计师才能更好地了解车辆在道路行驶过程中空气动力的真实表现。如今车辆对于燃油经济性的要求越来越高，这就要求车辆的风阻系数要不断降低。要想改善风阻系数，与风洞实验就脱离不了关系了。
建造一个真实汽车风洞耗资巨大，所以目前世界上的实车风洞还不多，主要集中在日、美、德、法、意等国家的大汽车公司，而其他大部分汽车公司只能使用模型风洞对缩小比例的模型进行试验，其试验精度也相对低些。
能制造天气的风洞
我们来看看梅赛德斯-奔驰的风洞实验室。这一造价高达5200万欧元的风洞具有业内最高的测试水准，令工程师们无需坐等合适的自然条件便可随时对汽车进行测试。
位于德国辛德尔芬根的梅赛德斯·奔驰风洞实验室内，庞大的风扇能模拟出每小时265 公里的飓风，以测试车辆在这种极端天气下的性能及表现，可以将内部温度降至零下40摄氏度，以测试车辆的加热系统。在风洞实验室内，工程师们可以制造出多达每小时2400升的降雨效果。他们不仅可以控制雨量的多少，甚至连雨滴的大小都可以预先设定，模拟暴风雨可以检测车辆的密封性和挡风玻璃雨刷器的工作状态是否正常。
实验室的32盏灯组成的灯光群每平方米可产生1200瓦的热量，能在8米×2.5米的区域内模拟出阳光直射的效果。在极端条件下，风洞内温度可以达到60摄氏度，同世界上最干旱的美国“死亡山谷”或撒哈拉的气温相当。
在风洞实验里做什么
对于汽车工程师来说，在风洞里主要是通过真实模拟天气，尽可能地收集汽车的各种数据，从而进行相应的优化改进。
车身上方或下方吹过的气流将对行驶稳定性有着极为显著的影响。在某些情况下，气流甚至能把高速行驶的汽车从悬挂上托起，致使车辆变得难以控制。这个现象称为升力：当气流刮过汽车顶部时，由于车身的拱起形状，气流此时绕流的距离要比从车身底部流过的气流要长得多，并由此形成一个向上吸附的低压。这种可以使得飞机能起飞的力同样也会使汽车车身被抬高。
收集到气流的数据后，工程师就可以在车轮前设置一个小的分流条能使气流改道绕行。这样，气流就会在车轮罩旁边向车道方向吹过。此外，根据空气动力学设计成型的奔驰车型，前部挡板和安置在行李箱盖上或者车尾后盖上不起眼的分流器边缘都会减少车辆的升力，从而保证了车轮在路面上保持良好的附着力。
Part3 到底需不需要尾翼
尾翼，比较专业的叫法为扰流板，在很多运动型轿车和跑车上都能看到。
根据空气动力学可知，汽车在行驶过程中会遇到空气阻力，这种阻力可分为纵向、侧向和垂直三个方面的作用力。因为车体一般是一个不规则流线体，车辆将空气分开，空气从车辆四周流过，当流过车顶后，这部分空气会开始向下流动，而汽车会得到向上的升力，气流的速度会根据车尾的形状决定，而扰流板的作用就是降低车辆行驶中所受到的上升力。
尾翼细节大不同
现在市场上汽车用的扰流板有多种样式，赛车的扰流板往往位置较高，这是为了使气流直接作用在扰流板上，使气流产生的下压力不至于再作用在车身而抵消其效应，因此必须将扰流板离开车身表面安装。
很多运动型两厢轿车或者SUV（Sports Utility Vehicles，运动型多用途汽车）在车顶后部安装扰流板，使得车顶上的一部分气流被引流到后车窗表面，这样既可使车辆后部的升力降低，也可利用气流将后车窗表面浮尘清除，避免灰尘附着影响汽车后视野。
现在市场上尾翼的种类较多，价格从几百元至数千元，从材质上看，常见的尾翼有以下三种：
玻璃钢尾翼——这类尾翼造型多样，有鸭舌状的、机翼状的、也有直板式的，比较好做造型，不过玻璃钢材质比较脆，韧性和刚性都不大，价格比较便宜。
铝合金尾翼——这类尾翼导流和散热效果不错，而且价格适中，不过要比其他材质的尾翼稍重些。
碳纤维尾翼——碳纤维尾翼刚性和耐久性都非常好，不仅重量轻而且也是最美观的一种尾翼，现在广泛被F1赛车采用，不过价格比较昂贵。
安装优点：提高高速行驶稳定性
安装尾翼除了美观的作用外，更大的作用是高速行驶时可以为车辆提供必要的稳定性。尤其对大功率车来说，在高速过弯或通过复杂路段时，尾翼可以起到一定的平衡作用。
安装缺点：城市路况行驶增加油耗
从理论上来说，汽车表面的凸出物越少，线条越流畅风阻越小。增加的尾翼毫无疑问会增大风阻，由于大多数轿车以城市道路行驶为主，车辆根本达不到尾翼能够发挥作用的时速，这样体积越大，低速阻力就越大，再加上车身整体重量的增加，也势必会导致油耗的上升。
个性改装请注意
时下流行个性化改装，扰流板是对汽车两翼和顶端的气流进行控制，由于材料以及改装费用并不算昂贵，一些喜欢玩改装的车主当然会跟风而上，在可改进汽车性能的同时又得到了美观的视觉享受。
而实际上，汽车在低速行进时，气流对车的影响很小，尾翼的作用根本不大，只有当你的车的速度经常超过90km/h， 这时空气阻力明显地影响着汽车的行驶性能，安装空气动力学套件的意义才能体现出来。排量较小的汽车（小于2.0L的汽车）装扰流板作用不大，如果你从不飙车，尾翼的主要作用就是增加美观程度。
加装扰流板，对汽车的构造和扰流板本身的材质都有着一定要求，而且需要特定造型，比如一套尾翼装在富康上合适，不一定适合高尔夫，适合高尔夫的尾翼，不一定适合宝来。所以，追求个性的车主最好不要随意给车加装扰流板。不适当的加装，会增加汽车的风阻系数，提高车辆的实际油耗。当然，如果对汽车有深入了解，简单改装之后也确实会对汽车的性能有所帮助。
