一级方程式赛车（F1）的历史上都经历过哪些王朝？哪些具有代表性的意义？

　　1906年第一届汽车大奖赛在法国举办。作为F1的前身，这一赛事一直持续到1949年(1936到1946年因为二战爆发而暂停举办)。之后的1950年FIA创建了世界一级锦标赛。至今100多年的最高规格的汽车运动中，，尽管赛车根本的原理没有变化。汽车能发生运动的基本物理定律并没有发生变化，但它的技术规则已经发生了非常大的改变，这是因为赛车手的技能、身体素质在进步，科技发展的水平也取得了非常大的进展，所以需要限制已有的科技来保证赛车运动能在人体所能承受的范围内，并且要控制车队预算能让更多的人参与进来。

　　FIA的世界一级赛车锦标赛为赛车的发展引导了一个新的方向。在这之前的赛车制造商参赛的目的在于提高品牌影响力，并期望能尽可能的多卖掉汽车(那个时候比赛中夺冠的汽车销量会很好)。赛车普遍的经典的前置后驱布置、窄的轮胎、空气动力学的设计也趋向于减少阻力而丝毫不考虑下压力。直到二战之后，相对宽松的技术规则才得以改变这种状态，行业的快速发展也鼓励着工程师们大胆改变对赛车的设计，使得赛车设计技术发展的十分迅速。战争对科技发展的刺激在战后得以显现，再加上个人及赞助商进入汽车大奖赛之后，不再受到以前的条条框框的限制，应用在赛车上的黑科技呈现出爆炸的趋势。在20世纪50年代到70年代，控制赛车性能的基础参数发展迅速，几乎被重新定义，而人们并没有满足于此，而是持续不断地在探索这些参数的极限。

　　1958年之前，汽车大奖赛已经高速发展了相当长的一段时间，当时的设计理念是：在赛车技术规则限制下，设计出最低重量，最低空气阻力，最大马力的赛车。赛道的设计也鼓励加速和最高速度，所以赛车五个基本参数中的四个参数被重点关注，那就是功率、重量、阻力、抓地力，空气下压力此时仍被忽视。

　　1958年之前所有的赛车中，1955年的MercedesW196作为经典的发动机前置设计的巅峰，拥有一个8缸，2.5升，自然进气，280bhp的发动机，倾斜放置来减小迎风面积并减小重心高度。结合后置式变速箱，赛车空载质量为650kg，(1433lb)。赛车手进入驾驶舱后，前后负载分配为47:53(无燃油)，40:60(有燃油)。因为燃油箱安置在尾部，所以随之燃油的消耗，负载的变化对赛车稳定性有一定影响，可以像LanciaD50那样通过把燃油加在pannier罐里面来消除这一影响。

　　W196的发动机让人们看出来梅赛德斯在战前赛车比赛中学到了非常多的东西，随着航空发动机技术的发展，其中一部分技术也被引入到赛车发动机当中。采用博世机械式燃油直喷系统来克服低转速、大口径化油器的空气与燃油混合的问题。应用了这种技术的发动机的转速可以达到8500rpm，高转速下如果气门只是随着弹簧往返，就会因为速度过高产生的相位差无法发挥发动机的最佳性能。这时引入的连控轨道阀驱动则克服了两个阀门的惯性力作用，进气和出气使用两套曲轴。

　　它采用管状空间构架底盘，前轮为双叉骨式悬架系统，后面为麦弗逊式悬架系统。钢板弹簧和摩擦阻尼器被淘汰，取而代之的是扭力杆和液压减震器，配合它的刚性构架，使悬架工程师能够真正的控制赛车的簧载质量和非簧载质量。大功率的伺服助力鼓式制动系统装在前轮和后轮，可以提供持续的制动力，而不会损失非簧载质量。

　　发动机前置和它的冷却方式主要决定了W196的车身外形，驾驶仓在空气中，油箱被布置在尾部，梅赛德斯公司还启用模型风洞去测试车体，并尝试打破陆地最快速度的记录。二战之前梅赛德斯就已经完全明白了减小空气阻力的机理。W196采用辐条式轮辋，胎面宽度比现在的小轿车轮胎还要窄(前轮6x16，后轮7x16)，胎面配方也与现在路面上的轮胎配方相似，其附着系数大概能达到1.0左右。从发动机构造技术和材料，以及燃油的组分来看，使用的技术都是一家战时研究航空发动机的公司的研究成果，这家公司无偿分享了他们的技术。尽管梅赛德斯在发动机前置的时代结束之前就从GrandPrix比赛中退出了，W196仍然可以称得上最富有科技含量的赛车之一。如果没有退出GP大赛，梅赛德斯肯定会将这些赛车技术推向更高的巅峰。

　　因为年代久远，W196的机动范围是估算出来的。它将近280的马力，重量大概750kg，轮胎的附着系数在1.0左右，一般速度在84km/h，最高速度可以达到180km/h，最大制动和转向加速度可以到到0.95g。假设气动升力可以忽略不计，则性能可以用图2.2表示。可以看到这个时期的性能参数范围很小，远低于人类能承受的极限，这预示着赛车性能参数在未来的60年还会有很大的发展空间。

　　这个时期的有识之士开始重新审视赛车的基本原理：方程式赛车虽然功率被限制，但可以减少整车重量和阻力来达到同样的性能效果。于是他们把更多的注意力和预算投入到制动、操控以及牵引性能上面，而不是像以前那样更加关注直线加速和最高速度指标上面。他们把这样的原则用在了F1的赛车上面，虽然他们用的发动机只是普通街车上用的发动机稍微改制了一下，无法与法拉利和玛莎拉蒂经过多年研究改进的发动机相比较；但这种赛车质量比较轻，而且他们用航空器的结构和设计技巧制造了轻质、刚性好的管状空间构架底盘，悬架软、减震器性能优异；后置式发动机使得赛车几乎达到了理想的重量分配，优化了牵引力性能。车体的设计理念是基于第二次世界大战时期的低速空气动力学的研究成果。他们引入了一个新的设计理念：车子的重量越少，各种组件的重量也可以相应减轻，比如更轻的刹车盘，更轻的悬架，更轻的变速箱等等。但更重要的是，燃油的消耗量也随之减少。实践是检验真理的唯一标准，在赛场上他们把那些笨重的发动机前置赛车远远甩在了后面。

　　20世纪60年代中期，管状空间构架逐渐被承力蒙皮结构的铝制单壳体所替代(这种也起源于飞行器技术)。这个时候，轮胎科技也有了长足的进步：可以生产低扁平率，宽光面轮胎(其实轮胎越宽就越难以生产，说多了都是泪)。胎面胶配方的升级可以把抓地力系数推到1.5以上。这个时候人们开始发现，空气下压力作用到轮胎上所带来的动力，要远比为此产生的阻力大得多。玩F1的人会奇怪自己之前怎么没有发现这种效果(是不是轮胎附着系数变大以后，使得下压力的权重更加大了)。这种现象被发现以后，大家都开始探索怎么产生最大的下压力和最少的阻力。到现在空气下压力才开始正式登上历史舞台，成为赛车五大基本参数之一。

　　结果就是翼片雨后春笋般地出现在赛车上，后来FIA更新了技术规则进行这方面的控制。这个时候的车体形状与以前有所不同，显然不是那种最低阻力的车身样式。LotusT72可以称得上这个时代最成功的赛车的代表。其使用的DFV发动机不管是尺寸，形状或重量都可以很好的与整车布置以及动力学进行配合。而且这一款不像其他大多数大功率发动机那样的昂贵，可以让大多数车队负担得起，所以很快出现在了Formula1的大多数赛车上面。这样，赛车设计者们就可以集中所有注意力和资源在研究底盘和空气动力学上面。

　　T72不仅开创了利用赛车体本身来产生下压力，把发动机的冷却系统安置在赛车的两边，还在悬架设计上下功夫，从新的宽轮胎上面得到更好的操控性能。新轮胎比MercedesW196所用的轮胎宽了近三倍，20寸低扁平光面轮胎配合最新的胎面胶配方和空气下压力，可以产生2g抓地力。此时产生的巨大加速度使得赛车的动力学更加复杂而难以应对，T72上配备了抗制动点头和驱动后座几何学构件，并引入了拉杆悬挂。此外，将制动片安装在底盘上来降低非簧载质量，也可以使轮胎不被制动产生的热量所影响。

　　这个时期快结束的时候，赛车拥有超过500马力的发动机，重量与上个时期的前置发动机相仿(空载质量为450kg)。轮胎变宽，空气下压力和空气阻力变大，最高速度并没有多大变化(这个时期发动机所增加的功率几乎全用在了提高加速、制动以及过弯能力上面，无非最高速度)。加速度、制动加速度、向心加速度比之前扩大一倍。

　　这个时期赛车引入了两项新的科技——地面效应和涡轮增压，两者都对赛车的基本性能有非常大的影响。除此之外还有很多应用在赛车上的技术取得了长足的发展，只是没有产生前面两项那么举足轻重，例如碳纤维加强材料、计算机控制系统、碳纤维刹车片、子午线轮胎、燃油化学。这些新科技和新材料的引入可以说像给F1的赛车打了肾上腺激素一样，逼得FIA不仅要制定安全措施，还要限制赛车的机动性能。

　　Chapman用整个T72的车身轮廓来产生下压力，让楔形车体的最顶部出现正向压力。而地面效应则会在车身底部产生低压，这样的一正一反让g值在几年内翻倍。FIA不得不限制地面效应的作用，例如禁止裙部，规定底部表面必须是平的。这个政策用了几年的时间才彻底达到了意想的效果，因为那些天才设计师在所有漏洞被堵住之前，一直想法设法规避技术规则。

　　1966年，技术规则进行更改，发动机从1.5升提高到3.0升(自然吸气)，也可以使用1.5升增压发动机。尽管发动机驱动的机械增压可以弥补发动机排量，但是没人使用增压式发动机。1977年，雷诺改变了这一切，根据勒芒比赛中所得到的经验，其在F1比赛中首次采用了涡轮增压1.5升V6发动机。第二次世界大战期间，美国就已经将涡轮增压技术应用在航空发动机上，这项技术20世纪60年代应用到家用轿车上。废气的剩余能量在涡轮机中扩散的时候，增加吸入混合器的压力，使发动机的输出增大一倍。动力的响应滞后严重限制了赛车手在赛道上的发挥，但是雷诺的赛车可以轻松在直线赛道进行超车，这引得其他车队开始进行效仿。

　　使用涡轮增压发动机(1983年的BMW&1984年的TAG－Porche)的前两个世界冠军都采用了Bosch燃油电子直喷系统，但这种发动机也有很大的缺陷。涡轮增压式的发动机很难在一个较宽范围的转速上精准给油。如果想充分挖掘发动机的潜能以及解决节气门响应问题，点火、燃油喷射以及冷却问题都是亟待解决的。

　　20世纪70年代，计算机辅助系统首先被应用在赛车数据管理系统上。之后1977年，计算机技术被进一步应用在主动悬架系统上(Lotusin1983)。

　　地面效应会使得悬架和轮胎刚度变得很大，悬架的振动频率增加后，暴露出铝制硬壳和铆接构成的车身结构的问题。在这之前的一段时间，碳纤维加强材料已经被用于车体板材的加固。所以随着设计师们对这种材料的熟悉，以及逐步发展的航空业，人们已经能成熟的对这种材料进行加工，自然而然的，CFRP成为了赛车结构件的首选材料。1981年，碳纤维加强材料壳体第一次出现。McLaren车队的碳纤维壳体由于美国的一家航空器制造公司——

　　进行制造，而Lotus的则是在自家的工厂制造的。人们对碳纤维材料抗冲击性能的质疑逐渐转变为认可，CFRP壳体成为赛车的标配。之后赛车上其他的钢制机械件逐渐被CFRP代替，就连镁铝合金零件也有被替代的趋势。高温、无法承受大的集中载荷以及FIA的规定是仅有的能限制其大规模应用的因素。表面为CFRP，内部为铝制蜂窝状的能量吸收结构在发生车祸时可以吸收大部分的能量，从而最大程度的保护赛车手。

　　接下来碳纤维材料和碳基复合材料应用在制动和离合上面，使这两个系统发生了革命性转变。高温摩擦和炭基材料的结构特性使得制动盘、离合片的尺寸和重量变得更小成为可能，因为这些材料可以在制动、高转速和高转矩情况下有比之前的材料更好的能量耗散特性。

　　米其林公司和其子午线赛车轮胎跟随着雷诺一同进入F1，子午线轮胎本身的优势和米其林公司的品质稳定性使得斜交赛车轮胎慢慢淡出历史舞台。子午线轮胎的胎体帘线层之间相对运动比斜交轮胎要少很多，使得轮胎生热较少，较软的胎面胶料得以应用。子午线轮胎中的带束层可以提供足够的束缚力，使轮胎在高速下也不会因为驻波效应发生破坏，并且带束层可以保证胎面与地面接触面积始终保持最大。这个时期的排位赛轮胎的最大附着系数可以达到2.2，正赛轮胎附着系数为1.7左右。

　　1984年之前，比赛时的涡轮增压发动机产生的功率比自然吸气式发动机大100马力，排位赛超车时这个数字可以达到200马力。配合上地面效应，最高速度下加速度可以达到5g。最大速度一如既往没有产生非常大的变化，只有很小的提升。如同上个时期的变化一样，这个时期的g-g-v图像再次横向扩张一倍，高度增大一点点。

　　下图为这个时期典型的赛车，1983款的LotusT95,1.5升涡轮增压雷诺发动机。

　　FIA已经禁止使用侧裙，并强制在车底加入平板来限制地面效应的作用。增压限制又使得车队不得不回归到自然吸气的时代，这时发动机功率在700-800马力左右。这些措施确实有效的限制了赛车ggv图像的进一步扩大。在没有重大科技突的时代里，设计师和工程师们索性就把更多精力投入到如何充分利用赛车已有的性能上面来。计算机控制系统的时代到来了。计算机控制系统几乎涉及到赛车的方方面面，传动系统的优化，车辆动力学，赛车手辅助控制。这些系统并不能在根本上提升赛车的基本性能参数，它们可以在一场比赛里面辅助赛车手将赛车一直控制在其极限性能的边缘。

　　如此多的计算机辅助系统使得赛车变得更像是一场纯粹科技比拼，而不再像是一种体育赛事。FIA又一次出手了(๑❛ᴗ❛๑)，帮助赛车手控制赛车的计算机辅助系统几乎都被禁止使用，之后空气动力学控制系统和主动悬架控制也被禁止。只有发动机参数控制系统得以幸免遇难。(回到化油器时代并不是什么明智的选择)。线控系统由于发动机制造厂商的极力坚持被保留了下来。半自动变速箱可以有效的保护发动机并因此可以节约非常大的成本，所以得以继续出现。至于差速器则因为本身算是纯粹的机械装置所以也保留了下来。

　　这个时期的性能提升主要靠轮胎，而且这几年轮胎厂商只有一家，所以各车队之间在轮胎方面没有竞争。尽管轮胎宽度受到限制，到这个时期的最后，赛车的制动加速度回到了5g，转向加速度也有4.5g左右。

　　这个时期赛车的典型代表为1993款的Williams-ReaultFW-15C

　　相对来说是一个没有神级科技诞生的时期。而且在埃尔顿·塞纳在圣马力诺大奖赛上丧生之后，FIA的紧箍咒更加的严格了。

　　有一段时间轮胎赞助商为固特异和普利司通，FIA使其轮胎性能限制在1996年的水平上，手段则是在轮胎圆周方向上刻沟，纵沟的数量要根据赛车技术的发展水平确定。

　　赛车的方方面面被限制的死死的，车队的大神们索性就对赛车进行各方面的优化。计算辅助设计和加工、复杂的台架试验，精密昂贵的试验设备，大量受过高等教育的工作人员，海量的资金预算，这些不可避免的把赛车运动引向了新纪元。

　　赛车加赛车手的重量600kg，压舱物70kg，发动机重量不到100kg，空载质量为450kg。发动机为800马力V10发动机，极限转速为18000转。发动机的每个参数都被微型计算机所控制。六速或七速半自动变速箱可以在20ms内完成换挡。壳体、悬架、车身、变速箱体和其他小的应力部件都由CFRP制造。

　　从外观看起来，每个赛车都是大同小异，观众则主要靠车身赞助商的广告分辨。然而赛车最主要的差别还是在它成千上万零件的精细设计中，CAE软件进行设计和模拟分析，在高达一千五百万英镑的风洞、五百万英镑的台架上进行反复测试，零件制造过程由机密的数控机床控制，在实际赛道的测试中用成千上百个传感器进行监控等等，这一切小而复杂的细节花费着越来越多的预算，只有那些拥有最多预算，最好的设施、最顶尖的人才的车队才能让他们的车手在赛场上奋力一搏。

　　性能基本还是限制在4.5g左右，牛逼的设计师和工程师们在空气下压力和轮胎宽度受到限制的情况下依然把赛车的最高速度推向了300km/h，这个数字在拥有长直线km/h。

　　从MercedesW196之后的45年里，赛车的五大基本参数发生了戏剧性的变化：

　　如果没有FIA的限制，赛车搞不好都飞出地球了(开玩笑)。FIA的限制很好的限制赛车的性能超过赛车手的身体极限，避免更多的惨剧发生。从图2.11可以看到，动力和下压力的每一个顶峰之后都是被规则压的死死的。现在的技术规则几乎渗透到赛车的方方面面，并随着赛车技术的发展更加完善，以保持赛车的性能在一个安全的范围内。

　　这幅图像最突出的地方也许就是给大家展示了每一段折现的斜率有些许不同。1967-1979年和1995年到今天这两段时期，同样是使用3升自然吸气发动机，但是两段时期功率增长的斜率差别还是挺大的。在20世纪70年代，功率增长速度为6马力/年，这个数字在后面这个阶段到了30马力/年，可以说是非常厉害了ヾ(◍°∇°◍)ﾉﾞ。但如果比较一下这两个时期的预算投入和每个车队工程师的数量就会发现，并非是工程师们的才智在这几十年发生了飞速的提升，而是预算和人员的数量发生了飞速的提升。

　　最大的ggv图像出现在1984年(图2.12)，从那以后，这个图像就再也没能继续扩张下去。那个时候的赛车排位赛马力可以达到1200马力，加上没有限制的平底车身，下压力之大得需要弹性系数为2000lb/in弹簧，这时的轮胎附着系数可以达到2.2，简直就是一头机械野兽，难以驾驭。但工程师们建立赛车模型，反复的测试获取精准复杂的数据，无数次的调校使得这台机械野兽变得容易驾驭。但这样又给人们带来了新的思考：F1作为世界顶级的体育赛事，如果每个人都可以去把赛车行驶在极限水平上，那么这个赛事的意义又在哪里呢。