设计时速 1000 英里的汽车

除了 20 世纪 60 年代和 70 年代的短暂中断外，英国工程师和车手在创下全球最快汽车的陆地速度记录方面一直发挥着主导作用。从 100 年前打破记录达到 124 英里/小时的 Lydston Hornsted 的 Benz No. 3 开始，到 1997 年突破超音速障碍达到 763 英里/小时的当前陆地速度记录保持者 Andy Green 的 Thrust SSC。

现在，Thrust SSC 的幕后人员为自己设定了一个更具挑战性的目标，即驾驶一辆名为 Bloodhound SSC 的新车创下 1,000 英里/小时的陆地速度记录。实现这一目标的目标日期是 2016 年，地点是南非的 Hakskeen Pan，他们在那里建造了一条长 12 英里、宽 2 英里的赛道。

此举旨在激励新一代英国工程师和科学家，在世界各地推广英国工程，并推出能够影响工程应用设计并促进英国经济发展的技术。

如何留在地面上

七年前我第一次与 Ron Ayers 和 Richard Noble 坐在一起，他们领导着 Thrust SSC。在那次会议上，我们讨论了这个想法，特别是将陆基车辆的速度提高到 1,000 英里每小时所面临的空气动力学挑战。就在这次奇怪的遭遇后不久，下面的照片出现在我在斯旺西大学（当时我正在那里攻读博士学位）的办公桌上。

图 1：尚未命名的 Bloodhound LSR 车辆的早期艺术家印象图

开始设计 Bloodhound 时的一个关键问题是：我们如何让汽车保持在地面上？这一点很重要，因为汽车在这种速度下有起飞的风险，就像飞机一样。相比之下，一架典型的客机的起飞速度约为 150 英里/小时。当然，飞机的推力是为了起飞，但对于时速 1,000 英里/小时的汽车来说，空气动力学上的任何错误都意味着灾难。虽然在最近的速度记录尝试中没有发生这种情况，但 1967 年唐纳德·坎贝尔 (Donald Campbell) 试图创下水上速度记录的一个例子说明了可能出现的问题。

整个上个世纪，技术发展和驾驶员的勇气不断创造新的陆地速度记录。尽管第一个记录是在电动汽车上创下的，但上个世纪上半叶，大多数记录都是由活塞发动机驱动的车辆所主导。这些内燃机，即众所周知的内燃机，几乎在所有现代汽油或柴油汽车中都有。使用这些发动机，记录最高只能达到 400 英里/小时。

为了超越，汽车制造商需要更多的动力。这时他们开始使用喷气发动机和火箭来驱动这些车辆。此时，随着速度不断提高，空气阻力变得不可忽视。汽车的空气动力学对于成功创造陆地速度记录至关重要。

更快、更强、更时尚

空气动力学是研究物体上方空气流动及其对物体产生的作用力的学科。描述这一现象的数学方程非常复杂，以至于在几十年前超级计算机出现之前，几乎所有的空气动力学研究都必须以风洞实验或火箭滑车试验的形式进行。

然而，现在我们能够通过使用超级计算机解决这些方程式来获得非常精确的数学模型。凭借更强大的处理能力，计算机可以运行“虚拟”风洞测试。流动必须建模，直至在微小长度和时间尺度上发生的流动中的混乱湍流。

但在解决问题的过程中，我们意识到让汽车的车头向下可能并不是真正的问题。事实上，只要车头离地面的高度恰到好处，我们就能够通过确保车头下方和上方的流速保持平衡，让汽车的前部几乎保持升力中性。相反，问题在于让汽车的后部保持在地面上，因为大型外置后轮和悬架会产生强烈的冲击波。

这种无法预料的空气动力学行为导致了为期 6 个月的后悬架优化研究，最终产生了“三角整流罩”设计，该设计最近发表在《汽车工程杂志》上。这种设计有效地保护了车辆的底部和底部免受汽车超过音速障碍时后轮产生的高压垫的影响。如果没有三角整流罩设计，Bloodhound 的离地速度将约为 0.9 马赫（音速的 90%），就像坎贝尔的车辆在 1967 年那样。

感受数字

在早期的会客室谈话中，我们没有预料到，让原始设计中的双进气分叉（分离式双进气）管道在整个速度范围内向 EJ200 喷气发动机压缩机表面输送合适的气流会如此困难。这最终导致我们恢复到驾驶舱顶篷上方的单进气口。

在早期，我们对汽车的稳定性没有真正的“感觉”，这反过来意味着我们真的不知道尾翼需要多大才能“保持尖端指向前方”，用我们的车手安迪格林的话来说。

在空气动力学设计的最初几次迭代中，我们几乎完全专注于车辆的外形应该是什么样子，并且仍在努力弄清楚 1000 英里/小时的速度是否可能，我们不断对计算机模拟预测的空气动力学性能感到惊讶。这真是令人紧张。我经常参加工程设计会议，面对其他工程师，我的报告大致是“这是模拟结果……我不知道为什么……给我点时间”。

最近的 Bloodhound CFD 流动可视化显示了流带和压力颜色轮廓

我们已经走过了一段相当长的工程设计历程。下图显示了从 2007 年到当前设计（配置 12）的设计演变过程。从这个设计演变视图中，您应该能够发现的一件事是，我们一直在寻找最佳形状。几何形状变化的程度越来越小。任何使用过任何形式的反复试验（这基本上就是我们在工程设计中所做的）的人都会熟悉这一点。但更重要的是，发生的其他事情是，对几何外观进行更改的空气动力学效应变得越来越可预测。

BLOODHOUND 外形设计从配置 0 到配置 12 的演变

事实上，随着车辆外观的最新细微变化，罗恩和我已经能够自信地直观地预测对空气动力学性能的影响，然后使用计算机模拟来检验这些直觉。作为一名空气动力学设计师，这是一个更快乐的职位。

当空气制动器展开时，溪流表面捕捉到猎犬号下游的复杂流动

但随着我们越来越接近 2015 年即将进行的车辆测试，问题在于这种可预测性是否会持续下去。作为一名学术研究人员，我希望尽可能多地了解计算机模拟在极端应用中的行为，从某种意义上说，我希望答案是否定的。有一组新的问题来困扰我们会更有趣。但就目前而言，我们必须耐心等待，建造 Bloohound。需要创造新的陆地速度记录。

本·埃文斯 (Ben Evans) 为 Bloodhound SSC 项目工作。

本文最初发表于 The Conversation。阅读原文。