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Porsche - 全新风洞

全新风洞

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测试站负责人豪克·斯图姆夫博士站在风洞直径 8 米的风扇前

空气动力学科帮助汽车提高转弯速度,实现低油耗。Porsche 研发中心空气声学的新风洞,让工程师更精确地探寻最小阻力。

速度 300 km/h 是一个非同一般的数字,只有超级跑车、赛车才能超越它,飞机亦可飞上云霄。但 911 Turbo Cabriolet在这样时速下依然表现稳定:除自重外,行驶风力借助空压动力系统让跑车紧抓地面,确保卓越的转向及直行稳定性。如何让跑车在高速下保持足够的下压力,同时实现最低的风阻力和油耗量——这是亟待 Porsche 魏斯阿赫研发中心的空气动力专家攻克的课题。

这毋庸置疑是一项严苛的挑战,外观的些微改变都将影响风阻和驱动力。因此每个新车型都将在风洞中进行测试。“精确是检测的第一要素。”豪克·斯图姆夫博士(Dr. Hauke Stumpf)说道,作为 Porsche 试验站主管,他同他的团队一道负责 2015 年年初投入运行的新风洞。“我们必须将动力计算精确至 1 牛顿。”1 牛顿相当于 100 克物体所承受的重力,相较一辆 1.5 吨汽车几乎不值一提,更何况当该汽车行驶时速高达 300 公里时,其自重还要加上空气动力所产生的下压力。

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911 Turbo Cabriolet 置身于风洞气室内,将在五道皮带系统上接受检测

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风扇电机功率达 7,000 千瓦

Porsche 魏斯阿赫研发中心早在 80 年代就建有运行良好的测试风洞。但仅仅“良好”对 Porsche 工程师而言远远不够,因此 Porsche 投资建成一个性能更佳的新风洞。“我们现在取得的测试结果更贴近道路实际情况。”斯图姆夫博士说道。更重要的是,之前样车只能在静止状态下接受测试,而现在它能动起来。当然汽车并不是真正的行驶,而是借助下方一套运转速度可达 300 km/h 的皮带系统,模拟车辆和地面之间的相对运动。唯有这样,车辆下方气流才与实际状态相似。因为在风洞地面静止的情况下,将形成一个不可忽视的边界层。空气在贴近风洞地面时将减缓流动速度直至停滞。但恰好在车辆下方和车轮龛中蕴藏着巨大的改善潜力,借助更佳的空气动力方案可大大提升效率和行驶稳定性。

带测量仪的皮带系统构成新风洞的核心。研发中心风洞特殊之处在于,研发中心的测试工程师可以在两种皮带系统中选择:一是五道皮带系统,每个车轮均配备其专属钢带,中间一道留给汽车底板宽大的运行皮带。“这样我们可以更精确地测试。”斯图姆夫博士说道。另一种则是单道皮带系统,车辆将在一条钢带上完成测试。这一系统更贴合实际状态,但测试结果精确性却有所降低。在“兼容并蓄”原则下,Porsche 决定将两种测试系统结合在  一起。重达 20 吨的皮带系统将通过吊车可在数小时内快速更换。

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多个麦克风帮助完成声学测试

皮带系统肩负的另一项重任是测量车辆所承载的风力。一个安装在地面的精密测量仪能捕捉车辆和车轮承载风力极其微小的变化,从而帮助工程师推算出空气阻力以及前后轴的升力和下压力。

由碳质叶片组成的直径 8 米的大型风扇为风洞提供风力。一部小型巴士大小的电机可输出约 7 兆瓦即 9,300 马力的动力。在时速达到 200 公里时,新风洞相较之前的风洞安静许多。因此声学测试不再需要交予外部服务商,在研发中心即可完成。这项测试与绝对噪音值并无多大关系,而是测试细节环节:一个特定的外视镜轮廓或者新的车门密封圈对于声波形成怎样的影响?针对测试道上的车辆,设有数百个麦克风,以最终在电脑上呈现车辆声波传播的三维图。

多项确定空气阻力的测试将在 130 km/h(高速公路常见时速)下展开。与此同时,在结构强度测试或赛车运动研发中提高风速亦非常重要。在尊重规则的前提下,通过卓越的空气动力系统提升竞争力,是保时捷的一贯作风。过去几十年里,Porsche 耐力赛赛车充分展现了其下压力的优势——从传奇的 956 到最新 919 Hybrid。

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气流道在测试车辆变窄,以达到 300 km/h 的气流速度

魏斯阿赫研发中心的新风洞并非单独设置,而是与设计、车间、空气动力研发部同在一幢大楼里。斯图姆夫证实这是 Porsche 有意而为之:“空气动力研发人员可在保证最高保密级别下快速测试设计方案。”美观外形同卓绝空气动力性能二者对于 Porsche 而言并不冲突。“因彼此相距很近,不仅促进了不同领域技术的相互融合,更增强了员工之间的交流。”

从董事会做出决议到新风洞运行,一晃4年已过去。似乎很长,却也很短。几乎所有部件都是特殊定制而成,全球仅少数几家供货商具备供货能力。风洞在完工后还将自行检测和调试。“如演奏会开始前须对乐器进行调音,风洞也要做好十足准备才能委以重任。”斯图姆夫博士说道。专家团队仅检测测试道的气流分布就耗时数周。为取得有效测试结果,这一 22 m2 的房间内风速偏差须保证在 1% 以内。 “而我们的结果远低于这一标准。”

辛苦的付出终有回报:当节能环保的新车型问世时,当 Porsche 赛车第一个冲破终点线,当下一代 Turbo 在北环赛道上再次超越自我时,将证明风洞专家们交出了一份漂亮的成绩单。

作者 Johannes Winterhagen
摄影 Rafael Krötz