除了在 20 世紀 60 年代和 70 年代短暫的中斷之外，英國的工程師和賽車手在創造地球上最快汽車的陸地速度記錄方面發揮了主導作用。從利德斯頓·霍恩斯特德的賓士 3 號車開始，它在 100 年前打破了記錄，達到 124 英里/小時，到目前的陸地速度記錄保持者安迪·格林的“超音速推進號”，它在 1997 年跨越了超音速障礙，達到 763 英里/小時。
現在，“超音速推進號”背後的團隊為自己設定了一個更具挑戰性的目標，即在一輛名為“尋血獵犬號”的新車上達到 1000 英里/小時的陸地速度記錄。實現此目標的預定日期是 2016 年，嘗試地點將在南非的哈克斯基恩平原，他們在那裡建立了一條長 12 英里、寬 2 英里的賽道。
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這樣做的希望是激勵新一代的英國工程師和科學家，在全球範圍內推廣英國工程技術，並推出將影響工程應用設計和支援英國經濟的技術。
如何保持在地面上
距離我第一次與“超音速推進號”的領導者羅恩·艾爾斯和理查德·諾布林坐下來交談已經七年了。在那次會議上，我們討論了這個想法，特別是將陸地車輛提升到 1000 英里/小時的空氣動力學挑戰。就在那次離奇的會面之後不久，下面這張照片出現在我在斯旺西大學的辦公桌上（當時我正在那裡完成博士學位）。
開始設計“尋血獵犬號”的一個關鍵問題是：我們如何才能讓汽車保持在地面上？這很重要，因為如此高速行駛的汽車有起飛的危險，就像飛機一樣。為了比較，一架典型的客機以大約 150 英里/小時的速度起飛。當然，提供給飛機的推力是為了讓它起飛，但對於以 1000 英里/小時的速度行駛的汽車來說，空氣動力學方面的任何錯誤都意味著災難。儘管這種情況在最近的速度記錄嘗試中沒有發生過，但 1967 年唐納德·坎貝爾試圖創造水上速度記錄時發生的一個例子說明了可能會發生什麼。
技術的發展和賽車手的勇氣在整個上個世紀不斷創造新的陸地速度記錄。儘管第一個記錄是在一輛電動汽車上創造的，但在上半個世紀的大部分時間裡，記錄都由活塞發動機驅動的車輛所主導。這些被稱為內燃機的發動機幾乎在所有現代汽油或柴油汽車中都能找到。使用這些發動機，記錄只能達到 400 英里/小時。
為了突破這一界限，汽車製造商需要更大的動力。那時，他們轉向噴氣發動機和火箭來接替推進這些車輛的工作。這也是速度不斷提高時，空氣造成的阻力變得過於重要而無法忽視的時候。汽車的空氣動力學在成功的陸地速度記錄嘗試中變得至關重要。
更快、更強、更流暢
空氣動力學是研究空氣在物體上流動以及由此在該物體上產生的力的學科。描述這種現象的數學方程非常複雜，以至於在超級計算機出現之前，幾乎所有空氣動力學研究都必須在風洞或火箭雪橇試驗中進行。
然而，現在我們能夠透過使用超級計算機求解這些方程來獲得非常精確的數學模型。透過更強大的處理能力，計算機可以執行“虛擬”風洞測試。流動的建模必須精確到在微小長度和時間尺度上發生的混亂湍流。
但在研究這個問題時，我們意識到保持汽車的鼻子向下可能不是真正的問題。事實上，只要車頭離地面的高度恰到好處，我們就可以透過確保車頭下方和上方的流速平衡來保持車頭幾乎處於零升力狀態。相反，問題在於如何保持汽車後部在地面上，這是由於大型外側後輪和懸架產生的強烈衝擊波造成的。
這種不可預見的空氣動力學行為導致了為期 6 個月的後懸架最佳化研究，最終形成了最近在《汽車工程雜誌》上發表的“三角整流罩”設計。這種設計有效地保護了車輛的底部和底側，使其免受當汽車克服音速障礙時在後輪上產生的高壓緩衝墊的影響。如果沒有三角整流罩設計，“尋血獵犬號”會在大約 0.9 馬赫（音速的 90%）的速度下從地面起飛，就像坎貝爾在 1967 年的汽車一樣。
對數字的感覺
在早期的客廳對話中，我們沒有預料到要讓原始設計中的雙進氣分叉（分離式雙進氣）管道在整個速度範圍內向 EJ200 噴氣發動機壓氣機面提供合適的流量會如此困難。這最終導致我們恢復到駕駛艙頂棚上方的單個進氣口。
在早期，我們對汽車的穩定性沒有真正的“感覺”，這反過來意味著我們並不真正知道要讓“尖頭向前”需要多大的尾翼，用我們的車手安迪·格林的話說。
在空氣動力學設計的最初幾次迭代中，我們幾乎完全專注於車輛的外部形狀應該是什麼樣子，並且仍然在試圖弄清楚 1000 英里/小時是否真的可能，我們不斷地對計算機模擬預測的空氣動力學效能感到驚訝。這並非無關緊要地令人感到緊張。我經常會參加工程設計會議，面對其他工程師，我的報告內容大概是“這是模擬所說的……我不知道為什麼……給我時間”。
我們經歷了一段相當長的工程設計之旅。下圖顯示了從 2007 年到當前設計（配置 12）的設計演變。您應該能夠從這種設計演變的視角中發現一件事，即當我們接近最佳形狀時。幾何形狀變化的程度已經變得越來越小。任何使用過任何形式的試錯法的人，這本質上就是我們在工程設計中所做的事情，都會熟悉這一點。但是，更重要的是，正在發生的其他情況是，對幾何外部進行更改所產生的空氣動力學效應變得越來越可預測。
事實上，透過最近對車輛外部的細微改動，羅恩和我已經能夠自信地憑直覺預測對空氣動力學效能的影響，然後使用計算機模擬來檢查這些直覺。作為一名空氣動力學設計師，這是一個令人更加愉快的位置。
但是，隨著我們接近將於 2015 年進行的車輛測試，問題在於這種可預測性是否會繼續存在。作為一名學術研究人員，我希望儘可能多地瞭解計算機模擬在極端應用中的行為，在某種意義上，我希望答案是否定的。有新的一系列問題讓我們困惑會更有趣。但是，現在，我們必須耐心並建造“尋血獵犬號”。需要創造新的陸地速度記錄。
本·埃文斯為“尋血獵犬號”專案工作。
本文最初發表在The Conversation上。閱讀原始文章。