F1車手如何火海逃生?汽車安全技術簡史

2020-11-30 18:18:21 作者:黃恒樂

  【太平洋汽車網 技術頻道】“如果塞納的戰車如這臺F1堅固,他今天或許還活著。”

  這是昨晚筆者看到格羅斯讓(Grosjean)從火海中逃出F1賽車殘骸時的第一個想法,因此立刻動筆寫了這篇文章。

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  事故發生在2020年11月29日,F1巴林大獎賽,哈斯車隊的格羅斯讓與紅牛二隊的科維亞特碰撞,格羅斯讓的賽車直接撞到護欄斷成兩截,炸出一團火球。

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  所幸的是,送院檢查之后,車隊宣布格羅斯讓只是受了輕傷,手臂和腳踝有輕微燒傷而已。

  強調一個重要的數據:格羅斯讓撞車時的車速是221km/h。

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  格羅斯讓在醫院中跟大家留言:“想跟大家報個平安,除了手之外,我都還好。謝謝祝福。以前我并不打算支持HALO系統,現在我得感謝它被引入F1賽場,沒有它就沒有我今天的這番話了。”

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  可惜車神塞納的時代并沒有如此高精尖的汽車安全技術。

  塞納墓所在的圣保羅我還沒去朝拜過,但塞納兒時偶像吉姆·克拉克犧牲的霍根海姆賽道及在博物館內的克拉克雕像,筆者此前倒是瞻仰過。天才的克拉克殉職于1968,足以封神的塞納殉職于1994。

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  用詹姆斯·亨特在電影《Rush》中的話來說,F1車手是在裝滿汽油的棺材中開車,所以不如及時行樂 —— “Sex, breakfast of champions.”(這句我就不翻譯了)

  如今,一臺全重只有600多公斤的F1賽車在200多公里時速下撞毀斷裂爆炸,車手還能自己走出廢墟,這便是汽車安全技術提升的鑒證。但是,從19世紀末汽車誕生至今,我們為此付出了極多的代價,在賽場和公路之上。

 
燈具

  1887年,汽車燈具誕生了,距離汽車誕生僅僅一年。

  實際上,馬車時代就有車燈,只不過當時的人直接把馬燈(蠟燭/煤油)裝到汽車上而已。1905年之后,乙炔燈開始在汽車上運用,不使用1879年發明的白熾燈是因為碳絲經不起顛簸。

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  等白熾燈的燈絲強度得到強化之后,鹵素燈已經出現了,并被運用到汽車照明用途之上,這一年才1925年,而這項配置目前還在運用,窮如筆者,一直都在買標配鹵素燈的低配車。

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  隨后,氙氣大燈(1992)、LED大燈(2004年)、激光大燈(2011)陸續出現,汽車外部照明越發清晰,配合上夜視系統(二戰德軍黑科技),簡直可以讓黑夜如白晝。

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軟性材質內飾

  1937年,克萊斯勒集團開始為旗下車型裝備軟性材質的中控按鈕與裝飾零部件。

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  這看似一個很普通的舉動,其實大有來頭。來自底特律的外科整形醫生Claire Straith(1891-1958),發現一個很簡單的道理 —— 車的內飾件多用軟性材質,臉砸過去的時候不就少受一點傷害嗎?

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  Straith醫生把觀點發布在醫學雜志上,并寫給克萊斯勒創始人。車內飾設計從克萊斯勒這一刻的努力開始,變得越發柔軟(材質)與圓潤(外形)。

  別忘了,這年代的汽車都還沒有安全帶。

 
三點式安全帶

  1959年,三點式安全帶誕生,將其帶來汽車業界的偉大企業叫做沃爾沃。

  發明者Nils Bohlin(1920-2002)是一名航空工程師,搗弄飛行員彈射器的工程學大神。大家都喜歡發他中年時期的禿頭圖,我選了張年輕帥氣的(下圖),讓大家了解一下技術大神也可以很帥的。

  鑒于彈射器工作時必然要把飛行員綁在彈射器上,不然飛行員就成為炮彈了……那么這種將人和座椅捆綁在一起的方式,是不是可以運用到汽車領域呢?

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  是的,且真的可以救下百萬的人,每年!

  從1959年沃爾沃PV544開始,安全帶成為了成本最低、拯救效率最高的安全配置。大家還記得前幾天WEY VV7被撞之后翻下20多米的高架橋嗎?WEY官方回應事件稱:不是WEY的堅固救了五個人,而是五人都綁上了安全帶,安全意識救了他們。

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  這一點我們得感謝沃爾沃,因為從三點式安全帶發明之初,沃爾沃就把專利免費開放給所有車企。

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  2019年,沃爾沃汽車啟動“E.V.A. 沃爾沃安全平等行動”,指出汽車安全開發領域的不平等問題(人人同等重要,反映在交通安全上也理應被平等對待),并宣布向全世界免費分享沃爾沃汽車60年來對汽車安全的深入研究成果和數據資料。

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車體潰縮區

  1959年,奔馳推出W111家族,成為全球第一款采用前后潰縮區車體設計的量產產品。

  這臺車將車身劃分為三大區域,包括中間保護乘員艙完整性的剛性區域,以及前后負責吸能變形的潰縮區域。

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  貝拉·博瑞尼 Béla Barényi (1907-1997)是這項發明的牽頭人,而其實他早在1937年就提出了這個概念并申請了專利,但這與當時業界的主流思路(整體都要硬硬硬)相差太遠,并未被接受。

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  奧地利人Barényi經過兩次面試才終于進入奔馳汽車公司,那一年是1939,這是一個敏感的年份,因為小胡子已經在搗亂了,汽車安全技術不再是高層關心的東西。

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  直至戰后的50年代,這種車體潰縮區的設計才被接受,奔馳將其量產并推廣到全球各地,車體結構安全進入了一個全新的領域。

  貝拉·博瑞尼 Béla Barényi 為什么被稱為“汽車安全之父”,那是因為他不僅發明了車體潰縮區,還“順便”發明了可潰縮式轉向柱,進一步防止在復雜操縱機械機構面前的駕駛者,在不可避免的碰撞中被方向柱擠死。

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  1963年,Barényi將可潰縮式轉向柱帶進了現實,但首次應用要等到W123車系中,也就是1976年發布的奔馳E級。

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  一旦發生劇烈碰撞,這種轉向柱會自動潰縮,拉開與駕駛者之間的距離,增加駕駛者的生存空間。還有一種結構的方向柱,會在碰撞瞬間與轉向機構脫離,避免轉向柱在此時因碰撞擠壓后移而擠向駕駛者胸前。

 
防火服

  1966年,諾梅克斯(Nomex)材質進入美國賽車圈,從此成為全球賽車防火服的標配材質。在此之前,說多了都是慘烈的悲劇。

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  Nomex的學名是聚間苯二甲酰間苯二胺,Nomex是杜邦公司給它起的商品名。Nomex芳綸阻燃纖維有非常好的尺寸穩定性,在250℃下的熱收縮率僅1%,纖維軟化溫度高達373℃,分解從400℃才開始。

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  因為有著很不錯的可紡性且手感柔軟,可以用來制作賽車服、消防服、宇航服都是杠杠的?,F場賽場上的車手、車隊人員、拯救人員都要穿全套的Nomex服裝,包括內衣、頭罩、襪子、手套等等。

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  大家還記得尼基·勞達(Niki Lauda)這位傳奇的F1三冠車手嗎?在《Rush》中的這位大公子爺,人生活得如此的勵志。

  在1975年,開著法拉利312T賽車的勞達奪得了法拉利自1964年以來的首個世界冠軍,但在1976年的德國大獎賽上(綠色地獄紐博格林),勞達失控撞墻成了一團火球,隨后又被后方賽車二次撞擊,勞達被困在車里活活燒了2分鐘。

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  正因為有防火賽車服,一代傳奇勞達得以幸存,可是因為困在車內時吸入了過量有害毒氣而肺部受損,臉部也毀容了(Rush編劇還杜撰了一段Hunt錘子哥暴揍嘴賤記者的片段,賊來勁)。當很多人以為勞達的職業生涯就此完蛋時,他只用了42天就重回賽場(劇中也有呈現,硬核男人賊帥)。

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  2019年5月20日,尼基·勞達因病去世,享年70歲。因為一件防火賽車服,他浴火重生,多活了43年,多拿了2座年度總冠軍獎杯。

 
安全氣囊

  1972年,通用汽車首次進行大范圍的安全氣囊現場試驗,并于1974年將安全氣囊列為旗下部分車型的選購配置。

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  如今,每一年都有數百萬人受到安全氣囊的保護而免受更大的傷害,這種你我都離不開的安全配置,其實來自于美國海軍工程師John W. Hetrick(1918-1999)突然的腦洞,他在一次急剎車的時候條件反射地用手擋住了女兒前傾撞儀表臺的頭,于是陷入了沉思。

  不是所有父親都有這位軍人的反應速度,他決心制造一種“汽車安全緩沖組件”,并于1952年在自家廚房的桌子上創造了出來。

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  只不過,這項專利并沒有為他帶來多少收入,直至1972年專利過期之后,車企們才專注制造這種安全配置(好雞賊?。?,世界上第一臺裝配安全氣囊的量產車要到1974年才出現,我們剛剛提到過。

  1996年,通用汽車推出業界第一個防止側面撞擊的安全氣囊;2002年,根據副駕駛座上乘員體重自動啟閉的安全氣囊誕生;2012年,沃爾沃首次發布“行人安全保護氣囊”,置放在發動機蓋內部。

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  2020年,裝備首款后排乘客安全氣囊的量產車誕生,它叫W223世代奔馳S級。

 
ABS防抱死制動系統

  1978年,奔馳與博世在W116世代S級上推出了首款量產ABS防抱死制動系統。ABS在實踐中大放異彩,在抓地力不良的路面上,它能讓車輪獲得物理可能上的最大制動力和最短制動距離,還能讓駕駛員保持對車輛軌跡的控制。

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  1992年,奔馳宣布旗下所有車型標配ABS。

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  實際上,ABS技術誕生得很早,英國人霍納摩姆在20世紀20年代發明了ABS,30年代便運用在鐵道車輪上,以防止車輪在制動時抱死而損壞鋼輪與鋼軌。1936,博世買下了專利(所以現在滿街都是博世ABS和ESP);1940年代,ABS裝備到飛機制動系統上。

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  直至70年代,ABS才終于進入民用車領域。

 
單體殼、全鋁、混合、碳纖

  1962年,吉姆·克拉克駕駛著F1歷史上第一臺單體殼(monocoque)賽車奔襲在賽場上,并在次年砍獲7個分站冠軍并奪得年度車手總冠軍獎杯。

  輕量化+剛性足,為克拉克奪得了極大的客觀優勢。

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  然而單體殼造價過于昂貴,直至如今只有賽車、超跑和部分新能源車有能力配備。你能買到的最便宜單體殼車體車型是寶馬i3,當筆者在2013年中看到寶馬i3發布的資料是的確有被震撼到 —— 這么輕、這么韌,這是唯一可以掏錢買到的“黑科技概念車”吧?

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  說起i3,筆者就要說說材質了。自始至終,鋼是目前車架與覆蓋件的最主要材質來源,厲害一點的用高輕度熱成型鋼,達到1500MPa左右不是什么問題。

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  另一種思路是奧迪與捷豹路虎喜歡的全鋁車身(車架),可以兼顧操控好、加速快,缺點是很貴、很難修。

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  現在連奧迪都舍棄全鋁了,用上了混合材質車身,在這一點上,寶馬7系、奔馳S級、凱迪拉克CT6等旗艦車型的開發團隊都非常認同。

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  那么,什么材質和結構是最好的呢?

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  暫時沒有定論,而F1賽車在用的碳纖維單體殼因為成本高上天,暫時沒辦法批量鋪貨。

 
HANS系統

  2003年,HANS成為F1賽事的強制安全裝置,而在此之前,HANS的推廣可謂慘淡。

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  我們可以輕易查到HANS = Head And Neck Support(頭頸部支撐系統),發明者是Robert Hubbard,美國密歇根州大學的生物工程學教授。

  HANS的原理很簡單,就是一種限位裝置,降低車手頸部和顱骨在碰撞中骨折的風險。Hubbard發明HANS之后被嘲笑了很久,逐漸就被遺忘了,直至1994年4月30日/5月1日這個黑色周末,羅蘭·拉森伯格(Roland Ratzenberger)與埃爾頓·塞納(Ayrton Senna)在圣馬力諾大獎賽的伊莫拉賽道相繼殉職,FIA的大老爺們終于被驚醒了。

  如果有了HANS,拉森伯格不會顱底骨折,塞納的傷勢可能不會這么重(當然另有一說是折斷的懸掛零件刺穿了車神的頭盔)。隨后,HANS終于被逐步推廣開來。

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  在民用車領域,我們不可能去設置HANS,但類似原理的保護裝置也是有的,比如與HANS幾乎得到同期推廣的沃爾沃頭頸部保護系統(WHIPS)。研究發現,除司機外,女性,尤其是個子較高的女性,在交通事故中更容易頸部受傷。 基于以上的研究成果,沃爾沃在1998年首次推出了搭載沃爾沃頭頸部保護系統(WHIPS)的安全座椅。 

沃爾沃安全啟示錄:保護每位交通參與者

  WHIPS可減少“頸部初始疼痛”30%,對持續一年以上的疼痛可減少超過50%。

沃爾沃安全啟示錄:保護每位交通參與者

  此外,WHIPS還縮小了男性和女性之間在面臨頭頸部安全風險上的差異,給予男性和女性同樣的安全防護。

 
HALO“人字拖”

  2018年,F1引入HALO系統,這是昨晚救場的大明星,實際上2017賽季FIA開策略小組會議時有足足9支車隊反對引入這種“人字拖”……

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  HALO系統就是車手座艙前面那個鈦合金保護圈,這個7公斤的零部件可以經得住12噸沖擊力,用F1官方的“王婆賣瓜”語術來說就是“扛得起一臺雙層巴士”。

  FIA極力推崇HALO,雖然加裝了HALO之后,車手表示"We never look straight anyways"。就連小黑漢密爾頓都吐槽,HALO是他見過最糟糕的賽車零部件。

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  這不打緊,安全第一比賽第二。在FIA根據40個真實事故案例數據的模擬測試中,采用HALO系統的賽車,駕駛員存活率提升了17%。

  從2018賽季開始,F1、F2、F3和Formula E都強制采用了HALO系統。

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  格羅斯讓在視頻中也感謝了HALO,因為1974年美國大獎賽的一次撞入護欄的類似事故中,沒有HALO保護的科尼格(Helmut Koinigg)直接被斬首了……

  如果沒有HALO,格羅斯讓就沒辦法跟我們說HALLO了。

 
駕駛輔助技術

  隨著第三次工業革命的發展,汽車也進入了全新的電子化時代,一批又一批的電子駕駛輔助系統從無到有、從貴到便宜,逐漸鋪裝到千家萬戶的汽車產品當中。

  最簡單的是幾百塊的倒車雷達和胎壓監測,傳感器精度不高,量產化進行得很早,在后市場混得風生水起,現在基本都成為汽車標配,前市場表示“這錢不給你們賺了”。

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  高級一點的如LDW車道偏離預警、BSM盲點監測(并線輔助)、AEB自動剎車輔助系統、HDC下坡輔助、ASR起步防滑、ACC自適應巡航、PA停車輔助等等。

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自動駕駛與無人駕駛技術

  無人駕駛技術,才是汽車安全技術的終極未來。

  自動駕駛與無人駕駛是自動駕駛技術在不同階段的稱呼,其中無人駕駛其實是自動駕駛的最高階段,筆者做一個表格跟大家簡單說說:

自動駕駛技術SAE標準分級
自動化水平SAE等級人類執行轉向/制動/加速人類介入程度機器介入程度
無自動化L0必須一直控制 全程全神貫注
駕駛輔助L1隨時接管3項全程全神貫注一部分路況提供輔助
部分自動化L2某些路況接管1-3項部分時間不需全神貫注部分時間控制汽車
有條件自動化L3必要時才需接管多數時間可分神多數時間控制汽車
高度自動化L4不需操作(特殊路況除外)基本啥都別理基本啥都管
完全自動化L5完全不需操作啥都不用管啥都管

  自動駕駛的終極目標是消滅方向盤、制動踏板和加速踏板,而目前中/美/德/日的主流企業均可以全面鋪裝L1駕駛輔助功能,有部分前沿企業(特別是豪華品牌)可以裝備靠譜的L2部分自動化功能(就是上一個小節聊到的那些),某些邊緣企業的L2純粹是擺設。

百年美系品牌老掉牙了?淺析美系車智能化

  L3是業界大金主們都在主攻的項目,目前在某些路況單一的路面可以實現,但各地法規其實還沒跟上節奏(中美除外)。L4與L5的區別在于是否全路況,而目前在美國加州測試的各種無人駕駛測試車均在追逐這個目標,每一年的排位都有變化。

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  說說數據。Miles Per Intervention數據(每英里介入數)是一個重要的指標,指的是“每兩次人工干預之間行駛的平均英里數”。

  以下數據是由加州車輛管理局(DMV,Department of Motor Vehicles)在今年2月發布的:

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  此前數年的數據均是Waymo(谷歌自動駕駛部門)與Cruise(通用/凱迪拉克Super Cruise)兩家牽手屠榜遙遙領先,2020年發布的2019數據榜單中,中國百度Apollo突然飆升至榜首,可見“神秘的東方力量”有多么強大。

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  不過百度Apollo只有4臺測試車,有點運氣成分,下圖可見百度的年度測試里程只有Waymo的14分之一,只有通用的8分之一。

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  總體來看,在美國加州擁有自動駕駛路測資質的64家公司里頭,多數都是中/美企業,這兩國妥妥的是不可超越的第一梯隊。

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  早在2014年,筆者就在上海試乘過通用打造的雪佛蘭EN-V 2.0自動駕駛車(抱歉沒有試駕環節),這臺被我稱為“美利堅人造先知”的自動駕駛車給我非常多的震撼,一時間文思泉涌,連夜寫出了數千字產業思考。

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結語

  保險經紀們可以拿格羅斯讓的賽車視頻去吆喝了:“有些東西你最好用不上,但只要用上一次,你會發現之前所有的投資都是值得的。” 畢竟,生命冇Take Two,值得。

  不過以上都不夠魔幻,更魔幻的是某些技術本身是拿來殺人的,現在卻用來救人。比如自動駕駛技術,它的淵源是德國V1巡航導彈,無人駕駛自動飛向倫敦,制造商之一就是大眾汽車,所以特斯拉根本不是什么自動駕駛先驅。至于自動駕駛系統需用到的全球衛星定位系統,原本是美國軍方拿來給飛機導彈指路的……

 ?。▓D/文/攝:太平洋汽車網 黃恒樂)

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