다운포스

다운포스(downforse)란 아래로 작용하는 공기의 힘이다.

다운포스 개요

다운포스는 공기저항을 받지 않게 가는 힘을 뜻하는것이 아니고, Down Force 즉 다운 -->밑, force -->힘 즉, 차량이 달리면서 차를 밑으로 누르려는 힘을 다운포스라고 한다.

등장이유

현대에 이르러 F1 카는 그 자체가 날개가 되었다. 다운포스는 음의 양력 (Negative Lift)일 이다. 다운포스가 큰 자동차는 더 큰 타이어 접지력을 생성할 수 있기 때문에 같은 곡률의 코너를 더 빠른 속도로 미끄러짐 없이 통과할 수 있다.F1 카의 다운포스는 어디서 발생하는 것일까? 다운 포스는 F1 카의 앞뒤 날개, 샤시, 바닥판, 배기구, 심지어 타이어에서도 발생한다. 이중 앞 날개와 뒷 날개에서 발생하는 다운포스가 전체 다운포스 발생량 중 약 5-60 % 를 차지하며 나머지 약 4-50 % 는 F1 카의 샤시와 바닥판 (Floor)으로부터 발생한다. F1 카의 앞뒤 날개는 비행기 날개를 뒤집어 달았기 때문에 다운포스를 생성하는 것이 아주 당연할 수 있다. 하지만 자동차 바닥판이 다운포스를 생성한다는 말은 잘 이해 되지 않을 수도 있다.F1 카는 지면과 차체 사이의 압력을 최대한 낮추어 다운포스를 높이기 위해 분무기의 원리를 이용한다. 공기가 좁은 통로를 통과하면 흐름이 빨라져 압력이 낮아진다. 이 원리로 분무기는 물을 빨아들이고 F1 카는 다운포스를 생성한다. 차체 하부를 인공적인 보울 (Bowl) 형태로 잘록하게 만들어주는 이 거대한 분무 장치를 디퓨저 (Diffuser)라고 부른다. 이 디퓨저 파트는 F1 카 뿐만 아니라 고성능 양산 차종에도 어렵지 않게 찾아볼 수 있다.다운포스는 앞뒤 바퀴의 축에서 측정된다. 트랙위를 달리는 F1 카의 다운포스는 공기 터널 (Wind Tunnel)에서 측정된 데이터가 탑재된 어플리케이션에 의해 실시간으로 모니터링된다. 다운포스 계산에 사용되는 로직은 간단하고 단순한 공식이다. 이 공식에는 양력 계수 (Lift Coefficient)라는 개념이 등장한다. F1 카 디자인의 양력 계수는 레이스카의 지상고 (Ride Height), 스티어링 각도, 엔진 스로틀의 세기 등의 변화에 따라 얼마나 큰 다운포스를 생성할 수 있는지를 나타내는 고유한 성능 지표이다. F1 카의 디자인은 공기 역학 효과를 극대화 시키기 위해 끊임없이 수정되고 개선된다. F1 카 공기 역학의 목표는 세가지이다. 첫째는 다운포스를 최대화하는 것이다. 다운포스는 앞서 살펴본 바와 같이 타이어를 더 많이 내리 눌러 코너를 더 빠르게 통과할 수 있도록 도와준다. 둘째는 공기 저항력을 최소화하는 것이다. 자동차의 직선 주행을 방해하는 드래그 (Drag)를 줄임으로써 더 빨리 달리기 위함이다. 하지만 설계 과정이나 실제 레이스에서 이 두 마리 토끼를 잡는 것은 매우 어렵다. 안타깝게도 이 두 힘은 반드시 동시에 커지거나 동시에 작아진다. 다운포스의 증가는 필연적으로 F1 카의 직선 속도를 방해하는 드래그 증가를 초래하고, 드래그를 줄이고자 한다면 다운포스를 희생해야 한다. “서로의 이득을 깎아 먹는 이 두 힘 사이의 균형을 어떻게 맞추어야 레이스에 가장 유리할 것인가?”에 대한 고민의 답을 찾는 것이 공기 역학 디자인의 세 번째 목표이다.

역사

다운포스의 역사는 대략 40여년 정도이다. 최초의 다운포스는 스위스 출신의 '미첼 매이'가 1956년 포르쉐 스파이더에 보조날개를 닮으로써 시작됐다. 그 차는 운전석 위에 3단부터 17단까지 조절할 수 있는 날개를 달아 차의 무게중심에 작용을 하게 하였다. 하지만 그가 우승하고자 희망했던 너버그링과 몬자 서킷의 검차관들은 이것을 허용하지 않았고 실제로 이차는 경주에 한번도 참가하지 못했었다. 1960년대 초기의 디자이너와 엔지니어들은 경주차를 유선형으로 만들어 공기저항을 줄이거나 차고를 낮추어 정면 면적(차를 앞에서 봤을 때의 면적)을 줄이는 것에서 벗어나 새로운 시도를 시작하였다. 저항을 줄이면 출력의 변화 없이 최고속도를 높일 수 있지만 코너링 때도 이 속도를 유지하지 못하면 랩타임(경기장을 한바퀴 도는 시간)을 줄이는 데는 별 효과가 없었기 때문이다. 그리고 아주 낮고 유선형인 프로토타입 스포츠카(주로 르망 경기에 나가는 차들)는 오히려 다운포스의 반대인 양력(뜨는 힘)을 발생시키는 현상이 벌어졌다. 이런 성능의 차이는 단지 다운포스 때문이라고 말하기는 힘들다. 왜냐하면 타이어나 서스펜션의 성능 향상으로 양력에 의한 불이익을 최소한으로 줄여 코너링 속도를 증가시켰기 때문이다. 그러나 다운포스는 르망 등 속도가 빠른 경주차에서 커다란 역할을 하고 정면 면적과 차속은 다운포스를 생성하는데 많은 관련이 있음을 발견했다. 그래서 경주용 자동차는 공기역학에 의한 양력을 줄이기 위해 스포일러를 장착하기 시작했던 것이다.

<그림1> 최초로 스포일러를 단 스포츠카 중의 하나인 페라리330

레이서들은 계속적이고 습관적인 경험을 통해 성능에 도움을 줄 아이디어를 생각해냈고, 얼마 안가서 거의 모든 스포츠카나 승용차에 스포일러가 장착되었다. 스포일러의 저항에 의해 직진속도는 감소하였지만 랩타임은 오히려 단축시킬 수 있게 된 것이다. 이것을 설명할 수 있는 유일한 이유는 타이어와 도로사이의 그립력이 증가하면서 코너링 속도가 증가하였기 때문이다. 이것이 뜻하는 것은 실제로 다운포스가 작용을 하기 시작하였다는 것이다. 그 후 뛰어난 레이서나 엔지니어들은 (거의 모든 사람이 망각하고 있었던)비행기 날개가 최소한 비행기 무게를 지탱할 만큼의 양력을 발생시킨다는 것을 유추해냈다. 만약 그렇다면 비행기 날개를 거꾸로 차에 장착한다면 차를 도로에 더욱 강하게 눌러주어 그립을 높일 수 있지 않을까? 그러한 혁신적인 아이디어를 구상한 레이서는 미국 출신의 '짐 홀'이었다. 그의 당시 경주차였던 'Chaparral 2E'는 날개를 달아 경주한 최초의 경주차였다.

<그림2> Chaparral 2E

스포일러는 경주차 성능에 있어서 혁명의 시작이었다. 곧바로 F1 경주차는 알루미늄으로 제작된 스포일러를 장착하기에 이르렀다. 그러나 스포일러 장착이나 설계 시 불충분한 계산에 의해 구조적인 결함이 생기거나 날개를 받치는 다리가 자주 부러져 나가고 말았다. 그래서 CSI(현재의 FIA-국제자동차 연맹)는 F1에서 날개를 완전히 금지시키기도 했다. 그러나 CSI는 F1 팀들과 협의를 통해 새로운 규정을 만들었고 날개는 변화되고 제한된 형태로 다시 허용되었다. 그 후 곧 모든 F1 팀들은 날개를 달았고 다른 경주에도 널리 보급되었다. 그리고 유럽의 유명한 자동차 경주인 '그룹2 살롱' 경주차는 단지 스포일러 뿐만 아니라 에어뎀과 '스플리터(Splitter에 대해서는 추후에 설명하겠음)'도 경주차의 앞과 뒤에 달았고, 제대로 된 날개를 차의 뒷부분에 달기 시작하였다. 그 후 자동차 성능면에서 가장 큰 도약은 1970년대에 시작됐다. 당시 콜린 챔맨이 이끌던 로터스 그랑프리 레이싱 팀을 위해 일하던 피터 라이터는 그 팀의 F1 경주차인 로터스 타입78에 'Ground effect'이라는 개념을 도입하였다. 어쨌든 전체적인 개념은 새로운 것이 아니었다. 이것은 1930년대에 디자이너인 '멜콤 챔벨'이 만든 차제바닥에서 생기는 다운포스에 대해 받은 특허와 비슷하였다. 카레이서 짐홀은 그의 경주차인 Chaparral 2J에서 차체 바닥의 압력을 낮추면 차가 도로에 굳게 붙는다는 것을 보여주었다. 그는 차의 뒤에 모터를 달아 차체 바닥에 있는 공기를 불어내 버렸다. 그리고 차체의 옆 부분에는 '스커트'라는 것을 달아 차체 옆에서 들어오는 공기를 막아버렸다. 그럼으로써 차체 밑의 저압을 유지할 수 있었다.

<그림3> Chaparral 2J의 옆과 뒤

그러나 F1에서는 공기역학적 장치 중 차체에서 움직이는 장치(차속에 따라 날개의 경사가 움직이는)를 금지시켰다. 이 규정을 교묘히 벗어나려 했던 사람이 바로 '고든 머레이'였다. 1978년 디자인한 브로엄 'Fan car'는 차 뒤에 팬을 달았었는데, 디자이너는 이 팬이 엔진을 냉각하는 것이라고 주장하였으나 다른 경주차에 비해 월등한 성능으로 우승함으로써 이 것도 역시도 금지당했다. 그 후에는 차체를 비행기 날개를 뒤집어 놓은 거대한 날개 형상으로 디자인하여 차체 바닥에 저압을 유지하게 하여 엄청난 양의 다운포스를 얻기도 하였다. 그 결과로 코너링 속도가 엄청나게 빨라지고 브레이크 거리가 상당히 줄었다(어떤 코너에서는 아예 브레이킹이 필요 없을 정도였다) 그러나 로터스 78의 그라운드 이팩(Ground effect)은 비교적 비효율적인 디자인 개념이었다. 그 다음해에 나온 로터스 79의 그라운드 이팩은 매우 아름답고 효과적으로 개선되어 그 해 우승을 차지하는데 성공했다.

관련 용어

• 리어윙(rearwing) : 날개형상을 하고 있는 자동차 부품으로 트렁크 후드에 장착되고 비행기의 날개와 비슷한 역할을 담당하나 주로 차를 바닥에 눌러주는 역할을 한다.
• '항력 : 어떤 물체가 유체(流體) 속을 운동할 때에 운동 방향과는 반대쪽으로 물체에 미치는 유체의 저항력. 항공 역학에 응용됨.
• 그라운드 이팩트 : 레이스카의 바닥을 한없이 낮추게 되면 바닥을 지나는 공기에 의한 부양력이 낮아지게 되니까 같은 힘으로 더 많이 짓누를 수 있어 다운포스가 만들어 질 수 있다.
• 카나드(canard) :

카나드는 차체 앞쪽이나 측면에 달린 작은 판을 말한다.본래 카나드라는 명칭은 비행기에서 주익 앞쪽에 달린 작은 날개를 말하는 것인데, 자동차에서는 날개라기보다는 그냥 판을 붙인 경우가 많다. 카나드를 적당한 받음각이 생기도록 설치하면, 주행중 다운포스가 생성된다.

• 에어댐(airdam) : 에어댐은 말그대로 차체 아래쪽으로 공기가 유입되는 것을 막는 장치입니다.차체 아래로 흐르는 공기를 막으면 여분의 공기가 위쪽으로 흐르면서 압력을 높이고,차체 아래쪽은 공기가 희박해지면서 압력이 낮아진다.차체를 낮추는 것도 비슷한 효과가 있다.
• 언더패널(underpanel) : 언더패널은 차체 바닥이 평평하게 되도록 설치한 판이다.차체 바닥은 각종 부품과 복잡한 차체의 형상 때문에 공기 흐름이 원활하지 않다.이때문에 고속 주행시 차체 하부 공기의 압력이 커져 차체가 위로 떠오르려는 경향을 보일 수 있다. 언더패널을 설치하면 차체 아래로 흐르는 공기통로 자체가 좁아지고 공기가 방해를 받지 않고 매끄럽게 통과하기 때문에 유속이 빨라져 다운포스가 생성된다. 고속주행시 양력 발생을 억제하는 효과가 있어 안정성 향상에 큰 도움을 준다.
• 다퓨저(diffuser) : 디퓨저는 차체 바닥의 뒷부분을 점점 높게 되도록 만든 것이다. 사실 디퓨저는 그 자체로 그다지 다운포스는 발생하지 않는다. 디퓨저는 다운포스보다는 드래그(항력)를 줄이기 위한 것이다. 사실 차체 아래쪽으로 쭉 삐져나온 칸막이 같은 것을 디퓨저로 알고 있는 분이 많은데, 이것은 공기가 흩어지지 않도록 달은 것입니다.

〈다운포스〉, 《내위키》

Dragnia, 〈스포일러 종류와 다운포스〉, 《다음 블로그》, 2008-03-21

김남호, 〈F1카의 공기역학 (2):비행기를 뒤집다〉, 《라이드매거진》, 2016-01-05