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벨기에GP~싱가폴GP - 테크이야기 본문

F1/테크

벨기에GP~싱가폴GP - 테크이야기

알 수 없는 사용자 2015. 10. 28. 23:31
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안녕들 하신지요?

얼마만의 테크포스팅인지 기억이 까마득하군요. 아직 정상적인 생활패턴이 아닌 관계로 복귀후 날씨포스팅만 이어오다 오랜만에 테크이야기를 해보려 합니다. 숙제가 밀려 있군요. (기억을 거슬러) 후반기 접어들어 나타난 각팀들의 변화중에 몇몇 중요한 부분들만 골라서 간략하게 이어 나갈까 합니다. 쓰다보니 내용이 길어져서 벨기에~싱가폴을 먼저 올리고 멕시코GP때 일본~멕시코편을 포스팅 할까 합니다

 

 

먼저 스파에서 선보였던 메르세데스의 스푼리어윙입니다. 꽤나 입체적인 곡선을 동원해 디자인 됐는데 전형적인 Low Drag Design 그러니까 높은 다운포스의 댓가로 발생하는 많은 항력(Drag)을 조금이나마 줄이려는데 목적이 있는것이죠. 2014시즌부터 대폭 줄어든 전체 다운포스 총량 때문에 팀별로 여러 묘안들이 나왔지만 다운포스는 현행규정상으론 진작에 한계점에 도달한듯 보이고 할수 있는것은 드래그를 줄이고 난류를 잘 제어하는 방식으로 포커스가 맞춰지고 있습니다

 

 

뒤쪽에서 봐도 상당히 인상적인 모습입니다. 역시나 두툼한 앞전에 비해 날카로운 뒷전의 형상 즉 날개(Airfoil) 형상으로 만들어져 있는걸 확인할수 있습니다

 

 

스파에서는 위 사진처럼 두가지 버전을 같이 선보였는데 좌측의 것이 몬자버전이란건 쉽게 짐작할수 있는 부분으로 스푼윙에서 조금 더 다운포스를 덜어 낸 모습이군요

 

 

역시나 몬자버전은 로스버그가  FP1 인스톨랩에서 딱 1랩만 선을 보이고 곧바로 스파버전으로 갈아 끼우게 됩니다

 

 

근데 이 스푼리어윙이 낮설지가 않습니다. 기억을 더듬어 구글링을 해보니 이와 비슷한 개념의 디자인들이 의외로 많이 보이더군요. 2011시즌 윌리엄스의 FW-33의 이른바 "버킷리어윙"부터

 

 

페라리 F2008

 

 

좀더 거슬러 올라가 2005시즌 맥라렌 MP4-20. 이게 원조일 가능성이???

 

 

 

2013시즌 DRD(Drag Reduction Device : 드래그저감장치)와 함께했던 자우버의 C-32

 

 

이 사진은 메르세데스의 그것과 정말 흡사합니다

 

 

역시 비슷한 의미를 가진 맥라렌 2014시즌 MP4-29까지

 

 

아무튼 거의 탑팀들은 한두번씩 도입해 왔던 방식입니다. 레드불도 있었군요

 

 

스푼윙에 대해 설명하기 전에 전반적인 리어윙의 에어로플로우를 이해하는게 필요할듯 하군요. 일반적으로 프론트윙보다 훨씬 더 많은 다운포스를 발생시키는 리어윙의 윙플랩쪽 흐름은 위 사진처럼 어느정도까지 치켜 올려졌다가 전방에서 흐르는 자유류에 영향으로 급격히 수평흐름으로 복원하게 되어 있는데

 

 

리어윙의 뒷부분의 흐름은 이것과는 조금 다른 형태를 가지고 있습니다. 위 사진은 우리가 윈터테스트나 시즌 연습주행때 자주 볼수 있는 사진인데요. 리어윙 뒤편으로 상당히 정교하게 플랩에서의 이격없이 깔끔한 흐름을 볼수 있습니다만. 이건 어디까지나 에어로테스트런에서나 볼수 있는 광경이지요. 팀들의 에어로테스트런은 통상적으로 쿨다운랩 수준의 주행속도로 진행되거나 그보다 약간 빠른 정도로 진행되기 때문에 저정도의 결과물을 얻을수 있습니다만

 

 

조금만 더 속도를 높이면 위사진에서처럼 윙플랩 뒷편으로 유체의 이격(Separation)이 발생합니다. 실속(Stall)이란 표현도 같은 의미의 표현입니다만 윗사진에서는 상단의 메인플레인과 윙플랩 두장뿐 아니라 아래의 빔윙에서도 이런 이격을 볼수 있군요

 

대충 이런 그림이면 이해가 되실듯 합니다. 이건 우리가 차량을 운행하면서도 쉽게 실험이 가능한데 창문밖으로 손바닥을 펴서 수평이 되게 한다음 조금씩 받음각(AoA : Angle of Attack)을 높이면 어느 시점엔가 뒷편에서 발생하는 손바닥을 간지럽히는 난류를 느낄수 있을겁니다.....(이런 간단한 테스트라도 운전중에는 절대 하시면 안되고 동승석에 타고 있을때나 대충교통을 이용할때만 해야겠죠. 운전중에는 절대 위험합니다)

 

 

이런 난류들은 거니플랩이란 간단한 장치로 어느정도는 해결할수 있는데 이것 역시 받음각의 한계는 분명합니다. 단지 약간의 도움이 되는 정도이며 이래서 등장한게 날개자체에 좀더 곡선(Curved)의 형태를 주는 쪽으로 발전하게 됩니다

 

 

이건 리어윙에 가해지는 압력분포 상태를 시뮬레이션 한 CFD자료인데 바로 현대의 리어윙플랩의 단면입니다. 이런 자료 역시 F1팀에서 흘러나왔을 가능성은 거의 제로에 가깝고 역시나 테크쪽에 관심많은 공학도 출신의 자료들이 대부분입니다만 메인플레인 앞전과 윙플랩 앞쪽에서 다운포스 발생의 댓가로 상당한 고압상태(공기밀도)가 만들어 지는것과 반대로 뒷쪽으로 굉장한 저압상태가 형성되는걸 볼수 있습니다. 붉은부분은 드래그라 생각할수도 있겠지만 다운포스 그자체라 이해하면 되실듯 하고 뒷편의 하늘색과 파란색 영역이 이른바 차량의 후미에 발생하는 슬립스트림(후류:Slipstream) 즉 저압지역(Low Pressure Zone)입니다. 뭐 현대에도 이 정도이니 예전의 곡선이 덜 가미된 형태의 플랫형태의 윙디자인에서는 이보다 훨씬 강한 난류와 저압지역이 존재했을듯 합니다만 바로 이부분이 차량의 진행을 방해하며 붙드는 드래그의 실제모습이고. 이걸 좀더 줄이기 위해 고안된것이 코안다효과(Coanda Effect)를 응용한 현대의 윙디자인이 되겠습니다 

 

 

코안다효과 : 위 사진은 코안다효과를 설명할때 많이 사용되는 그림으로 유체가 물체의 형상을 따라 흐른다는 원리를 잘 보여주고 있습니다. 현대의 리어윙 디자인은 위와같이 흐름을 원할하게 하기위해 앞서 얘기했듯이 곡면을 강화하는 방식으로 발전해 왔습니다

 

 

또하나의 흐름 업워시 : 위사진에서 엔드플레이트 안쪽에 나타난 흐름을 잘 보실 필요가 있군요. 리어윙플랩 뒷전의 흐름과 연계되어 그 아래쪽으로 꽤나 간격이 떨어진 부분까지 리어윙플랩을 따라 에어플로우가 치켜 올라간 모습이 보입니다만 보통 Upwash라 칭하는데 우리말로 바꾸면 상승류 정도가 되겠네요. 리어윙 주변의 흐름변화가 워낙 강해서 그 하단부 기류까지 딸려서 올라가는 모습으로 디퓨저쪽 업워시와 더불어 대략 두개의 업워시 흐름을 뒷쪽으로 흘려 보냅니다. 위와 같이 정체되거나 갈곳없이 방황하는(?) 흐름을 줄이고 신속히 후미쪽으로 에어스트림을 빼내는것 역시 공기역학에서는 중요한 부분입니다

 

 

 

이런 그림 이제 너무 쉽습니다.....^^

차량의 리어쪽으로는 대략적으로 2갈래의 업워시가 있다고 앞서 말씀 드렸는데 세분화 해보면 모두 4개의 업워시가 존재하는데 위그림과 같습니다. (1) 리어윙플랩, (2)베기압(배기열)+몽키시트, (3)바디워크+플로어윗단+방열구, (4)디퓨저쪽으로 모두 합쳐 전체다운포스의 70%정도를 차지하는 리어다운포스의 흔적이기도 합니다. 여기서 2번 배기구업워시는 센트럴섹션부분 즉 중앙쪽에서만 나타나는 흐름으로 이런 좁은구역에서의 업워시만으로도 상당한 효과를 볼수 있습니다



대략 이정도가 리어윙플랩에서 생기는 상단의 업워시의 모습에 가까울듯 하고



그리고 나머지 바디워크와 디퓨저의 하단업워시 모습은 이정도에 가까울듯 하군요


 

 

 

이건 제가 그려 본 그림인데 검은 연기형태가 바로 저압지역이 후미쪽으로 만들어지는 모습을 간략하게 표현해 봤습니다. 이것과 똑같을리는 없겠지만 그냥 개념도로 보시면 될듯 합니다. 다운포스에 관한한 극강인 F1은 슬립스트림에서도 역시 타의 추종을 불허할만큼 넓고 긴 저압지역을 후미차량들에게 선사하고 있습니다. 홈스트레이트 직선구간에서 대략 1.3초갭까지 후미차량에 다운포스 감소 혜택을 주고 심지어 몬자같은 고속코너 파라볼리카에 이어지는 최장 스트레이트에선 1.8초 정도까지 후미차량의 다운포스 감쇠현상이 나타난다고 합니다. 그말은 후미차량의 속도가 빨라진다는 의미이죠

 

 

 

티타늄스파크가 발생하면 차량후미의 업워시는 상상이상으로 거대하다는걸 볼수 있습니다

 

 

여기서 잠깐!~~~F1중계중에 에어로플로우 현상을 눈으로 확인하수 있는 모습들이 가끔 있는데 습도가 높을때 나타나는 뱀꼬리(Vapour Trails)나 우천시 스프레이 현상으로 확인할수 있는 여러 흐름들이 있고 위에서 보듯이 트랙위의 신기루의 변화에서도 확인할수 있습니다. 몬자 스트레이트인데 물이 차있는 듯 어른거리는 신기루를 가른후 뒷쪽으로 한동안 신기루가 확연히 사라지는 모습을 관찰할수 있습니다. 슬립스트림이 만들어졌다가 소멸하는 모습이라 보셔도 무방할듯 합니다. 이런 화면은 뒷쪽배경이 방풍림으로 둘러싸인 스파나 몬자에서 자세히 볼수 있습니다



이건 차량후미로 어른거리는 열기로 확인해본 모습인데 페라리는 거의 다른 팀들과 대동소이 한 모습의 업워시가 일어나고 있습니다



역시 메르세데스는 제 눈으로 보기에도 확연하게 상당히 높은 곳까지 폭넓게 치솟는 모습. 이 화면뿐 아니라 서킷전체에서 유난히 메르세데스의 리어윙 윗쪽이 뿌연 경우가 많았습니다

 

 

리어윙 설명하려고 그림 참 많이 그리네요. 오늘따라 뭔가 좀 정신없는 중구난방식 설명이 되어 버렸습니다만 다시 메르세데스의 스푼리어윙으로 돌아와서 이게 로우-드래그 디자인이기도 하지만 부수적인 효과가 있을것이란 추측을 해봅니다. 바로 리어윙쪽의 업워시를 더욱 촉진시켜서 위그림같이 좀더 높은것으로 스트림을 날려보내 버리면 드래그가 줄어드는것 외에 후미차량에 제공되는 저압지역을 어느정도 줄일수도 있지 않나 봅니다.

 

 

이정도면 설명이 충분할것 같군요. 어디까지나 저의 자의적인 유추입니다만 이런 효과는 분명 있을거라 보구요 그 이유로 파츠가 투입된 서킷이 스트레이트에서 DRS 사용이 어느곳보다 중요한 스파와 몬자라는데서 그 근거를 찾고 싶군요. 결론적으로 메르세데스의 스푼리어윙은 다운포스는 유지하면서도 드래그를 줄여 직선스피드를 유지하고 더불어 후미차량의 슬립스트림에 의한 이득마저 최소화시키는데 목적이 있습니다

 

 

 

다음 얘기는 페라리의 프론트윙입니다. 케스케이드윙렛을 제거한 모습입니다

 

 

케스케이드윙렛(Cascade Winglet)은 프론트에 추가적인 다운포스와 타이어에 가해지는 전방풍압을 조금이나마 타이어상단으로 올리는데 목적이 있습니다

 

 

지금까진 페라리와 레드불이 2013시즌 몬자에서 처음 시도한 방법입니다만 금년엔 레드불은 시도하지 않았고 페라리만 스파에서부터 앞당겨 선을 보였습니다. 역시나 목적은 다운포스를 덜어내 직선스피드를 높이는 것이겠지요.

 

 

사진은 2013시즌 레드불의 몬자버전 프론트윙

 

 

그밖에 몬자에서 나타난 로우-다운포스 리어윙들의 모습입니다. 특히 맥라렌이 극단적인 셋업을 가져 가는군요. 거의 하위 포뮬러의 그것과 흡사합니다

 

 

레드불 역시 비슷합니다. 이제 몬자에서는 레드불도 다운포스를 포기합니다(작년부터였죠)

 

 

윌리엄스의 것이 좀 특이하군요. 윗부분을 잘라낸 모습인데 다운포스는 어느정도 유지하는 모습입니다. 아무래도 코너스피드가 부족한 편인 윌리엄스의 에어로 퍼포먼스를 잘 보여주는것 같습니다

 

 

윌리엄스의 리어윙은 마치 금년시즌 에어로가 강화된 인디카의 리어윙파츠와도 흡사한 모습이군요

 

 

포스인디아의 버티칼베인과 엔드플레이트 안쪽으로 테스트스티커가 붙어 있군요

 

 

노즈박스 옆으로는 고프로가 부착되어 있습니다. 아마도 프로트윙의 플렉싱(Flexing)을 관찰하기 위해서인듯 합니다. 이걸 하는 이유는 아마도 하중테스트는 통과하지만 플렉싱(벤딩)이 이뤄지는 프론트윙을 만들었고 이게 어느정도 휘는지 또는 중계카메라에 문제가 될 정도로 요동(Oscillating)이 있는지 확인하는 것으로 보입니다

 

 

싱가폴에서 선보였던 자우버의 숏노즈. 최고의 숏노즈인 레드불의 그것보단 긴 편이지만 그동안의 롱노즈에 비하면 장족의 발전입니다. 파일런도 조금은 폭이 넓어져 벤츄리효과를 조금은 더 볼수 있겠네요. 이제 롱노즈를 유지하고 있는 팀은 페라리와 포스인디아 두팀밖엔 남지 않았군요

 

페라리 플로어사이드의 스쿼츠슬롯(Squirts Slot)이 무려 8개에 "L"자형 마무리까지. 많다고 다 좋은건 아니지만 디퓨저사이드의 타이어난류 차단에 효과는 있겠네요 

 

 

프론트윙플랩 상단의 메인플랩과 하단의 세컨다리플랩 사이에 톱니바퀴 형태의 보텍스 제너레이터가 보이는군요.

 

 

플랩뒷면에 난류경계층을 만들어 공기흐름을 이격없이 흐르게 할 목적이나 스트림을 휘저어주어 타이어마블들이 틈새에 달라붙지 않게 하려는 용도로 보입니다

 

 

메르세데스의 디퓨저 센트럴섹션쪽에 보텍스제너레이터입니다. 이 각도에서 이렇게 디테일하게 찍힌 사진은 처음 보는군요. 역시 교본에 나와 있듯이 "八"자 모양으로 배열 되어 있습니다

 

 

용도는 위 사진과 같이 이격없는 에어로스트림을 위해서이지요

 

 

원래 후반기로 갈수록 이런 피토어레이(Pitot Array)의 사용이 줄어드는데 금년시즌은 시즌이 마무리로 향해 가는데도 각팀들이 활발하게 사용하는 모습을 볼수 있습니다. 아직 완전한 확정은 아닙니다만 내년시즌부터 윈드터널 사용에 대한 규제가 더욱 강화되면서 CFD에 대한 의존도가 절대적으로 높아질 예정인데 현행 CFD 연산능력마저 25테라플롭스로 제한되어 있는 상태라 트랙위에서 측정되는 실제 에어로맵과 CFD사이의 오차를 줄여나가는 작업이 그 어느때보다 시급해졌기 때문입니다. 아무리 좋은 컴퓨터와 프로그램도 역시나 많은 축적데이터가 뒷받침 되어야 높은 정확도를 발휘할수 있는 것이겠죠

 

오늘은 여기까지 입니다 저는 내일저녁 멕시코그랑프리 날씨예보로 찾아 뵙겠습니다 !!!

 

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