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F1카 프론트윙에 대한 이해 본문

F1/테크

F1카 프론트윙에 대한 이해

알 수 없는 사용자 2014. 9. 30. 07:37
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오늘은 프론트윙의 기본적인 구조와 각부분의 기능에 대해 살펴보도록 하겠습니다. 저 역시 F1차량의 에어로에 대한 부분은 많은 지식을 갖고 있지는 않아 깊이있는 해석은 힘들지만 알아두시면 조금이나마 이런부분에 대한 중요성과 이해도를 높일수 있기에 알고 있는 한도내에서 살펴보기로 하겠습니다​. 혹시 제가 잘못 이해하고 있는게 있다면 댓글로 피드백 해주시기 바랍니다.

 

근본적으로 F1카가 추구하는 공기역학의 모토는 "Maximum Downforce with a Minimum of Drag"이라 할수 있습니다. 프론트윙 또한 이 기준을 충실하게 지키고 있습니다만 대개의 경우 전체 다운포스 비율에서 프론트윙이 25%, 리어윙이 35%, 그리고 디퓨저가 35% 기타 5% 정도의 비율을 보인다 알려져 있지만 금년시즌엔 프론트윙폭이 좁아지고 리어윙의 로우어빔윙이 사라졌으며 배기에 의한 "코안다효과"  역시 금지되면서 대략 30% : 3​0% : 35% : 5% 정도의 비율이 나오지 않을까 짐작하고 있습니다. 현대 F1카의 다운포스총량이 시속 320km 이상일때 2.5ton에 달한다고 하니 비율로 따져서 프론트윙에 걸리는 다운포스만 ​얼추 max 600kg이 넘어 가는군요. 물론 이해가 쉽지 않은 이 수치는 계량한 수치가 아닌 계산에서 나온 추정치일 뿐이고 엔진이 낼수있는 퍼포먼스 절대치와 엄청난 드래그값 그리고 타이어의 마찰손실등을 제외한 상징적인 수치이니 큰 의미를 두긴 어렵지만 그만큼 엄청난 압력을 받는다 이해하면 될듯 하군요. 일반적으로 알려진 실제 순수 다운포스는 1,500kg 내외가 될것으로 짐작하고 있습니다.

 

 

 

복잡하지 않게 프론트윙 각파츠의 명칭과 더불어 세부설명을 하는게 가장 손쉬울것 같군요. 아래 사진은 금년시즌 메르세데스의 프론트윙 정면샷입니다 여기에 넘버링을 하고 하나씩 설명해 나가도록 하겠습니다. 이하로는 편의상 의례적인 존대어투는 생략하도록 하겠습니다.

 

(클릭하면 원본이미지)

 

1.Nose Pylons  2.Main Plane  3.​Main Plane Tier  4.Vortex Generator  5.Outer Arc  6.Foot Plates Arc  7.Cascade 8.Top Flaps  9.Wing Flaps  10. Flap Slot Gaps  11.Wing Flap Edge  12. Spar Support (Fixed)  13.Spar Support (Adjustable)  14. Wing Flap Adjuster  15.Cascade Winglets  16.​Main Flap  17.Vertical Strake  18.End Plate  19.Horizontal Blade  20.Foot Plate  21.Tyre Sensor  22.Cascade Support Vane  23."R"Cascade.

 

 

1. Nose Pylons - 노즈콘과 프론트윙의 연결부분 "Wing Pillar"라고도 부른다.

2. Main Plane - 프론트윙의 기초골격이자 플로어로 들어가는 에어로의 양을 결정짓는 주익(主翼)으로 중앙부에 벨러스트가 들어있다.

 

 

 

 

3. ​Main Plane Tier - 메인플레인의 양단쪽을 찢어 놓은 간극. 약간의 다운포스와 더불어 후방에어로의 양을 결정짓는 중요한 부분 메인플레인의 형태도 파일런과 마찬가지로 앞부분이 두툼하고 뒷부분은 칼날같은 형태를 취하고 있다​

4. Vortex Generator 우리말로하면 와류발생장치 정도 되겠다 의도적으로 작은 소용돌이를 만들어 박리되기 쉬운 층류를 약간의 드래그값이 있지만 에너지가 가미된 난류경계층을 만들어 주는 용도이고 자기차량에서 튕겨져 나온 타이어마블들이 틈새에 달라붙지 않게 스트림을 저어주는 부수적인 효과도 있다.

 

 

5. Outer Arc메인플레인과 푸트플레이트 사이에 둔 원호부분. 이 원호는 상단플랩까지 이어져 있으며(아래사진) 에어로의 흐름을 타이어 바깥쪽으로 부채살처럼 퍼지게하는 상당부분의 역할을 담당한다​.

6. Foot Plates Arc  - 프론트윙의 양단인 푸트플레이트 역시 아크를 두었는데 엔드플레이트가 타이어 중간지점쯤에 보텍스를 만들어 낸다면 이 원호는 타이어 맨아랫부분으로 보텍스를 흘려 보낸다​.생각해 보면 타이어 주위로 발생하는 난류들을 정리해주는 역할이겠지만 일종의 카나드(Canard: 귀날개)의 기능이 아닌가 하는 생각도 해본다.

 

 

 

아래의 몇개의 그래픽이미지는 F1카의 에어로스트림과 드래그(공기저항)를 나타낸 사진인데 보는바와 같이 붉은 부분이 높은 공기저항계수 즉 압력을 나타내는 곳이다, 프론트윙, 리어윙과 더불어 노즈엔드와 사이드포드 주위 그리고 노출된 4개의 타이어에서 가장 많은 드래그가 형성​되고 있음을 보여준다. 이미지에 나와있는 F1카들은 그루브타이어로 봐서는 1998~2008년 까지의 자료들로 현재의 에어로스트림과는 다소 차이가 있을수 있지만 어느정도 대략적인 개념은 엿볼수 있다. 프론트윙은 기본적으로 전방다운포스생성에 주목적이 있지만 프론트타이어에 가해지는 드래그를 감쇄시키는데도 상당한 기술력이 동원된다.

 

 

 

 

7. Cascade - ​최근들어 그 역할이 상당히 중요해진 부분이며 추가적인 다운포스 외에 브레이크덕트로 에어로를 유도(초창기 개념)하거나 좀더 타이어 윗쪽과 바깥쪽으로  에어로를 흘려보내 ​일종의 에어로쉴드를 만드는 것이 주목적이다. 여기서 발생시킨 에어로스트림은 프론트타이어의 윗부분을 흘러 리어타이어에 까지 영향을 주는걸로 알려져 있다.

8. Top Flaps - 윙플랩이 일체형으로 되어있을땐 필요치 않은 명칭. 역시 타이어바깥쪽 상단부위가 지향점이다.

9. Wing Flaps - 프론트윙 다운포스의 상당부분을 만들어내는 곳이다. 보통 2~3장으로 되어있으며 상단쪽 플랩은 각도조절이 가능하며 두개의 플랩사이로 브레이크덕트 인렛으로 들어가는 에어로의 대부분이 공급된다. 윙플랩의 각도상 약간의 에어로가 타이어 상단부와 부딪치기도 한다​. 역시 케스케이드의 도움이 필요하다.

 

 

아래 이미지는 노즈엔드와 프론트윙의 에어로스트림과 각 부분에서의 압력을 나타내는 CFD(전산유체역학: Comptational Fluid Dynamics)시뮬이미지이다. F1팀에서 제공된 자료가 아닌 테크니컬사이트의 한 네티즌의 시뮬자료이지만 프론트윙의 각부위에서 어떤 형태로 에어로를 형성해서 타이어에 대한 드래그를 줄이는지 어느부분이 압력이 높은지 어느정도는 유추해볼수 있다.

 

 

10. ​Flap Slot Gaps - 윙플랩과 메인플레인 또는 윙플랩간의 간극. 다운포스와 드래그의 절충지점. 과도한 다운포스는 노즈콘 연결부나 파일런을 부러트릴수도 있고 프런트윙 뒷부분의 에어로를 망가트릴수도 있다.

11. Wing Flap Edge - 윙플랩안쪽 날이 선 테두리부분. 이것 역시 Vortex Generator 일명 "Y250 보텍스"를 만들어 내는 곳이다. 여기서 Y250은 XYZ좌표의 Y축....즉 정면센터라인 250mm지점에서 만들어 낸 보텍스란 의미로 에너지를 가진 한줄기 소용돌이 만들어 사이드포드 디플렉터쪽으로 흘려보내며 좌우밸런스를 잡는데 약간의 도움을 주고 타이어안쪽(서스펜션, 브레이크덕트)의 난류들을 정리하고 리어쪽에 추가적인 다운포스를 만드는데 사용된다.

 

 

 

12. ​Spar Support (Fixed) - 윙플랩 날개의 "Spar" 즉 날개뼈대 지지대쯤 되겠고 상단플랩 고정 하단플랩 유격을 둘수 있다

13. Spar Support (Adjustable) - 역시 메인플랩쪽은 고정이고 하단플랩을 조정할수 있으며 역할은 역시 슬롯갭 간극조정이다.

14. ​Wing Flap Adjuster - 드라이버의 피드백에 따라 다운포스 조절이 가능하도록 볼트형태로 체결된 부위.결국 윙플랩 안쪽은 하단플랩이 조절가능하고 ​윙플랩 바깥쪽은 상단플랩만 각도조절이 가능하다.현행 규정상 최대 최소 플랩앵글은 6˚ 로 제한하고 있다.

15. Cascade Winglets - 케스케이드에 붙은 작은날개들. 역시 에어로의 지향점은 타이어상단부.

16. ​Main Flap - 윙플랩중 상단의 주익. "Upper Flap"이라고도 하며 하단의 플랩은 세컨더리 플랩이라 부른다.

17. Vertical Strake - 날카로운 칼날같은 이것 역시 약간의 보텍스를 생성시키는 역할.

18. End Plate - 팀에 따라 한장 또는 심지어 4장까지 여러형태를 보이는 프론트윙의 끝판이다. 하단부에 벨러스트가 들어 있으며 금년시즌 프론트윙 전체길이가 15cm 짧아진 관계로 에어로를 타이어 외부로 보내기 위해 팀별로 좀더 다양한 방법들이 동원되고 있다.

 

 

 

 

19. Horizontal Blade - 타이어 바깥측 하부로 하향와류를 만들어 보내기위한 보조베인이다.

20. Foot Plate - 말그대로 발판. 실제로 발을 딛으려고 만든건 아니고 엔드플레이트를 얹기위한 발판의 의미라 보면 되겠다.

21. Tyre Sensor - 타이어 온도를 측정할 목적으로 장착한 IR카메라 (Infrared Camera ; 적외선카메라).

22. ​Cascade Support Vane - 케스케이드를 지탱하는 지지대용 베인.

23. "R"Cascade - 케스케이드 안쪽에 설치된 라운드 형태의 보조윙렛으로 초기에는 브레이크덕트를 지향점으로 삼았으나 최근엔 타이어 바깥쪽 상단을 지향하고 있다(아래사진).

 

 

 

 

모든 윙디자인이 그렇지만 프론트윙 역시 기본적으로 베르누이의 정리에 기초한 기술로서 비단 날개의 단면적 모양만이 아닌 각날개의 설정각도나 여러갈래 에어로들의 압력문제 또는 여러 부수적인 에어로다이내믹을 총동원한 첨단기술력의 집대성이라고 봐도 무방합니다. 포뮬러의 규정변화에 따라 다르지만 후륜에 걸리는 하중보다 최대 ​10%가 차이나는 전륜의 축하중인지라 프론트그립을 유지하는게 상당히 중요한 부분이며 단지 무작정 다운포스만 늘리는게 아닌 리어와의 밸런스를 잡아 가면서도 드래그를 최소화시켜 가져가야 하는 면이 있고 프론트윙이 차량 전체의 에어로에 영향을 주기 때문에 각팀들이 상당히 공을 들이는 파츠이기도 합니다​. 실척과 축척모델 풍동실험의 사용시간 규제가 강화되고 CFD시뮬또한 연산능력이 제한되기는 했지만 기본적으로 에어로다이내미스트들의 영감과 아이디어에 의거한 디자인을 바탕으로 CAD와 CFD작업이 이뤄지고 현대의 발달된 RP시스템(Rapid Prototyping System: 급속조형방식)을 거쳐 금요일 연습주행에 투입되는 단계를 거칩니다.

 

 


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