F1 레이스 카

과학(Science)/공학 (Engineering)

F1 레이스 카

SURPRISER - Tistory 2024. 2. 6. 16:49

'포뮬러 원(F1: Formula 1)'은 '국제 자동차 연맹(FIA: Federation Internationale de l'Automobile)'에서 주관하고 'FOM(Formula One Management)'이 상업적 주관을 하는 최고의 국제 자동차 프로 레이싱 대회이다. 305km를 넘는 거리를 달리며, 최후 승패가 0.01초 차이로 정해지기도 한다. 순간적인 최고 속도로는 시속 370km를 넘는 기록이 수립되기도 하며, 저속 코너에서도 시속 100km 이상의 속도를 낸다. 이런 기록을 실현하는 것이 진화를 거듭하는 F1 레이스 카이다. 2022년에는 F1의 규정이 대폭 개정되어 F1 레이스 카의 디자인도 크게 바뀌었다. F1 레이스 카에 숨겨진 테크놀로지의 진화에 대해 살펴보자.

0. 목차

'공기 역학'을 이용해 속도를 올린다.
인간과 컴퓨터의 공동 작업
환경을 배려한 엔진
포뮬러 E 월드 챔피언십
'F1 레이스카' 갤러리

1. '공기 역학'을 이용해 속도를 올린다.

자동차 경주의 승패를 가르는 것은 무엇일까? 1970년대 자동차 경주의 3대 요소는 '엔진(Engine)', '타이어(Tire)', '드라이버(Driver)'였다. 하지만 최근에는 거기에 '공기 역학 기술(공기 역학에 근거한 설계 기술)'을 더해 하루가 다르게 발전하고 있다. 지금 F1 엔지니어가 가장 신경 쓰는 것이 '공기 역학(Aerodynamics)'이다. '공기 역학(Aerodynamics)'은 공기 자체의 운동과 그 안에서 운동하는 물체에 공기가 미치는 영향을 다루는 학문이다.

차체 설계에 대한 연구를 통해 공기를 제어해 차체를 노면에 누르는 힘인 '다운 포스(Down Force)'를 발생시켜 타이어의 '접지력(Grip Force)'을 높임으로써, 고속으로 커브를 돌 수 있게 한다. '접지력(Grip Force)'은 타이어와 노면의 밀착성을 이르는 것으로, 타이어가 노면을 잡고 있는 상황이나 그 성능을 말한다. '다운 포스(Down Force)'는 공기 역학적으로 차체를 노면 쪽으로 억압 하향시키는 힘을 말한다. 현재의 F 레이스 카는 공기 저항을 줄임과 동시에, 차체 전체로 '다운 포스(Down Force)'를 발생시킨다. 차체를 옆에서 보면, 항공기 날개를 역방향으로 설치한 것처럼 공기가 흐른다. 날개가 항공기를 밀어 올리는 '양력(Lift)'을 F1에서는 역방향으로 이용한다.

일반적인 날개의 단면은 앞이 둥글고 뒤쪽 끝이 뾰족한 형태이다. 공기는 형태를 따라 흐르는 성질이 있기 때문에, 날개 뒤쪽 끝이 아래를 향하면 공기의 흐름은 아래 방향으로 휘어진다. 이에 대한 반작용으로 위쪽으로 발생하는 힘이 양력이다. F1 레이스 카는 공기를 바닥 아래로 밀어 넣은 후, 뒤쪽에서 위쪽으로 방출함으로써 양력과 역방향의 힘을 얻는다. 예컨대 2022년의 레이스 카 '레드불(RedBull) RB18'은 차체의 바닥이 뒤쪽에 올라간 구조여서, 차체 뒤쪽에서 위로 공기가 빠진다. 차체 뒤쪽의 하부에 달린 '정류판(Diffuser, 디퓨저)'는 공기를 위로 빼기 위한 가장 중요한 부품으로써 각 팀이 활발히 개발하고 있다.

1950년에 F 경주가 시작된 당시에는 공기는 적으로 여겨져, 공기 저항이 적은 '유선형(Streamlined form)'의 '시가 모양'의 차체가 주류를 이루었다. '유선형(Streamlined form)'이란 물이나 공기의 저항을 최소한으로 하기 위하여 앞부분을 곡선으로 만들고 뒤쪽으로 갈수록 뾰족하게 한 형태이다. 공기를 이롭게 이용하는 설계는 1968년에 '페라리(Ferrari)'와 '로터스(Lotus)'가 날개 모양의 윙을 장착함으로써 처음으로 도입되었다.

2. 인간과 컴퓨터의 공동 작업

예전에는 디자이너의 천재적인 재능에 의해 탄생한 공기 역학 설계를 통해 경주에서 승리하기도 했다. 예컨대 1991년의 '베네통(B191)'은 차체 '노즈(nose)'를 높이고, 거기에 '프런트윙(Front Wing)'을 달아 지면에 닿을 듯한 위치에 놓았다. '하이 노즈 콘셉트(High nose Concept)'라고 불리는 이 설계를 통해, '프런트 윙(Front Wing)'과 '노즈(Nose)' 사이에서 유입된 대량의 공기를 뒤쪽으로 흘림으로써 '다운 포스(Down Force)'를 늘렸다.

최근에는 '컴퓨터 시뮬레이션(Computer Simulation)'과 인공적으로 공기 흐름을 만드는 '풍동 실험(Wind Tunnel Test)'을 반복해, 인간의 상상을 뛰어넘는 최적의 형태를 설계할 수 있게 되었다. 다만, 컴퓨터는 '통풍구(Radiator Grill, 라디에이터 그릴)'의 모양을 최적화하는 일을 하고, 어디에 '라디에이터 그릴(Radiator Grill)'을 만들 수 있는지를 판단하는 일은 인간의 몫이다. '인간의 아이디어'와 '시뮬레이션 기술' 덕분에 '공기 역학'은 더욱 진화하고 있다.

3. 환경을 배려한 엔진

F1 레이스 카의 엔진에는 다양한 배기량과 형식이 적용되어 왔다. 소형이면서 높은 파워를 추구하는 경향은 1980년대 후반의 '터보차저(Turbocharger)'가 달린 엔진을 통해 파워 증가의 정점을 이루었다. '터보(Turbo)'는 배기가스의 흐름을 이용해 터빈으로 압축한 공기를 엔진에 보내 공기를 늘림으로써, 연료를 강하게 폭발시켜 엔진의 출력을 높인다. '터빈'의 '관성 모멘트(회전하기 어려움)'을 줄이고 내열성을 향상시킴으로써 성능이 높아져, 1989년에 규제하기까지 '터보 엔진(Turbo Engine)을 탑재한 F1 레이스 카는 압승을 거두었다.

F1 레이스 카는 환경을 배려하는 관점에서도 진화하고 있다. 2014년부터 브레이크를 걸 때 사라지던 에너지를 전기로 바꾸어 재이용하는 '에너지 재생 시스템(Energy Recovery System)'을 조합한 '하이브리드 엔진(Hybrid Engine)'이 채용되었다. 배기가스의 열도 전기로 바꾸어 사용한다.

4. 포뮬러 E 월드 챔피언십

2014년에 시작된 '포뮬러 E 월드 챔피언십(Formula E World Cahmpionship)는 '전기 자동차(EV: Electric Vehicle)'가 겨루는 경주이다. '포뮬러 E 월드 챔피언십'은 전기 자동차의 보급과 더불어 주목받고 있다. 2022년 8월에는 한국에서도 개최되었으며, 2024년에는 일본 도쿄에서 개최된다고 한다. 현재의 '포뮬러 E'는 배터리의 용량이 아직 충분하지 않아, 전속력으로 달릴 수 없어 아쉬움이 남는다. 'F1'과 '포뮬러 E'의 차이는 시판하는 '가솔린 자동차'와 '전기 자동차(EV)'의 성능 차이와 비슷하다. '포뮬러 E'가 'F1'과 같은 속도로 달리는 시대가 되면, 시판 '전기 자동차(EV)'도 많이 보급되었을 것이다.

'포뮬러 E'에서는 모든 팀이 같은 레이스 카를 사용하며, 파워를 결정하는 모터의 출력은 상한이 정해져 있다. 따라서 각 팀은 모터와 전류를 직류에서 교류로 변환하는 '임팩터(Impactor)'의 효율을 높여, 에너지 손실을 줄이는 개량 등에 힘을 쏟고 있다. 효율을 올리면 보다 높은 출력으로 달리는 시간을 늘려, 경주 내내 빠르게 달릴 수 있다.

5. 'F1 레이스카' 갤러리

5-1. 알파로메오 159(Alfa Romeo 159)

발표 연도: 1950년
특징: F1 여명기의 명차

'알파로메오 159(Alfa Romeo 159)'는 1950년에 개막한 F1 세계 선수권 대회에 출전한 경주에서 전승한 '알파로메오 158(Alfa Romeo 158)'의 진화형 레이스 카로, 1951년에 투입되어 연승하는 데 공헌했다. 차체는 단순한 통 모양이다. 당시의 규정에서는 배기량 4.5L의 자연 흡기 엔진과 배기량 1.5L의 터보 엔진이 인정되었으며, '아파로메오'는 직렬 8기통 터보 엔진을 탑재했다. 425마력을 과시했다고 한다. 엔진은 차체 앞쪽에 탑재되어 있으며, 정면에 '통풍구(Radiator Grill, 라디에이터 그릴)'이 보인다. 앞뒤에 폭이 가는 홈이 팬 타이어를 장착한 것도 당시 레이스 카의 특징이다.

5-2. 혼다 RA301(Honda RA301)

발표 연도: 1968년
제조사: 혼다(Honda)
특징: 경량화한 바디와 강력한 엔진

'혼다 RA301'는 '혼다(Honda)'가 제1기 F 활동 마지막에 투입한 '레이스 카'이다. 1960년대는 엔진이 드라이버 뒤쪽에 탑재되었으며, '리어타이어(뒷타이어)'가 '프런트타이어(앞타이어)'보다 폭이 넓다. 드라이버를 감싸는 '모노코크(Monocoque)'에 마그네슘 합금을 사용하는 등 재료를 재검토해, 과제였던 차 무게를 대폭 줄였다. '모노코크'란 보디와 프레임이 하나로 이루어진 차량 구조를 말한다. '수랭식(물로 식히는 방식)'인 배기량 3.0L V형 12기통 엔진을 흡배기의 부품 배치 등을 고쳐 재설계함으로써 출력을 높였다. 시가형 차체에 '리어윙(Rear Wing)'을 탑재하고 있다.

5-3. 로터스 79(Lotus 79)

발표 연도: 1978년
제조사: 로터스(Lotus)
특징: 현재로 이어지는 공기 역학 설계의 출발점

'로터스 79(Lotus 79)'는 차체 밑과 지면 사이의 공기 흐름을 이용해 '다운 포스(Down Force)'를 얻는 기술을 확립한 레이스 카다. '로터스(Lotus)'의 창시자인 '콜린 채프먼(Colin Chapman, 1928~1982)' 등이 디자인했다. '로터스 79'는 데뷔한 1978년에 6승을 올려, 현대 공기 역학 설계를 적용한 레이스 카의 출발점이 되었다. 바닥 면을 흐르는 공기에서 '다운 포스'를 얻는 '그라운드 이펙트 카(Ground Effect Car)'는 곧바로 유행이 되었다. 그러나 코너를 도는 속도가 빨라지기는 하지만, 지면을 누르는 힘을 잃으면 레이스 카가 공중으로 떠서 큰 사고로 이어지기 때문에 1983년에 금지되었다. 그 후, '그라운드 이펙트 카(Ground Effect Car)'는 2022년에 규정이 바뀌면서 39년 만에 인정받았다.

5-4. 맥라렌 MP4/2 (McLaren MP4/2)

발표 연도: 1984년
특징: 챔피언 팀 역사의 시작

'맥라렌 MP4/2(McLaren MP4/2)'는 개량을 거듭하면서 1984년부터 1986년까지 사용된 '레이스 카'다. 팀으로서의 챔피언에 2번, 드라이버로서 3차례의 챔피언을 자랑한다. 당시는 차체 바닥 공기의 흐름을 이용한 '그라운드 이펙트 카(Ground Effect Car)' 설계가 금지되었기 때문에, 앞뒤에 붙인 윙을 사용해 '다운 포스'를 얻었다. 차체 전체를 낮게 하고 중심을 낮춰 코너를 도는 속도를 높였다. '테크닉 아방가르드(TAG)'로부터 자금을 지원받아 '포르쉐'에 개발을 위탁한 배기량 1.5L의 V형 6기통 터보 엔진을 탑재했다.

5-5. 베네통 B191 (Benetton B191)

발표 연도: 1991년
특징: 하이노즈 콘셉트로 석권

'베네통 B191(Benetton B191)'은 공기 역학 설계에 치중해, 차체 맨 앞의 '노즈(Nose)'에 '프런트 윙(FrontWing)'을 지면에 스칠 듯이 달았다. '프런트 윙(FrontWing)'과 '노즈' 사이의 넓은 공간에서 대량의 공기를 뒤쪽으로 흘려 '다운 포스(Down Force)'를 늘렸다. 이 설계를 '하이 노즈 콘셉트(High nose Concept)'라고 한다. '프런트 윙'이 차체에 직접 닿지 않은 형태는 한동안 레이스 카의 주류가 되었다. 배기량 3.5L의 V형 8기통 엔진을 탑재했다. '황제'라는 애칭으로 익숙한 드라이버 '미하엘 슈마허(Michael Schumacher, 1969~)'가 데뷔 시즌에 탑승한 레이스 카이다.

5-6. 레드불 RB7

발표 연도: 2011년
특징: 승리를 거듭하던 시대의 대표 레이스 카

2011년에는 차체 규정이 크게 바뀌었다. 2층 구조를 통해 많은 공기를 빨아들일 수 있는 '멀티 디퓨저(Multi Diffuser)'가 금지되어 '다운 포스'가 억제되었다. 그래서 '레드불 RB7(Redbull RB7)'은 '리어윙'의 '가변익(flap, 플랩)'을 개폐해 공기 저항을 줄이는 시스템인 '항력 감소 시스템(DRS: Drag Reduction System)'을 새롭게 채용했다. '컴퓨터 시뮬레이션(Computer Simulation)'과 '풍동 실험(Wind Tunnel Test)'에 의한 공기 역학 연구가 발전해, 차체 형태가 결정되는 시기이기도 하다. 연료 탱크의 용량이 줄어든 탓에 날씬한 느낌을 준다.

5-7. 레드불 RB8(Redbull RB18)

발표 연도: 2022년

아래의 사진 A는 '레드불 RB18(Redbull RB18)'으로, '오라클 레드불루 레이싱(Oracle Red Bull Racing)' 팀이 2022 시즌 포뮬러 1에서 사용한 차량이다. 2022년 시즌의 전체 22시합 가운데 17시합에서 승리하면서, 레드불 레이싱은 챔피언을 차지했다. 모회사인 음료 메이커 '레드불(Redbull)'은 또 하나의 레이싱 팀인 '스쿠데이라 알파타우리'를 소유하고 있다. 두 팀의 효율적인 개발과 자금력을 바탕으로 다양한 기술을 시도하며, 지금의 F1 레이스 카 표준형을 만들었다. '사이드 포드(Side Pod, 자체 양쪽의 조종석 옆부분)'의 '통풍구(Radiator Grill, 라디에이터 그릴)'은 폭이 넓은 직사각형이며, 측면은 '사이드 포드(Side Pod)' 위를 지나는 바람이 아래 방향으로 흐르도록 설계하는 등, 다양한 방식으로 공기 역학을 설계했다.

아래의 사진 B는 2022년 10월 23일의 'F1 아메리카 그랑프리'의 '핏 스탑(Pit Stop)' 모습이다. '핏 스탑'은 경기 중 차고 앞에 마련된 정비 공간으로 들어와 타이어를 교체하고, 차량을 정비하거나, 연료를 보충하는 것을 말한다. '핏 스탑'에서는 3초 정도에 4개의 타이어를 교환한다. 짧은 시간에 완벽하게 처리하기 위해 각 팀은 완벽을 기해 매일 연습한다.

아래의 사진 C는 레이스 카를 달리게 하는 중추 신경인 '스티어링 휠(Steering Wheel, 핸들)'이다. F1 레이스 카의 스티어링 휠'은 1회전 이상 돌릴 필요가 없기 때문에, 시판되는 자동차처럼 원형이 아니다. 전면에는 다수의 스위치와 버튼, 엔진 등의 상태를 나타내는 디스플레이가 배치되어 있다. 시판 자동차에는 주로 운전석 앞쪽의 패널 부근에 조작 스위치 등을 배치하지만, 좁은 '조종석(Cockpit)' 안에서 조작하는 F에서는 많은 스위치가 '스티어링 휠'에 배치되어 있다. '브레이크 작용'과 '연료의 조정', '무선 통신에 사용하는 라디오', '리어윙의 플랩으로 공기 저항을 조절하는 DRS', '음료수를 마시기 위한 스위치' 등 다양하다. 레이스 카를 달리게 하는 일 외에도 중추 신경과 같은 역할을 한다.

아래의 사진 D는 환경을 배려한 '파워 유닛(Power Unit)'이다. 2014년에 규정이 변경된 이후, 파워 유닛은 매우 복잡해졌다. '파워 유닛'은 일반적으로 '엔진(Engine)'과 같은 것으로 아는 사람도 많지만, F1 레이스 카의 동력은 단수하게 엔진으로부터 나오는 것이 아니라, 꽤나 복잡한 메커니즘으로 발생하기 때문에 보통 '파워 유닛'으로 지칭한다. 배기량 1.6L의 V형 6기통 엔진에 브레이크를 밟았을 때의 운동 에너지와 배기되는 열에너지를 전기로 바꾸어 재이용하는 '에너지 재생 시스템(Energy Recovery System)'을 조합시켰다. 세계적으로 환경을 중시하는 상황에 부응해, F1의 파워 유닛도 제한된 에너지를 효율적으로 사용하는 방향으로 바뀌고 있다. 2026년에 도입될 새로운 규정에는 '지속 가능한 연료'를 100% 사용할 것을 요구하고 있다. 그리고 전력을 사용하는 비율은 높여, 열에너지 재생 시스템은 폐지된다. 사진의 정면 중앙에는 엔진을 구성하는 '타이밍 벨트(Timing Belt)'가 보인다. '타이밍 벨트(Timing Belt)'는 각 실린더 내의 공기를 압축하는 '피스톤(Piston)'과 흡기와 배기를 하는 밸브 개폐 동작을 연동시킨다. 엔진이 규칙적으로 회전하기 위해서는 안 될 부품이다.

5-8. 페라리 F1-75(Ferrari F1-75)

발표연도: 2022년
제조사: 스쿠데리아 페라리(Scuderia Ferrari)
특징: 왕년의 자주색 컬러가 아름답다.

'페라리 F1-75'는 '스쿠데리아 페라리(Scuderia Ferrari)'가 2022년 포뮬러 1에 참가하기 위해 개발한 차량이다. '페라리(Ferrari)'는 2022년 시즌에서 전체 22시합 가운데 4시합에서 승리해 레드불에 이어 2위를 차지했다. 레이스 카 이름인 'F1-75'는 페라리 최초의 양산 차가 출하된 지 75년이 된 해에서 따왔다. 전체적으로 둥근 느낌을 주는 '형태(Forme)'로, 레드불을 본 뜬 다른 레이스 카와는 다르다. '사이드 포드(Side Pod, 자체 양쪽의 조종석 옆부분)'의 가로로 긴 통기구의 형태도 독특하다.

5-9. 애스턴 마틴 AMR22 (Aston Martin ARM22)

특징: 시즌 도중에 디자인을 바꿔 급성장

애스턴 마틴 아람코 카그너전트 F1팀은 영국의 고급차 메이커인 '애스턴마틴(Aston Martin)'의 이름을 사용하는 팀이다. 2021년에 전신인 팀의 이름을 바꾸고 61년 만에 브랜드명이 부활했다. '애스턴 마틴 AMR22(Aston Martin ARM22)'은 2022년 시즌 도중에 '사이드 포드(Side Pod, 자체 양쪽의 조종석 옆부분)'의 형태를 변경했다. 처음에는 앞뒤로 긴 사이드 포드를 채택해 거기서 위와 아래로 갈라진 공기를 각각 뒤쪽으로 흘려보냈다. 변경 후에는 사이드 포드 위로 흐른 공기도 레이스 카 뒤쪽으로 가 바닥으로 유도되고, 아래의 공기 흐름과 합류되어 차체 뒤쪽의 '정류판(Diffuser, 디퓨저)'에서 한꺼번에 위로 빠져나가면서 큰 '다운 포스(Down Force)'를 얻게 했다.

5-10. 맥라렌 MCL36(McLaren MCL36)

특징: 서스펜션에 독자적인 설계

'맥라렌 MCL36(McLaren MCL36)'은 앞쪽의 '서스펜션(Suspension)'에 '풀 로드(Pull Rod)' 방식을 채용했다. '서스펜션(Suspension)'은 타이어의 접지성을 확보해 차체 자세를 안정시키는 역할을 하는 부품이다. 타이어와 차체 사이를 잇는 '막대(rod)'가 앞에서 볼 때 한자의 '팔(八)'자 형태인 것을 '푸시 로드(Push Rod)' 방식, 역 '팔(八)'자를 '풀 로드(Pull Rod)' 방식이라고 한다. '푸시 로드(Push Rod)'는 곡선을 돌 때 차체가 바깥쪽으로 가라 앉으면 차체를 밀도록 작용하고, '풀 로드(Pull Rod)'는 차체를 당기도록 작용한다.

5-11. 메르세데스 W13(Mercedes W13)

특징: 아주 작은 사이드포드, 독창적인 공기 역학 설계

아래의 사진은 2021년 시즌까지 8연패한 F1 팀 '메르세데스(Mercedes)'의 2022년 F1 레이스 카 W13이다. F1 특유의 홈이 없는 굵은 타이어가 눈에 띈다. F1에서는 고속으로 달리는 데 따른 마찰열로 타이어를 부드럽게 하고, 홈을 없애 노면과의 접촉면을 늘림으로써 '노면을 잡는 힘(그립력)'을 충분히 얻을 수 있다. W13의 '사이드 포드(Side Fod, 자체 양쪽의 조종석 옆부분)'는 다른 팀의 레이스 카에 비해 '콤팩트(Compact)'하게 만들어졌다. 이외에도 W13은 거의 평평한 바닥과 독특한 '사이드 미러(Side Mirror)' 주변 형태 등을 갖춘 개성 넘치는 레이스 카이다.

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