F1 레이스카의 공기역학

F1 No.1 해설가 윤재수가 말하는 공기역학을 알면 F1이 보인다

윤재수 지음

골든래빗(주) 2023년 11월 16일 출간 종이책 : 2023년 11월 01일 출간

작품소개

책소개

★ F1의 핵심 키워드, 공기역학의 기초 다지기
F1에서 공기역학의 비중은 날로 커지고 있고, 공기역학적 성능이 F1 챔피언십의 성적을 좌우합니다. 그러나 공기역학은 보통 사람에게 너무 어렵기만 합니다. F1에 대해 막 알아가기 시작한 많은 분께 공기역학이 가장 큰 걸림돌이 되고 있기 때문에 공기역학을 시리즈의 첫 주제로 선택했습니다. 이 책과 함께 공기역학의 기초 개념을 정리하고 큰 틀만 잡고 넘어가더라도, F1을 제대로 이해하고 더 깊이 즐길 수 있습니다.

목차

I. 공기역학
II. 공기역학의 기초개념들
III. 드래그
IV. 다운포스
V. 공기역학의 고급 개념들
VI. F1 공기역학의 역사 I
VII. F1 공기역학의 역사 II
VIII. F1 공기역학의 역사 III
IX. F1 공기역학의 역사 IV
X. F1 레이스카의 공기역학
XI. 공기역학 셋업
XII. 윈드터널과 CFD
XII. F1 엔지니어와 공기역학자

책 속으로

★ 르노 R25에 처음 장착된 “매스 댐퍼”가 불러온 빠른 안정감
르노 R25의 다양한 공기역학적 시도 중 가장 큰 논란이 됐고 많은 사람의 기억에 가장 오래 남은 것은 시즌 후반 투입된 “매스 댐퍼(mass damper)”였다. 매스 댐퍼는 흔히 TMD 또는 “튠드 매스 댐퍼(Tuned Mass Damper)”라고 불린다. 매스 댐퍼는 피치 변화를 감소시켜 결과적으로 공기역학적 성능을 끌어올릴 수 있게 하는 장치로, 큰 틀에서 보면 액티브 서스펜션이 지향했던 것과 같은 목적을 가지고 있었다. 르노 R25의 경우 피치 변화가 생길 때 노즈의 매스 댐퍼가 빠르게 진동을 억제해 원래 자세로 복원시킬 수 있었고, 2006 시즌 후속작 R26은 차량 뒤쪽에도 매스 댐퍼를 추가해 성능을 더 끌어올렸다. 처음 도입됐을 때 검차관들로부터 규정을 벗어나지 않는다는 판단을 받았던 매스 댐퍼는 2006 시즌 중반 “움직이는 바디워크"로 분류돼 금지됐다. 르노는 매스 댐퍼 금지 이후 약 0.3초 정도의 랩 타임 손해를 보았다.

★ 레드불 RB5처럼 풀로드 방식 서스펜션으로 무게 중심 낮추기
푸시로드 방식과 풀로드 방식은 서스펜션의 성능 자체로만 본다면 큰 차이가 나지 않는다. 그러나, 서스펜션 부품이 차체 위쪽에 배치되느냐 아래쪽에 배치되느냐에 따라 패키징과 무게 중심에는 분명한 차이가 발생한다. 그리고, 바로 이 패키징 부문에서 레드불 RB5는 경쟁 레이스카들과 차별화됐다.
레드불 RB5는 풀로드 방식의 더블 위시본 서스펜션을 채택하고, 서스펜션 부품이 집중적으로 배치되는 A 위치를 일반적인 경우보다 훨씬 앞쪽으로 옮겼다. 서스펜션 부품이 앞쪽으로 옮겨감에 따라 리어엔드를 더 극단적으로 타이트하게 패키징할 수 있었고, 날씬해지는 동시에 높이가 낮아졌기 때문에 위 그림 B 위치에 경쟁 레이스카들보다 훨씬 넓은 공간이 만들어졌다. 여기에 더해 배기구에서 빠져나온 배기가스가 바로 더블 위시본 중 위쪽 암을 향한 뒤, C 위치의 빔 윙을 향하도록 레이아웃을 구성해 공기역학적 효율을 높였다. 리어 엔드에 많은 여유 공간을 만들어 공기 흐름을 좀 더 원활하게 했다는 점에서 레드불은 경쟁자들보다 한발 앞서 있었다.


★ 더블-덱 디퓨저가 무엇이건데, 6팀 중 5팀이 톱 10에 들었나?
더블-덱 디퓨저 아이디어를 일찌감치 실전 투입한 브런GP, 토요타, 윌리암스 3팀은 경쟁 팀에 비해 월등한 공기역학적 성능을 발휘하는 대신, OWG가 야심 차게 준비했던 신규 하이브리드 시스템 KERS는 아예 장착하지 않았다. 기계적 그립을 높이고 출력을 보완하는 한편, 공기역학적 성능 의존도를 낮춘다는 규정 변경의 취지는 전면 부정당하고 있었던 셈이다.
반면, 페라리, 맥라렌, 르노 등 기존 강팀들은 골치 아픈 신규 시스템인 KERS를 장착해 상대적으로 무겁고 둔한 데다가, 더블-덱 디퓨저 레이스카보다 공기역학적 성능이 부족했다. 2009시즌 개막전 호주 그랑프리 퀄리파잉에서는 브런GP가 프론트 로를 독점했고, 더블-덱 디퓨저를 장착한 3팀의 6명 중 다섯 명이 탑10에 들었다. 그러나 KERS를 장착한 르노와 맥라렌은 모두 퀄리파잉 탑10에 들지 못했고, 전년도 컨스트럭터 챔피언인 페라리의 드라이버들은 7, 9위로 퀄리파잉을 마쳤다. 이런 양상은 2009시즌 초반 몇 경기 동안 계속 이어졌고, KERS가 계륵처럼 여겨지게 되는 사이 더블-덱 디퓨저는 F1 레이스카의 핵심 아이템으로 입지를 굳혔다.


★ 위키의 F1, 탈출구를 찾아서
1990년대 중반 이후 출력 억제 노력이 계속되는 동안, F1 레이스카의 공기역학적 성능이 꾸준히 발전하며 써킷 공략 속도가 점차 빨라졌다. 기계적 성능보다 공기역학적 성능의 비중이 커지는 추세가 계속됐고, 공기역학적 성능의 비중이 커지는 만큼 뒤따르는 차량에 미치는 나쁜 효과 역시 증가했다. 이 때문에 추월 시도는 물론 추격부터 어려워졌고, 뒤따르는 차량에 미치는 나쁜 공기역학적 효과를 줄이지 않는다면 추월 시도가 더 줄어들 수 있는 상황이었다.
FIA는 “추월 워킹 그룹(OWG : Overtaking Working Group)”을 발족시켜 레이스에서 추격과 추월을 더 쉽게 만들 방법을 연구했고, 2009시즌에는 OWG의 연구를 바탕으로 대대적 규정 변경이 단행됐다. 2009시즌 규정 변경의 취지는 출력과 기계적 그립 등 F1 레이스카의 기계적 성능을 강화하고, 다방면으로 공기역학적 성능을 억제하거나 제한하는 것이었다.

출판사 서평

★ ‘그랑프리 블랙북’ 시리즈 소개
자동차, 레이스카, 그리고 F1에 관심을 가진 분은 많습니다. 그러나 조금이라도 깊은 이야기가 나오면, 너무 어렵게 느껴지고 잘 읽히지도 않습니다. 기존 F1 관련 서적과 기사에는 어려운 단어가 난무하지만, 쉽게 이해할 만한 설명은 찾아보기 어렵습니다. 반면, 너무 쉬운 내용을 다룬 글은 너무 쉽기만 해서 오히려 필요할 때 도움이 되지 않곤 합니다.

블랙북 시리즈는 어렵게만 느껴졌던 F1 관련 정보를 가능한 한 쉽게, 그러나 너무 깊이가 얕지 않도록 설명하는 F1 지식 서적 시리즈입니다. 주제별로 한 권씩 10권 이상 계획된 블랙북 시리즈를 읽는다면, 제법 ‘쉽게 읽힌다’는 느낌과 함께 잘 정돈되지 않았던 개념이 깔끔하게 정리되는 느낌을 받으실 것입니다.

블랙북 시리즈는 완전한 문외한에게 기초적인 정보를 제공한다기보다, 어느 정도 F1을 알고 있는 이들을 위한 좀 더 깊은 정보와 지식을 전달합니다. 깊이 있는 전문 서적에 비하면 쉽고 간단한 내용이라고 할 수 있지만, ‘중급자를 위한’ 모터스포츠/레이스카 관련 지식 서적으로서 전에 없는 새로운 시도가 될 것입니다.

★ 왜 F1을 즐기는 데 공기역학이 중요할까?
그랑프리 블랙북의 배경과 이 책 “F1 레이스카의 공기역학”의 내용 구성을 염두에 두고 책을 읽기 시작한다면, 공기역학에 대한 기초 지식을 쌓는 것은 물론 현대적인 F1 챔피언십의 전체적인 흐름을 파악하는 데에도 분명 도움이 될 것입니다. 분명 F1 입문서는 아니지만, “F1 입문서 다음에 읽을 책”이 되는 것은 가능하다고 생각합니다. 어느 정도 F1의 재미를 느끼기 시작한 분들에게 더 깊은 것을 알고 싶다고 느끼게 만드는 책이 되었다면 “F1 레이스카의 공기역학”은 소정의 목적을 달성했다고 할 수 있겠습니다.

★ 이 책에서 다루는 내용
이 책의 본문은 모두 13장으로 구성했고, 그 내용은 크게 세 묶음으로 나눠 생각할 수 있습니다. 그랑프리 블랙북의 출발점이 될 “F1 레이스카의 공기역학”은 먼저 공기역학이란 무엇인지 알아보는 것으로 시작합니다. 이후 자동차와 F1 레이스카에 관련된 공기역학의 기본 개념들과 드래그, 다운포스 등 핵심 개념 몇 가지도 간단하게 설명합니다. 책의 전반부를 통해 공기역학의 큰틀을 이해하고, 핵심 요소 몇 가지를 기억한다면 F1을 보는 눈이 달라질 수 있다고 생각합니다.
중반부에는 F1 공기역학의 역사를 다룹니다. F1이 출범하고 발전하는 과정에서 공기역학이 어떻게 함께 성장했고, 전환점이 된 몇몇 레이스카의 특징과 큰 변화가 생겼던 규정 변경 내용을 설명하면서 어느 순간부터 공기역학이 F1의 핵심 요소로 자리 잡게 되었는지 살펴볼 것입니다. 이를 통해 F1 전체를 보는 거시적인 시각을 갖게 되는 것과 아울러, 어째서 현대의 F1 레이스카가 이런 형태를 갖도록 역사가 발전했는지도 확인할 수 있을 것입니다.

책 후반부에서는 현대 F1 레이스카를 구성하는 공기역학 요소들을 하나씩 정리하고, 어떤 구성 요소들이 F1 레이스카의 공기역학적 성능을 결정하는지 알아봅니다. 그 뒤로는 실전에서의 공기역학 셋업에 대해 간단히 설명한 뒤, 개발 과정의 핵심 요소로 발전한 윈드 터널과 CFD의 개념도 정리해봅니다. 마지막 장에서는 F1 팀에서 활동하는 엔지니어와 공기역학자 등 인력 구성도 간단히 알아보면서, 현대적인 F1 무대의 기술 부문에 공기역학이 얼마나 중요하게 자리 잡았는지 알아보는 것으로 책의 내용을 마무리합니다.

★ 이 책의 특징
〈F1 레이스카의 공기역학〉은
ㆍ 공기역학의 기본 원리와 개념을 알기 쉽게 설명하고
ㆍ F1 공기역학이 어떻게 발전했는지 역사적 배경을 살펴본 뒤
ㆍ 현대적인 F1 레이스카의 공기역학적 요소와 다양한 관련 지식을 총정리합니다.

작가정보

저자(글) 윤재수

F1/모터스포츠 해설가

주요 해설 이력
● MBC SPORTS+ F1 생중계 해설위원(2010)
● SBS ESPN F1 생중계 해설위원(2011~2013)
● SBS Sports F1 생중계 해설위원(2014)
● CJ 슈퍼레이스 해설위원(2016 ~ 2021)
● 쿠팡플레이 F1 생중계 해설위원(2022~)

저서
● 《블랙북 제0권 : F1 용어집 1000》(2019, 개인 출판)
● 《블랙북 제1권 : F1 레이스카의 공기역학》(2015, 개인 출판)
● 《블랙북 제2권 : F1 그랑프리 위닝 카》(2016, 개인 출판)
● 《그랑프리 블랙북 제1권 : F1 레이스카의 공기역학》(2023, 골든래빗)

작가의 말

그랑프리 블랙북 시리즈의 첫 번째 책으로 “F1 레이스카의 공기역학”을 선택한 것에 대해 많은
분이 의문을 가질만합니다. F1을 접한 지 오래되지 않은 분이라면 공기역학이라는 단어 자체가 생소하게 느껴질 수 있고, 오랫동안 F1 팬이셨더라도 공기역학이라는 개념이 난해하고 부담스럽게 느껴질 수 있습니다. 거부감이 들만한 너무 어려운 주제를 먼저 다루는 대신, 많은 사람에게 F1을 소개하는 개론 성격의 책을 먼저 내는 것이 어떤가 하는 의견도 자주 들었습니다.

그런데도 공기역학을 첫 번째 주제로 선택한 것은, F1에 대해 알아가기 시작한 많은 분께 가장 큰 걸림돌이 되는 것이 공기역학이라고 생각했기 때문입니다. 어느 정도 개념을 정리하면서 공기역학의 큰 틀을 이해한다면, F1 챔피언십의 흐름을 따라가고 더 재미있게 즐기는 데에도 도움을 줄 수 있다고 생각했습니다. 최근에도 F1에서 공기역학의 비중은 날로 커지고 있으며, 레이스카의 공기역학적인 성능과 각 그랑프리 결과에 영향을 주는 공기역학 관련 요소들이 F1 챔피언십에서의 성적을 좌우하고 있기 때문입니다.

“공기역학은 엔진을 만들지 못하는 이들을 위한 것이다.”

페라리의 창립자 엔초 페라리가 했던 말처럼, F1 챔피언십 출범 직후만 해도 공기역학은 F1에서 가장 중요한 요소라고 할 수 없었습니다. 그러나, 이후 수십 년의 시간이 흐르는 동안 공기역학은 F1에서 빼놓을 수 없는 중요한 존재로 성장했고, 2020년대 F1 팀이 엔진을 만들 수 있든 없든 공기역학은 모두에게 꼭 필요한 요소로 굳건하게 자리 잡았습니다. 70년이 넘는 역사 속에서 공기역학은 F1의 거의 모든 부분과 깊은 인연을 맺어왔고, 이제 공기역학은 F1 팀과 엔지니어만을 위한 것이 아니라 F1을 즐기는 모든 이들을 위한 것으로 성장했습니다.

이런 배경 속에 그랑프리 블랙북 시리즈의 첫 번째 책으로 “F1 레이스카의 공기역학”을 선택했습니다. 2015년 개인 출판 형식으로 그랑프리 블랙북 시리즈를 처음 선보였을 때도 가장 먼저 선택한 주제는 공기역학이었습니다. 그로부터 8년이 지나 정식 출판을 통해 완전히 새로운 그랑프리 블랙북으로 재출발하는 지금도, 공기역학을 출발점으로 삼는 것이 자연스럽다고 생각합니다. 물론, 공기역학 관련 과목을 전공하지도 않은 사람이 공기역학을 핵심 주제로 다루는 책을 쓰는 것은 부담스러운 일입니다. 공기역학과 직접 관련된 업무를 맡았던 경력도 없고, 직접 모터스포츠 무대에서 경쟁해본 경험도 없는 만큼 공기역학을 깊게 설명하는 데 분명한 한계가 있을 수밖에 없습니다. 다행히 10여 년 동안 F1 해설가라는 과분한 역할을 수행하면서 전보다 조금은 더 많은 것을 알게 되었고, 여전히 부족하다고 느껴지는 부분은 충분한 지식과 경력을 갖춘 전문가 여러분으로부터 여러 차례 가르침과 도움을 받았기에 감히 책을 쓸 용기를 낼 수 있었습니다.

F1 레이스카의 공기역학”은 전공 교재처럼 너무 깊은 영역까지 탐구하지는 않을 계획입니다. 이 책의 독자 역시 전공자나 모터스포츠 분야에서 현업으로 공기역학 관련 업무를 맡는 분들은 아닐 것으로 전제하고, 전문 학술 서적이 되려 하기보다는 적당한 수준까지만 다양한 지식을 설명하는 교양서의 성격을 갖도록 하려 합니다. 이런 책의 집필 방향은 그랑프리 블랙북 시리즈로 나오게 될 모든 책에 공통으로 적용될 것입니다.

물론 그랑프리 블랙북 시리즈는 F1에 대해 전혀 모르는 분들을 주된 독자층으로 생각하고 쓰는 책이 아닙니다. 그랑프리 블랙북은 F1 입문서나 F1 챔피언십의 개요를 다루는 책도 아니고, 흥미 위주의 간단한 이야깃거리만 담는 책도 아닙니다. 아무리 깊지 않게 개념만 정리한다고 하더라도, 부담스러운 수식과 물리 공식 등이 계속 등장하고 결코 간단하다고만은 할 수 없는 설명이 뒤따릅니다. 약간의 어려움을 감수하겠다 마음먹고 책을 펼치신 분들에게라면, 가능한 한 간단하고 쉽게 이해할 수 있도록 친절하게 설명해드리는 것이 ‘그랑프리 블랙북’ 시리즈의 목표입니다.