발전은 계속된다

앞으로 나아간다. 엔지니어들이 포르쉐 911 하이브리드의 공기 역학을 새로이 정의한다. 끊임없이 한계점을 극복하는 기술력은 트랙 위의 랩타임에서 고스란히 드러난다. 그 중에서도 공기의 흐름을 최적화시키는 이 작업은 미래의 연비 절약과 성능 향상을 위한 결정적인 역할을 담당한다.

실버스톤에서 눈에 띄지 않게 숨겨져 있던 앞쪽 휠 하우징의 공기 유입구가 르망에서는 타이어 쪽으로 자리를 옮겼다. 그리고 뉘르부르크링에서는 실(sill)까지 장착하게 된다. 레이스 트랙에 따른 이러한 세부적인 변화는 공기 역학 부서의 엔지니어들이 강한 목표의식을 가지고 끊임없이 진행하는 연구의 결과물이다. 발전은 계속되는 것이다. 비전문가들에게 이 흰색 919 차량들은 모두 똑같은 모습으로 보일 것이다. 하지만 사실 이 모델은 르망 경주 이후 80퍼센트가량 변화된 차체를 장착하고 있다. 커브가 많은 뉘르부르크링과 그 외의 레이스 트랙에서는 긴 직선로를 주행해야 하는 르망 24시의 라 샤르트 서킷(Circuit de la Sarthe)과는 전혀 다른 요구 사항들이 존재하기 때문이다. 참고로 포르쉐는 2015년 7월 14일 르망에서 17번째 종합 우승을 차지했다.

919 하이브리드 르망 프로토타입의 개발에 참여한 20명이 넘는 공기 역학 전문가들이 중점을 둔 부분은 동전의 양면, 바로 다운포스와 공기 저항력이었다. 다운포스를 발생시키는 요소에는 어떤 것들이 있을까? “바로 수직으로 세워진 전면 윙과 후면 윙을 예로 들 수 있습니다.” 알렉산더 히칭어(Alexander Hitzinger), 르망 프로토타입 프로그램(LMP1)의 기술 책임자의 설명이다. 윙의 아래쪽 공기의 흐름이 위쪽보다 빠르면 윙의 아래쪽 압력이 낮아지고, 이 압력의 차이로 인해 생성된 힘은 차량을 지면으로 누른다. 이것을 다운포스라고 한다. 하지만 더 많은 다운포스(Downforce)의 생성을 위해 보다 넓은 면적의 윙이 필요하며, 이는 곧 높은 공기 저항력을 뜻한다. 높은 공기 저항력은 최고 속도에 도달하는데 장애물이 된다.

하지만 이러한 윙의 구조는 복잡한 전체에 있어서 단지 일부에 불과하다. 프로토타입 탄소 섬유 표피의 각각의 평방 밀리미터, 모든 공기 흡입 및 배출구와 차체의 작고 세밀한 면과 각, 하나하나가 공기 역학의 효율성을 증가시키기 위해 설계된다. “공기 역학의 개선에 있어 중요한 역할을 하는 디테일적 요소들은 차량 밑이나 내부 등 대부분 눈에 보이지 않는 곳에 숨겨져 있습니다. 차량 전체를 덮는 기류와 차체를 통과하는 기류는 서로 복잡한 상호 작용을 하며, 주행 상황에 따라 다양하게 반응합니다.” 히칭어가 그에 대한 여러 가지 예들을 나열한다. “직선 주행, 곡선 주행, 제동 상황, 측면 기류, 후류(後流) 또는 앞 차에 바짝 붙어 주행할 때 전해지는 난기류 등이 여기에 속합니다.”

한 번의 레이스에서는 여러 가지 주행 상황이 발생하며, 그로 인해 서로 대비되는 요구 사항들이 수반된다. 즉 각각의 세부 사항들을 모든 상황에 맞게 맞춤 제작하는 것은 불가능하다. 하지만 레이스 트랙의 특성이 각기 다르기 때문에 그에 따라 중점을 두어야 할 사항들도 달라진다. 919 하이브리드가 변화에 변화를 거듭한 것은 바로 이 때문이다. 2015년 시즌 중에도 공기 역학과 관련된 차량 수정 작업이 계속되었다. 작업의 주요 쟁점은 르망 24시의 라 샤르트 서킷이 가진 고유의 특성에 맞추는 것이었다. “엄청나게 긴 직선로가 있는 이 레이스 트랙에서는 공기 저항력을 최소화해야 하므로 다운포스도 그에 맞게 필요한 만큼만 발생하도록 제한해야 합니다. 르망 전후에 열리는 세계 선수권에서는 그와 반대로 다운포스를 증가시킨 설정으로 레이스에 참가합니다.”

에어로 킷 넘버 1이 시작점이었다. 이를 장착한 919는 2014년 12월 바이삭에서 첫 번째 기능 테스트를 마쳤다. 시즌의 서막인 2015년 4월 실버스톤에서 919는 이미 킷 넘버 2를 장착하고 있었다. 킷 넘버 3는 스파에서 사용되었으며, 시즌의 하이라이트인 르망에서는 다운포스를 줄인 킷 넘버 4의 선행 모델인 로우 다운포스 패키지(Low-Downforce Package)가 장착되었다. 8월말에 펼쳐진 뉘르부르크링 레이스에서는 에어로 킷 넘버 5가 선을 보였다. 이 하이 다운포스 패키지(High-Downforce Package)로 차량의 표면은 전 모델에 배해 약 80퍼센트 가량 달라졌다.

2014년형 모델이 상단부에 배기가스 파이프를 장착하고 있던 것에 반해, 신형 모델에는 두 개의 배기가스 파이프가 차량 하단부에 장착되어 있다. 이러한 변화를 통해 엔진 커버의 공기 역학적 디자인을 개선시켜 추가적인 다운포스를 생성할 수 있다.

안전 규칙에 명시되어 있는 부분으로, 차량 안정성에 커다란 역할을 한다. 차량이 한 방향으로 돌아가면, 순간 핀 부분의 면적이 공기와 맞닿아 힘이 발생되며, 차량이 다시 제자리로 돌아가는데 도움을 준다.

공기 저항력의 감소를 위해 차량의 전면 투영 면적을 최소화 시킨다. 대회 규정이 정해 놓은 규격에 맞게 차체를 제작할 수 있도록 정해놓은 견본이 제공된다. 규정된 높이와 면적의 최소 규격을 정확히 지킬수록 전면 투영 면적은 더 좁아진다. 규격을 지키면서도 면적을 줄이기 위해 919는 조종석 윗부분에 유니콘을 연상시키는 공기 유입구를 장착하고 있다. 공기 저항력 감소를 위한 복잡한 작업 과정에 속한다.

휠 하우징 상단은 안전상의 이유로 의무적으로 열려 있어야 한다. 이를 통해 차량이 회전 시 휠 하우징으로 들어온 공기는 다시 빠져나가게 되며, 이것은 차량이 지면에서 뜨는 현상을 감소해준다. 주행 시 공기가 차량에 유입 및 배출되며 차체를 스쳐 지나가는 것은 일반적인 현상이다. 하지만 공기의 실제 동선은 유입구 앞의 차체 형태에 의해 결정된다. 공기는 차량 전면부를 거쳐 헤드라이트를 지나 휠 하우징으로 가속되어 이동한다. 공기가 어떠한 각도로 유입구와 만나는지에 따라 공기는 휠 하우징에서 빠져나가거나 안으로 유입된다. 또는 기류가 마치 커튼과 같은 작용을 하여 유입구를 막는 현상이 생기기도 한다. 휠 하우징의 입구 부분에서 공기의 흐름이 어떻게 변하는지에 따라 공기는 차량을 통과해 지나가며 다운포스를 생성한다. 공기는 옆쪽 참가번호 뒤의 배출구를 통해 배출될 수도 있으며, 차체 바닥을 따라 후면 디퓨저로 배출 될 수도 있다. 휠 하우징에서 많은 공기가 빠져 나갈 수록 프런트 윙의 주변에 더 많은 공기가 흘러 다운포스를 발생시킨다. 르망 경주에서 이런 다운포스를 줄이기 위해 휠 하우징 앞의 판넬이 아래쪽으로 당겨져 공기의 배출을막는다.

한 구석의 섬세한 작업: 시즌 초반에 사용되었던 것보다 확실히 더 작아진 이 세밀한 부품은 다운포스를 줄이는 역할을 한다.

측면 공기 배출구는 전면에서 차량으로 유입되는 기류를 조절하는 역할을 한다. 여기에는 휠 하우징에서 배출되거나 바닥을 통해 후면 디퓨저로 향하는 공기도 부분적으로 포함된다. 공기의 흐름을 방해하는 장애물이 적을수록, 더 많은 공기가 차량을 통과 할 수록 전면 윙을 통한 다운포스의 양도 많아진다. 변화된 공기 배출구의 위치는 2015년 모델의 공기 역학 전체 컨셉트 중의 한 부분이다.

본 추가 부착물은 리어에서 다운포스를 생성시키는 역할을 한다. LMP1 규정이 후면 윙과 디퓨저에 대한 공식 규격을 정해놓고 있기 때문에, 후면 부분은 다운포스를 생성에 있어 쉽지 않은 구역이다. 그에 반해 차량 전면부에는 다운포스를 추가 생성할 수 있는 공간이 충분히 있다. 하지만 차량의 공기 역학적 밸런스를 위해 후면에 미리 다운포스를 생성할 수 있어야만 전면부에서도 가능해진다.

엔지니어들이 어떤 레이스 트랙에 높은 다운포스에 중점을 둘지 아니면 낮은 공기 저항력에 중점을 둘지를 결정하는 데는 여러 단계를 거친다. 트랙 루트, 지형, 아스팔트의 특성, 예상 기온 등과 같은 트랙에 대한 정보가 우선 기본적인 방향을 잡게 해준다. 또한 2015년부터는 세계 내구 레이스(WEC)의 모든 트랙에서 직접 수집된 919의 주행 데이터들이 엔지니어들에게 제공된다. 차체가 설계되고 하나의 모델이 완성되기 전에 우선 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시스템이 해당 부품들의 상호 작용에 대한 시뮬레이션을 실시한다. 그 다음 단계는 모형을 만드는 것이다. 엔지니어들은 실제 크기의 약 60퍼센트에 달하는 테스트 모형을 영국 그로브(Grove)에 위치한 윌리엄스 포뮬러 1 팀의 윈드터널에서 테스트한다. “윈드터널 테스트가 완료된 후 모든 부품들이 실제 크기로 생산되어 다시 테스트됩니다. 일명 ‘래피드 프로토타이핑(Rapid Prototyping)’이라 불리는 이 테스트 없이는 부품 생산에서 발생하는 비용과 시간이 감당 할 수 없을 만큼 크게 증가됩니다.” 히칭어의 설명이다.

이러던 중 바이삭 레이싱 부서에 또 하나의 지원군이 추가되었다. 포르쉐 개발 센터에 새로운 윈드 터널이 설치되어 이미 2015년형 레이싱카를 테스트한 것이다. 이곳에서는 차량을 실제의 크기로 테스트할 수 있다. 히칭어는 “2014년 12월 부터 저희는 CFD와 터널 테스트 결과의 비교를 통해 작은 부품의 세부 작업 등 주목할 만큼 많은 개선 효과를 볼 수 있었습니다.”라고 말한다. 이로 인해 양산형 차량 개발팀과 레이싱카의 개발팀이 공기 역학 연구를 두고 더욱 가깝게 협력할 수 있게 되었다. 함께 일하는 것은 언제나 신선함을 동반한다. 2015년 6월 프로토타입이 르망에서 우승을 차지했을 때, 개발자들은 이미 그 후속 모델 작업에 착수했다. 919 포르쉐 하이브리드의 제3세대 모델에 대해서는 아직 많은 정보를 얻을 수 없었다. 미래 지향적인 다운사이징 2리터 4기통 터보 엔진과 두 개의 혁신적인 에너지 회수 시스템을 갖춘 기본 컨셉트는 그대로 유지될 전망이라고 한다. “기본적으로는 그렇습니다.” 히칭어가 아무것도 모른다는 듯한 표정을 지으며 말한다. 하지만 그 외의 모든 세부적인 부분들이 새롭게 바뀔 거라는 사실은 안 봐도 뻔한 일. 포르쉐의 발전은 계속된다.

글 Heike Hientzsch