다운포스

다운포스()는 차량의 공기역학적 특징에 의해 생성되는 하향 양력이다. 차량이 자동차인 경우, 다운포스의 목적은 타이어에 가해지는 수직 항력을 증가시켜 더 많은 접지력을 만들어냄으로써 자동차가 더 빠르게 주행할 수 있도록 하는 것이다. 차량이 고정익 항공기인 경우, 수평 안정판에 가해지는 다운포스의 목적은 종방향 안정성을 유지하고 조종사가 항공기의 피치를 제어할 수 있도록 하는 것이다.

 기본 원리 
날개에서 양력을 만들어 비행기가 지면에서 떠오를 수 있게 하는 것과 동일한 원리가 경주용 자동차를 트랙 표면에 압착하는 힘을 가하기 위해 역으로 사용된다. 이 효과를 "에어로다이내믹 접지력"이라고 하며, 자동차의 질량, 타이어 및 현가장치의 기능인 "기계적 접지력"과 구별된다. 수동 장치에 의한 다운포스 생성은 공기역학적 항력 (또는 마찰력)의 증가를 대가로만 달성될 수 있으며, 최적의 설정은 거의 항상 이 두 가지 사이의 절충안이다.

자동차의 공기역학적 설정은 직선 구간의 길이와 코너의 유형에 따라 경주 트랙마다 상당히 다를 수 있다. 다운포스는 자동차 위와 아래로 흐르는 공기 흐름의 함수이기 때문에 자동차 속도의 제곱에 비례하여 증가하며, 유의미한 효과를 내기 위해서는 특정 최소 속도가 필요하다. 일부 자동차는 상당히 불안정한 공기역학을 가지고 있어, 받음각이나 차량 높이의 미세한 변화가 다운포스에 큰 변화를 일으킬 수 있다. 최악의 경우, 트랙의 요철을 지나거나 언덕 정대에서 슬립스트림을 할 때와 같이 다운포스가 아닌 양력을 경험하게 될 수 있다. 이는 비참한 결과를 초래할 수 있는데, 예를 들어 1999년 르망 24시에서 마크 웨버와 피터 덤브렉의 메르세데스-벤츠 CLR은 언덕에서 경쟁 차량을 바짝 뒤쫓다가 공중에서 뒤집히는 사고를 당했다.

경주용 자동차가 경주 속도로 주행할 때 다운포스를 생성하는 데 사용되는 두 가지 주요 구성 요소는 다음과 같다:

 차체의 형상
 익형의 사용

대부분의 경주 규정은 피트 스탑 도중을 제외하고 경주 중에 조정할 수 있는 공기역학 장치를 금지하고 있다.

섬네일|right|복잡한 공기역학적 설계를 보여주는 CFRP 바닥면을 가진 파노즈 DP01 챔프카.

섬네일|right|파노즈 DP01 챔프카의 하부 곡선.

날개에 의해 가해지는 다운포스는 보통 양력 계수의 함수로 표현된다:

여기서:
 F는 다운포스 (SI 단위: 뉴턴)
 CL은 양력 계수
 ρ는 공기 밀도 (SI 단위: kg/m3)
 v는 속도 (SI 단위: m/s)
 A는 날개의 면적 (SI 단위: 제곱미터)으로, CL의 기준으로 상부 날개 면적을 사용하는 경우 날개 길이와 시위에 따라 달라지며, 전면 면적 기준을 사용하는 경우 날개 길이와 두께에 따라 달라진다.

특정 작동 조건 범위 내에서 날개가 실속(stall)하지 않을 때, 양력 계수는 일정한 값을 가진다. 이때 다운포스는 대기 속도의 제곱에 비례한다.

공기역학에서 양력 계수를 정의하기 위한 기준면으로 날개의 상면 투영 면적을 사용하는 것이 일반적이다.

 차체 
자동차 상단의 둥글고 가늘어지는 모양은 공기를 가르고 공기 저항을 최소화하도록 설계되었다. 다운포스를 생성하는 요소(예: 날개 또는 스포일러, 차체 하부 터널)에 공기가 부드럽게 흐르도록 차체 상단에 세부적인 부품들을 추가할 수 있다.

자동차의 전체적인 모양은 비행기 날개와 비슷하다. 거의 모든 도로용 자동차는 이러한 모양의 결과로 공기역학적 양력을 생성한다. As retrieved from http://hpwizard.com/aerodynamics.html on Feb 28, 2020 이러한 양력을 상쇄하기 위해 많은 기술이 사용된다. 대부분의 도로용 자동차 프로필을 보면 앞 범퍼의 지상고가 가장 낮고, 앞뒤 타이어 사이의 섹션이 그 다음이며, 뒷 범퍼가 보통 가장 높은 지상고를 갖는다. 이러한 배치를 사용하면 앞 범퍼 아래로 흐르는 공기가 더 좁은 단면적으로 수축되어 더 낮은 압력을 형성하게 된다. 추가적인 다운포스는 차량 차체의 레이크(또는 각도)에서 발생하는데, 이는 하부 공기를 위로 유도하여 하향력을 생성하고, 공기 흐름의 방향이 표면에 수직에 가까워짐에 따라 자동차 상단의 압력을 증가시킨다.

흔한 오해와 달리, 밀폐된 공간이 아니기 때문에 체적은 공기 압력에 영향을 주지 않는다. 경주용 자동차는 차량 하부 뒤쪽에 디퓨저를 추가하여 디퓨저 앞쪽의 차량 하부 공기를 가속시키고 뒤쪽의 공기 압력을 높여 차량의 후류를 줄임으로써 이 효과를 증폭시킨다. 다운포스를 개선하거나 항력을 줄이기 위해 하부에서 볼 수 있는 다른 공기역학 구성 요소로는 스플리터와 와류 발생기(vortex generator)가 있다.

델타윙과 같은 일부 자동차는 날개가 없으며, 차체를 통해서만 모든 다운포스를 생성한다.

 익형 
자동차의 날개나 스포일러에 의해 생성되는 다운포스의 크기는 주로 세 가지 요소에 따라 달라진다:
 장치의 표면적, 가로세로비 및 단면을 포함한 형상
 장치의 방향 (또는 받음각)
 차량의 속도

표면적이 넓을수록 더 큰 다운포스와 더 큰 항력이 발생한다. 가로세로비는 익형의 너비를 시위로 나눈 값이다. 날개가 직사각형이 아닌 경우 가로세로비는 AR=b2/s로 표기하며, 여기서 AR=가로세로비, b=날개 길이, s=날개 면적이다. 또한 날개나 스포일러의 받음각(또는 기울기)이 클수록 더 많은 다운포스가 생성되어 뒷바퀴에 더 많은 압력을 가하고 더 많은 항력을 유발한다.

섬네일|250px|세 개의 공기역학 요소(1, 2, 3)가 있는 1998년 포뮬러 원 카의 리어 윙. 받음각 조절을 위한 구멍 행(4)과 다른 요소의 설치 위치(5)가 날개 엔드플레이트에서 보인다.

 전방 
자동차 전방에 위치한 익형의 기능은 두 가지이다. 전방 타이어의 접지력을 높이는 다운포스를 생성하는 동시에, 차량의 나머지 부분으로 흐르는 공기 흐름을 최적화(또는 방해 최소화)한다. 오픈 휠 자동차의 프런트 윙은 경주를 거듭하며 수집된 데이터를 바탕으로 지속적으로 수정되며, 특정 서킷의 모든 특성에 맞게 맞춤화된다(상단 사진 참조). 대부분의 시리즈에서 날개는 자동차가 정비받을 때 경주 도중에도 조정할 수 있도록 설계된다.

 후방 
자동차 후방의 공기 흐름은 프런트 윙, 앞바퀴, 미러, 드라이버의 헬멧, 사이드 포드 및 배기구의 영향을 받는다. 이로 인해 리어 윙은 프런트 윙보다 공기역학적 효율이 떨어진다. 하지만 차량의 균형을 맞추기 위한 핸들링을 유지하려면 프런트 윙보다 두 배 이상의 다운포스를 생성해야 하기 때문에, 리어 윙은 일반적으로 훨씬 더 큰 가로세로비를 가지며 종종 두 개 이상의 요소를 사용하여 생성되는 다운포스의 양을 복합적으로 늘린다(왼쪽 사진 참조). 프런트 윙과 마찬가지로, 이러한 각 요소는 경주 전이나 도중 자동차 정비 시 조정될 수 있으며, 지속적인 관심과 수정의 대상이 된다.

 특이한 위치의 날개 
F1 자동차의 프런트 및 리어 윙에서 발생하는 다운포스를 줄이려는 규정의 결과로, 여러 팀이 날개를 배치할 다른 위치를 찾으려 노력해 왔다. 차량 사이드포드 후면에 장착된 작은 날개들은 1994년 중반부터 나타나기 시작했으며, 2009년 이러한 모든 장치가 금지될 때까지 거의 모든 F1 자동차에서 어떤 형태로든 표준으로 자리 잡았다. 자동차의 다른 여러 위치에서도 날개들이 나타났지만, 이러한 수정 사항은 대개 다운포스가 가장 절실한 서킷, 특히 구불구불한 헝가리와 모나코 서킷에서만 사용된다.

1995년 맥라렌 메르세데스 MP4/10은 엔진 커버 상단에 날개를 장착하기 위해 규정의 허점을 이용한 "미드윙(midwing)"을 선보인 최초의 자동차 중 하나였다. 이 배열은 이후 그리드의 모든 팀이 한 번쯤은 사용했으며, 2007년 모나코 그랑프리에서는 두 팀을 제외한 모든 팀이 이를 사용했다. 이러한 미드윙은 모든 경주에서 표준으로 장착되는 롤 후프 장착 카메라나, 맥라렌이 처음 사용하고 이후 BMW 자우버가 사용한 황소 뿔 모양의 흐름 제어기와 혼동해서는 안 된다. 이들의 주요 기능은 다운포스를 직접 생성하기보다는 공기 흐름을 부드럽게 하고 재유도하여 리어 윙의 효율을 높이는 것이다.

이러한 테마의 변형으로 사이드포드 앞부분에 높게 장착된 "X-윙"이 있었는데, 이는 미드윙과 유사한 허점을 이용했다. 이들은 1997년 티렐에 의해 처음 사용되었으며, 1998년 산마리노 그랑프리에서 마지막으로 사용되었다. 그 무렵 페라리, 자우버, 조던 등도 이러한 배열을 사용했다. 그러나 연료 보급 시 방해가 되고 차량 전복 시 드라이버에게 위험을 초래할 수 있다는 점 때문에 금지하기로 결정되었다.

때때로 다양한 다른 추가 날개들이 시도되었지만, 오늘날에는 앞서 언급한 맥라렌의 "황소 뿔"과 같은 다양한 흐름 제어기를 사용하여 프런트 및 리어 윙의 성능을 개선하는 것이 더 일반적이다.

 같이 보기 
 베르누이 방정식
 바디 키트
 포뮬러 원 카
 접지력
 자동차의 지면 효과
 양력
 풍동

 더 읽어보기 
 Simon McBeath, Competition Car Downforce: A Practical Handbook, SAE International, 2000, 
 Simon McBeath, Competition Car Aerodynamics, Sparkford, Haynes, 2006
 엔리코 벤징, Ali / Wings. Progettazione e applicazione su auto da corsa. Their design and application to racing car, Milano, Nada, 2012. Bilingual (Italian-English)

 각주 

 외부 링크 
 Aerodynamics In Car Racing 

분류:공기역학
분류:모터스포츠 용어