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지난 15년간 카레이싱 현장에서 활동한 모터스포츠 전문기자 출신이다. 그동안 국내 모터스포츠 대회뿐 아니라 F1 그랑프리, 르망 24시, 사막 랠리, 포뮬러 닛폰, F3, 카트 등 수많은 굵직한 이벤트들을 지켜봤고 포뮬러 르노, 랠리카 등 다양한 경주차들을 시승했다. 아울러 현장에서 겪은 노하우를 바탕으로 자동차경주 안내서인 모터스포츠 단행본도 발간했으며 현재는 프리랜서로 활동할만큼 늘 모터스포츠에 대한 애정이 남다르다.

가장 빠른 F1 머신 만드는 비밀

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글 : 김병헌(bhkim4330@hanmail.net)
승인 2018-12-31 10:20:40

본문

모든 F1 머신들은 똑같아 보인다. 그러나 엄격한 규정하에서도 승패를 가르는 무언가는 분명히 있다. 흔히들 F1 머신 설계가 그렇게까지 힘든 일은 아니라고 말한다. 문제는 빠른 머신을 만들어내는 것이다. 중위권에서 다른 머신들이 주춤하는 사이에 당당히 승리를 쟁취하는 머신을 만들어내는 비밀은 F1 내에 몇 안 되는 최고의 두뇌를 가진 엔지니어들만이 알고 있다.

 

F1의 극단적인 부분까지 가게 되면 엔지니어링은 자연과학뿐만 아니라 소신이나 철학과도 깊은 관련이 생긴다. 이 같은 사실은 이미 스톱워치가 모든 것을 판가름하는 경쟁의 장, 트랙에서 충분히 증명되었다.

 

사실 경주차의 성능은 제대로 된 타이어에 크게 좌우된다. 이는 모든 F1 머신에 해당되는 사항이다. 타이어 대부분의 면적이 최적의 온도에 올랐을 때 마찰계수의 엔지니어링 약칭이자 그리스어 뮤로 표현되는 가장 큰 그립을 띠게 된다. 그리고 최상의 성능을 발휘하기 위해서는 네 개의 타이어가 같은 온도에 이르러야 한다.

 

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타이어가 머신에 맞춰 만들어지던 시절에 가장 중요한 사항은 바로 타이어 회사를 위해 팀이 타이어 테스트를 해줄 수 있다고 확신시키는 일이었다. 만약 테스트를 할 수 없다면 팀의 머신이 타이어 테스트를 하는 머신과 크게 다르지 않다는 점을 보여줘야 했다. 회사 측에서 접촉면을 효과적으로 정하는 타이어 너비를 제한한 이후로는 머신을 그 타이어에 맞춰야 했다.

 

이를 정확하게 하기 위한 가장 근본적인 조정사항은 무게비 변경이다. 엔진을 뒤에 얹는 F1 머신은 자연적으로 무게중심이 뒤로 쏠리지만 타이어의 요구사항에 맞출 수 있도록 조정되어야 했다. 슬릭타이어는 앞바퀴 접촉면이 조금 더 넓다. 앞바퀴와 뒷바퀴가 단적으로 50:50으로 나뉘는 것이 이상적이다. 하지만 현재 규정상 리어 엔진 머신으로는 불가능하다. 그만큼 타이어 성능을 이론적으로 그려내는 일은 너무 어렵다.

 

적절한 무게배분은 트랙 테스트를 통해서만 결정될 수 있다. 그 때문에 팀들은 어느 정도 조정할 수 있는 여지를 두고 머신을 설계한다. 이런 이유로 팀들은 무게배분을 조절하기 위해 무게추를 설치한다.

 

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무게배분은 기계적인 조절 사항 중 가장 중요한 부분이다. 서스펜션 기하학이나 서스펜션 역학과 같은 다른 부분이 그 다음으로 중요하다. 이때 타이어와 타이어온도를 볼 뿐이다. 다른 어떤 부분들보다 더 많은 내용을 알아낼 수 있기 때문이다. 단순한 것 같지만 쉬운 일은 아니다. 또한 중량이 앞으로 몰리면 언더스티어 발생으로 이어지므로 이 문제를 바로 잡기 위해서는 이론적으로 더 부드러운 프론트 엔드와 앞쪽에 더 큰 다운포스가 필요하다. 이러한 판단은 각 팀의 개별적인 성향에 따라 갈린다.

 

두 번째 근본적인 변수는 공기역학이다. 머신이 타이어 최고의 역량을 끌어올릴 수 있을 만큼 시간 내 최고의 다운포스를 만들어내게 한다. 새로운 머신을 주행할 때 두 가지를 해야 한다. 하나는 타이어온도를 균등하게 하기 위해 움직여야 하며, 다른 하나는 공기역학적 측면에서 머신이 해당 서킷의 가장 중요한 코너에서 최적의 지상고를 유지할 수 있도록 스프링과 댐퍼를 조절하는 일이다. 만약 이 두 가지를 잘 해낸다면 그 서킷에서 가장 빨리 달리는 머신을 손에 넣는 데 한층 가까워질 수 있다.

 

공기역학적인 측면에서 경주차가 최상의 지상고를 유지할 수 있도록 해주는 것이 서스펜션의 주요 기능이다. 이것은 1980년대 초에 국제자동차연맹(FIA)이 슬라이딩 스커트를 불법으로 규정한 이후 지금까지 이어진 진실이다. 경주차 바닥이 평평한 상황에서 프론트가 솟아오르면 공기역학적 재앙이 오게 된다. 하부에서 다운포스가 아닌 양력이 생성되기 때문이다.

 

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지상고를 확실하게 유지하는 한 가지 방법은 서스펜션을 딱딱하게 셋업하는 것이다. 잠재적인 그립을 증가시키는 데 있어 기계적으로 할 수 있는 일은 많지 않기 때문에 서스펜션 역학이 취약하면 그만큼 그립을 크게 잃게 된다. 반대로 서스펜션 역학이 완벽하면 최대한의 그립을 이끌어낼 수 있다.

 

머신 하부로부터 최적의 성능을 얻어내는 것이 중요하다. 머신이 생성할 수 있는 가장 효과적인 다운포스이기 때문이다. 머신 아래쪽으로 최대한 많은 공기를 흐르게 한 뒤 가능한 한 빠르게 가속시켜야 많은 다운포스를 생성할 수 있다. 그 때문에 F1 머신은 앞쪽보다 뒤를 높여 확연한 경사각을 만들어 달린다. 하지만 지나치게 경사각이 높을 경우 디퓨저가 제대로 효과를 발휘하지 못한다.

 

한편 머신의 균형은 잘 잡혀 있지만 타이어가 가진 잠재적인 성능이 제대로 발휘되지 않는다고 해서 단순히 무게를 옮긴다면 머신의 균형을 깨트릴 수 있다. 실제로 머신의 무게를 독립적으로 올바르게 잡는다면 핸들링 균형이 다시 잡혀 드라이버가 자신감을 회복하기 전까지 머신의 속도를 느리게 만들 수도 있다.

 

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레이스 엔지니어링에서 경주차에 앉은 드라이버의 자신감도 중요하다. 많은 사람들이 기술적인 측면이 더 중요하다고 대수롭지 않게 여기고 넘어간다. 기술적인 측면에서 각고의 노력으로 0.1초를 앞당길 수도 있지만 그 어떤 것도 바꾸지 않고 드라이버의 자신감으로 0.5초를 줄일 수도 있다. 물론 시뮬레이션이 불가능한 부분이기도 하다. 게다가 드라이버의 자신감 상당 부분이 공기역학 부분에서의 선택기준에 달려 있기도 하다.

 

결국 이들 주요 변수를 제대로 잡으면 최고의 결과를 얻을 수 있다. 기계적인 측면에서는 무게배분, 공기역학적 측면에서는 최적의 지상고다. 그리고 나머지 셋업 변수를 도구로 삼아 균형을 잡고 드라이버에 맞춰나가면 된다.

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