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자동차 디자인에서 공기역학의 연대기적 고찰

페이지 정보

글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-08-11 12:09:22

본문

1. 서론
지속가능성의 고민을 통한 친환경 추구로 패러다임이 향하고 있다. 자동차 역시 새로운 동력원과 구동체계 그리고 신소재와 ICT(Information & Communication Technology) 같은 신기술을 모델에 도입하여 양산하는 등의 변화를 맞이하고 있다. 소비 패턴이 친환경적이고 감성적인 제품들을 선호하는 방향으로 이동하여 디자인 역시 신개념 자동차의 조형적인 특징을 선도적으로 구축하기 위해 다양한 시도와 노력을 하고 있다.

글 / 차주천 (홍익대학교)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 6월호

이러한 패러다임의 변화 속에서 공기역학적 자동차 디자인에 주목해야 하는 이유는 자동차의 공기저항계수의 감소를 통한 효율성 제고와 동시에 주행 시 소음과 진동 감소 등 감성 품질 향상을 위한 연구가 점차 강조되고 있기 때문이다. 또한 신기술을 이용한 새로운 세대의 자동차가 디자인 형태적으로 이전 모델과 차별화 되어 시각적으로 확연히 구별되어야 하는 상품성 측면의 이유가 있다.

신개념의 차세대 자동차의 특징을 기술적인 혁신과 더불어 형태적으로 구축한 예로 도요타의 프리우스와 혼다의 인사이트 그리고 GM의 볼트를 들 수 있다. 이들 모델은 친환경의 아이콘으로서 조형적 차별화를 강조하였고 새로운 프로파일과 혁신적 디자인의 근거를 공기역학적 성능향상에서 찾았다. 실제로 이 차들의 공기저항계수는 일반 해치백 자동차들에 비해 낮으며 디자인 프로세스에서 공기역학적인 형상에 대한 연구에 집중하였다.

2. 디자인 프로세스에서 공기역학
현재 자동차 디자인의 실체적 연구와 활용은 글로벌 기업들에 의해 이루어져 디자인 프로세스 또한 효율화가 중심이 되고 있다. 이는 상품을 기획하고 생산, 판매하여 이익을 추구하는 기업의 속성 상 개발기간에 대한 타임매니지먼트가 중요하기 때문이다. 또한 각각의 단계에 참여하는 다양한 전문분야 인력들의 원활한 소통 역시 필수적이다.

이를 위해 일반적으로 활용되는 디지털 기반의 PLM(Product Lifecycle Management)은 기획에서부터 사용 후 폐기까지의 프로세스 전반에 관한 고민으로 등장하였다. 그 세부 과정 중에 하나인 CFD(Computational Fluid Dynamics : 전산유체역학)의 경우 디자이너에 의해 구상된 차체형상 디지털 데이터를 공기역학 엔지니어가 간단히 변환시켜 테스트한다.

특히 엔지니어와 디자이너의 의견 조율 시에 데이터를 통해 공기역학 테스트와 조형 검토가 동시에 이루어져 오류를 줄이며 시간과 자원을 효율적으로 활용하는 유기적인 시스템이 가동되고 있다. 공기역학적 형상 검토가 디자인 초기 단계에서부터 가능해져 보다 체계적으로 디자인 조형을 공기역학적으로 최적화할 수 있다. 일반적인 자동차의 공기역학적 디자인 개발을 위한 프로세스는 대략적으로 다음 5가지 주요 단계로 구분하여 볼 수 있다.

1) 공기역학을 고려한 초기 스케치 (Rough Sketch)
초기 디자인 단계에서 디자이너는 프로젝트의 컨셉을 기초로 한 다양한 아이디어의 조형을 스케치 한다.

이 단계에서 공기역학을 고려할 때, 이후 프로세스에서 공기역학적 디자인 개발은 더욱 매끄럽게 진행될 수 있다. 따라서 디자이너의 기본적인 공기역학적 지식은 필수적으로 요구된다.

2) 공기역학적 디자인 구체화 (Rendering / Digital Modeling)
초기 스케치 단계에서 선택된 3~4가지의 디자인 아이디어들을 디자이너와 공기역학 엔지니어간의 협업을 통하여 공기역학적인 형태로 최적화해 나아간다. 이 단계에서는 공기역학 엔지니어와 디자이너가 컨셉과 패키지를 유지하며 공기역학 최적화 형태에 대해 보다 구체적으로 정보를 교류할 수 있다. 최근에는 CFD 시뮬레이션을 통해 기본적인 디자인 조형에 대한 테스트가 시작되고 있다.(디지털 모델링된 디자인을 컴퓨
터로 미리 공기역학 실험을 함)

3) 스케일 모델제작과 풍동실험 (Clay / Physical Scale Model)
이전 단계의 2D 렌더링 또는 디지털 모델에서 품평을 거쳐 1~2안이 채택되면 축소 스케일모델을 이용한 풍동실험과 CFD 해석을 병행하여 디테일한 조형요소들의 공기역학적 형태를 최적화한다. 스케일 모델을 이용한 풍동실험은 기본적인 자동차의 공기역학적 운동성능을 검토해 볼 수 있으며 인테이크를 통한 냉각 공기의 흐름 또한 이 단계에서 검토된다. 외관 디자인의 공기역학 성능은 인테이크 홀의 유무 또는 위치와 형태에 따라 달라질 수 있다. 따라서 라디에이터의 위치와 엔진룸 내부의 공기 흐름을 이 단계에서 반복적으로 테스트하여 최적화한다. 공기역학에 최적화된 외장디자인이라 할지라도 차체 바닥의 형상과 공기 흐름에 따라 크게 달라질 수 있어 풍동 실험 시에 실제 주행과 같은 공기흐름을 유지하기 위해 무빙벨트 위에서 테스트를 하기도 한다.

4) 풀 스케일 모델의 수정과 디자인 고정
최종 선택된 디자인의 풀 스케일(1:1 모델) 모델을 제작하여 외장디자인 조형에 대한 미세한 조정이 이루어지고 바닥면의 형태도 최적화 된다. 품평과 수정을 통하여 디자인 고정 단계에 이르며 이후 외장디자인의 주요한 변화는 일어나지 않는다.

5) 프로토 타입(Prototype) 풍동실험과 에어로 파트(Aero Part) 보강
외관디자인이 확정되면 실차와 동일 구성을 가진 프로토 타입(원형차)에 대한 풍동실험을 실시한다. 목표성능을 달성하기 위해 차체하부의 최적화 검토가 다시 이루어진다. 프로토 타입은 디자인 모델과 달리 차체 하부에 실제 부품들이 조립되어 있기때문에 일반적으로 플랫하지 못하다. 에어로 파트를 추가하여 최종적으로 공기역학적 조형이 최적화된다. 슈퍼 스포츠카 또는 경주용 차량과 같은 공기역학 성능이 중시되는 차종의 경우에는 보다 면밀한 테스트와 분석을 거치게 된다.

이상의 프로세스는 현재 일반적인 공기역학적 디자인 결과를 얻기 위한 순차적 과정이며 이는 지금까지의 자동차 디자인 연대기 속에서 수많은 공기역학 엔지니어와 디자이너의 노력과 열정으로 검증된 이론과 데이터들을 기반으로 정리된 것이다.

3. 자동차 공기역학 디자인의 시작
자동차 디자인의 역사를 연대기적으로 나열하여 볼 때 자동차 형상의 변화는 기술의 발전과 사회, 문화, 경제 상황에 영향을 받으며 지속적으로 진화하여 왔다. 공기역학적 관점에서도 일정한 방향성을 찾을 수 있다. 이를 연대기적으로 나열하여 보면 더욱 선명하게 드러나며 이는 자동차 디자인사적으로도 조형 진화의 방향을 보여주는 중요한 지표이다.

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1) 조형통합화를 통한 공기역학 디자인
자동차 디자인은 공학 기술적 성과와 시대적인 조형 트렌드를 반영하며 진화되어왔다. 공기역학적 자동차 디자인의 시작 시기를 풍동 실험을 통한 수치해석과 최적화 적용의 시점으로 규정하는 것이 옳다. 그러나 달리기 위한 기계를 좀 더 빠르고 효율적으로 만들기 위해 초창기 엔지니어들이 경험적으로 체득한 공기저항에 대한 통찰력을 디자인에 적용하며 시작했다고 볼 수도 있다.

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일반적으로 자동차의 시작은‘말 없는 마차(Horseless Wagon)’의 개념으로 마차와 바퀴를 만들던 보디빌더(Bodybuilder)①라는 산업혁명 초기의 엔지니어들의 수공예 차체 제작과 내연기관의 엔진의 발명이 더해져 시작되었다. 이후 주행과 안전 편의를 위해 필요한 기능(헤드라이트, 윈도우, 혼, 머드가드, 여행 가방, 스페어타이어 등)을 단순히 차체에 덧붙이는 방식으로 추가하였다.

1909년 포드의 T-model이 상자형의 캐빈(Cabin : 승차 공간)과 엔진후드 사이 카울(Cowl) 부위를 프레스공법으로 곡선 처리하며 자동차 차체 조형의 통합화가 시작되었다. 각각의 조형요소들이 차체를 기준으로 일체화되면서 공기의 흐름을 보다 원활하게 만들기 시작했다. 머드가드와 차체 사이의 틈이 줄어들었고 외부에 달려 있던 헤드라이트는 차체와 일체화되어 볼륨 있는 휀더와 조형적으로 연결되었다. 의도적이든 그
렇지 않던 간에 공기역학적 성능은 개선되기 시작한 것이다.

기계 기술도 발전하여 1910년대 후반까지 차체 앞까지 돌출 되어있던 충격 흡수를 위한 스프링과 차축을 차체 아래로 이동하였다. 라디에이터는 프런트 그릴 뒤로 위치하여 후드 속에 배치되었다. 변속기나 브레이크와 같은 조종을 위한 레버들은 사용 편의를 위하여 운전석 근처로 이동하였다. 이러한 자동차 디자인의 발전 방향은 실제 공기역학을 고려한 실험과 수치해석이 설계에 기인한다기보다 주행을 통한 경험적 통찰력에 의해 문제들을 해결하였다.

2) 공기역학 자동차 디자인의 태동
1920년대에 들어서 바우하우스②와 같은 기계적 합리주의 속에서 자동차 디자인 역시 논리적이고 이유가 충분한 형태를 추구하게 된다. 비행기의 출현과 항공역학의 기본원리가 1920년대 당시의 엔지니어들 사이에서 공유되었으며 초보적인 공기역학(Aerodynamics)의 개념은 이미 일반화되어 있었다. 특히 독일에서는 1920년대 초반부터 자동차에 대한 풍동실험이 시행되었다. 비틀의 원형으로 알려진 폭스바겐 타입1의 초기디자인 과정에 디자이너 Erwin Komenda에 의해 기본적인 풍동실험을 하여 최적화③하였다. 그 결과 물방울(티어드롭 스타일 : Tear-drop Shaped) 모양의 조형특징을 지닌 비틀이 탄생하게 되었다.

1930년대는 공기역학을 고려한 자동차 디자인에 주목할만한 연구가 등장하였다. 독일의 Wunibald Kamm 박사의 코다 트론카 Coda Tronca(Kamm-tail)④ 이론으로 이전까지 최적화된 공기역학 형태로 받아들여졌던 물방울 모양의 유선형 후방에서 공기의 흐름이 다시 모아지면서 뭉치게 되는 공력 특성의 단점을 보완한 것이다. 물방울 꼬리의 끝부분을 잘라내 유선형을 타고 흐르는 공기의 마찰 저항을 줄이며 공기의 흐름을 개선하여 공기역학 성능을 높일 수 있다는 내용이었다.

자동차를 위한 공기역학 연구의 가속화는 1930년대 자동차 경주 열풍에 기인한다. 당시 자동차 경주는 대중에게 커다란 호응을 받았으며 이를 정치적으로 이용하고자 했던 독일과 이에 대항하는 유럽의 기술선진국들 그리고 자동차 대중화를 통해 판매에 열을 올렸던 미국 자동차 업체들은 속도 경쟁에 몰입하였다.

티어드롭 스타일의 시작으로 폭스바겐 비틀과 함께 크라이슬러의 에어필로우(Chrysler Airflow 1934)가 있다. 대중을 위한 양산 자동차인 에어필로우의 광고에는 공기역학적인 유선형의 외장디자인의 형태를 강조하여 고성능의 이미지와 특별함을 부각시켰다(그림 3).

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1930년대 중반부터 자동차 외장의 개별 조형 요소들은 통합을 이루며 일체화된 차체로 발전하여 공기역학적 성능이 좋아졌다. 예를 들어 헤드라이트는 프런트 후드와 펜더 사이에 매립되어 공기역학적인 디자인 방향으로 진화를 시작하였다(그림 4). 그러나 곧 이은 2차 세계대전으로 자동차 생산 라인은 군수물자 생산으로 대체되어 연구 개발의 공백기를 갖게 되었고 전후 1950년대로 계승되었다.

4. 공기역학적 자동차 디자인의 오해
2차 대전이 끝나면서 자동차의 중심지로 양분되어 있던 미국과 유럽은 극명한 대조를 보인다. 전쟁의 피해를 입은 유럽이 자동차 디자인과 공기역학의 발전이 주춤하는 사이 미국은 전쟁무기 제조기술과 설비에 힘입어 세계 자동차 기술과 시장을 리드하게 된다. 1950년대를 지나면서 미국 전체 가정의 60% 정도가 차량을 보유하게 되어 진정한‘Motorization(자동차 대중화 시대)’을 열었다. 디자인 조형의 자유도는 점차 증대되었고 이를 통해 다양한 스타일이 활기를 띠게 되었다.

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디자인 조형은 점점 더 자극적으로 표현되어 소비자들의 이목을 끄는데 집중했고 제트기와 미사일 등 소비자의 시각에서 미래적이고 첨단의 이미지로 각인되어 있는 대상의 특징을 자동차 디자인에 검증 없이 반영하였다. 그 결과 공기역학적 성능과 무관한 테일핀(Tail-Fin) 스타일(그림 6)이나 항공기의 노우즈를 연상하게 하는 프런트 마스크(그림 7)를 적용하였으며 개성이 강하고 날렵한 스타일을 지향하게 되었다. 이후 테일핀 스타일은 여러 메이커에서 제작되었고 유럽의 메이커들도 영향을 받았다 (그림 6). 결과적으로 공기역학을 실제성능 향상을 위해 적용한 것이 아니라 소비자의 니즈를 만족시키기 위해 단지 공기역학적으로 보이는가에 집중한 것이다.

5. 공기역학 디자인의 본격화
자동차들은 시대적 조형 트렌드를 반영한 스타일(그래픽 특징)과 동시에 차체 프로포션(스탠스)과 프로파일(실루엣라인) 등 디자인 핵심에는 공기역학을 고려한 기준들이 적용되었다. 특히 최근 들어 발달한 디지털 기반의 PLM 프로세스 운용환경에서는 CFD 테스트가 초기 디자인 단계에서도 적용 가능하기에 보다 심미적으로 우수하며 목표 공기저항계수에 부합하는 디자인을 개발할 수 있다.

1964년 알파로메오 TZ1은 공기역학 성능을 향상시키기 위해 코다 트론카(Coda Tronca) 원리를 과감하게 적용하였다. 이 형태의 특징은 현재 알파로메오 스포츠카에도 계승되어 TZ3(2010)로 진화되어 나타난다 (그림 7). 알파로메오의 디자인 헤리티지의 한 부분을 차지하는 조형은 당시의 자동차 경주에서 거둔 우수한 성적에 공기역학 성능이 일정부분 기여했다. 그리고 패스트백(Fastback)⑤의 형태 특징이 코다 드론카 적용과 어우러져 심미적으로도 우수하여 관중들에게 각인되었기 때문이다.

1) 코다 드론카 원리(Coda Tronca)
코다 드론카 효과는 모든 형태의 자동차에 적용하여 같은 효과를 볼 수는 없으나 현재의 패스트백 스타일의 자동차의 후면부분 처리에서 거의 응용되어 디자인에 접목되고 있다. 적절한 각도의 리어글라스와 자연스럽게 연결되는 트렁크 리드의 엔드라인에 엣지를 주어 코다 트론카 효과를 사용하고 있으며 노치 백에서는 리어엔드에서의 엣지 또는 간략화된 스포일러처럼 보이는 에어로 파트를 더하여 공기저항을 줄이고 있다.

트렁크 리드의 리어엔드에 엣지를 주는 처리는 디자인적 측면에서 쉽게 적용할 수 있으나 측면의 리어엔드의 경우엔 디자인적으로 한 가지 문제가 생긴다. 프런트 쿼터뷰에서 리어오버행이 상대적으로 길어보이기 때문이다. 그래서 최근 모델들에서는 투명한 테일 램프 커버를 이용해서 부분적인 코다 드론카 효과를 측면 리어엔드에서도 만들고 있다.

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2009년형 렉서스 HS250h는 전후면 어떠한 뷰에서도 차체측면의 뒤쪽 끝에서 코다 트론카를 사용한 흔적이 없다. 그러나 투명한 램프커버에(그림 9) 코다 드론카 처리⑥하였음을 알 수 있다.

2) 공기역학 디자인의 전성기
1967년 Audi NSU RO 80 모델은(그림 10) 앞부분이 아래로 처지고 뒷부분이 위로 높여진 쐐기 형태의 역동적인 프로파일의 전형으로 볼 수 있다. 이전의 유기적인 선들 대신에 텐션(Tension)있는 선을 기본으로 하는 솔리드한 메스의 조형이 특징이며 공기역학을 본격적인 양산 자동차에 적용하여 디자인 논리를 더하였다. 4도어 세단임에도 실제 공기저항계수⑦를 현저하게 낮추는 성과를 보였다. 양산 세단에서 스포츠 드라이빙 수준의 엔진 성능과 4도어의 실용성 두 가지를 만족시켰다.

더욱이 1970년대 두 번의 오일쇼크와 이어진 경제상황의 악화는 미국 중심의 대형화와 고성능화의 자동차 진화 방향을 멈췄고 경제적∙기술적으로 2차 대전의 상처를 치유한 유럽의 자동차 브랜드들의 공격적인 기술 개발과 경쟁하며 공기역학의 전성기를 맞았다. 공기저항계수로 수치화된 공기역학을 연비를 높이는 주요 요소로 홍보하여 경제위기에 대처한 것이다. 특히 독일 자동차 3사를 중심으로 수치로 비교되는 공기저항계수의 최소화는 자존심을 내건 경쟁이었다.

1980~1990년대를 거치며 다양한 에어로 파트들을 개발 적용하여 디테일한 부분에도 공기역학 최적화 기술을 적용하였다. 이는 비교적 저렴한 개발비를 투자하여 모델을 마이너체인지 하기에 적합하였으며 지속적인 공기역학 테스트를 통하여 얻은 데이터를 이용해 실제로 에어로 파트는 공기저항계수를 감소시키는 효과가 있었다.

결과적으로 1980년대는 공기역학 기술의 보편화와 이를 통한 연비효율 상승과 소음감소 등 타당한 이유들이 자동차 디자인을 통해 정리되어 소비자에게 홍보되었으며 공식적으로 공기저항계수의 표기가 일반화 되었다. 1990년대는 이전의 직선적 중심의 조형에서 자동차의 프로파일과 캐릭터라인 펜더와 벨트 라인 등 전체적으로 부드럽게 라운드 처리된 형태로 진화하여 공기역학에 더욱 유리한 부분이 있었다 (그림 11).

1990년대 공기역학에 기초한 캐빈포워드(Cabin Forward) 프로파일이 등장하였다. 엔진기술의 발전으로 소형화가 가능해져 FR 플렛폼에서 FF 플랫폼 방식으로 전환이 가능해졌다. 이는 엔진을 축소하며 앞쪽으로 이동 배치해 상대적으로 캐빈의 길이를 증가시켜 승차 공간을 확장하였다. 탑승자 중심의 자동차 개발이 이루어졌으며 외장디자인에 캐빈포워드 방식으로 정리되었다.

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이후 자동차는 디지털 기술 혁신과 더불어 개발에서부터 생산까지의 시스템도 향상되어 메이커 간의 기술격차도 크게 줄어들었다. 또한 도장 기술과 표면처리 기술의 발달을 통해 공기역학적 성능이 더욱 향상되었다.

6. 결론
자동차의 외형 설계는 상품화의 측면에서 매우 중요한 부분을 차지해 신 모델 개발 비용의 큰 부분이 외형설계에 할당되고 있다. 자동차의 외장에 미적 감각을 고려한 설계와 함께 소비자들의 자동차 구매의 초점이 운용의 경제성에 맞추어져 자동차의 공기역학적 특성을 고려한 디자인으로 소비자들의 니즈에 부합하여야 한다. 매력적인 디자인 조형과 공기역학의 공학적 요구조건을 높은 수준으로 균형 잡는 과정은 쉽지 않다.

그러나 디자이너가 공기흐름의 특징과 공기역학의 기본원리를 이해한다면, 공기역학적으로 최적화된 성능과 동시에 심미성을 지닌 지속가능하고 매력적인 자동차 디자인을 개발할 수 있을 것이다.
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