[김 기자의 모터키즈] 자동차에 스며든 전투기 항공역학

슈퍼카는 자동차가 고성능을 추구할 때 도달하는 하나의 궁극점입니다. 100여년 자동차 역사는 언제나 이 궁극점을 향한 도전과 싸움의 연속이었지요. 그러나 우리는 알고 있습니다. 그 싸움은 절대 끝나지 않습니다. 그 끝에는 언제나 또 다른 목표가 오롯이 서려있기 때문이지요.

◇ 물리적인 한계를 극복하기 위한 자동차 회사의 전쟁

그렇게 자동차의 한계를 넘어서기 위한 수많은 노력이 이어져 왔습니다. 그 가운데 공기와 맞서기 위한 인간의 노력도 뚜렷하게 존재합니다. 공기와의 싸움은 중요합니다. 자동차가 도전하는 속도의 영역이 더욱 높아졌습니다. 속도가 올라갈수록 공기저항이 차 성능에 미치는 영향력이 크기 때문입니다.

공기는 단순하게 맞서 이길 수 없습니다. 자동차에게 공기저항은 오히려 다스려야할 덕목이 됐는데요. 공기에 맞서기보다 공기를 다스리는 쪽으로 자동차 개발은 방향을 잡았습니다.

이처럼 자동차가 달릴 때, 맞서서 닥쳐오는 공기를 다스려야하는 이유는 무엇일까요.

먼저 공기저항이 적은 차는 그만큼 고속에서 안정적이고 연비도 유리합니다. 차가 움직이는 과정에서 여러 가지 물리적인 저항이 등장합니다. 공기저항은 타이어의 접지력과 함께 가장 중요한 부분이 된 것이지요.

▲공기저항과 맞서는 자동차 회사의 노력은 처연하기 까지합니다. 차의 아래와 위를 가로지르는 공기는 고속영역에서 주행안정성을 판가름하는 중요한 요소입니다. 사진은 메르세데스-벤츠의 윈드 터널 모습. (사진=다임러미디어)

그러나 자동차를 무조건 공기역학에 맞춰 개발할 수도 없습니다. 쓰임새에 맞춰 멋진 디자인을 뽑아내야 합니다. 이를 바탕으로 조금이라도 공기 저항을 덜 받는게 중요합니다. 비록 작은 노력이지만 이 상태에서 공기저항을 극복할 수 있는 요소를 덧대는 것이 정답입니다.

이처럼 공기를 다스리고 순응할 수 있는 디자인은 많습니다. 그 가운데 우리 눈에 보이는 것과 그렇지 않은 것이 있지요.

공장에서 출고되는 차들 대부분 이런 부분에 인색합니다. 공기역할을 중요시하는 스피드 매니아보다 일반적인 운전자의 성향에 맞췄기 때문입니다.

예를 들어 자동차를 구입할 때 “이 부분은 멋진데, 이 부분은 별로네”라는 사람이 있습니다. 안타깝게도 자동차 회사에서 한 명의 운전자를 위해 차를 만들지는 않습니다. 더 많은 사람들이 좋아할 수 있는 디자인을 뽑아내는 게 목표입니다.

◇ 에어 스포일러에 담긴 과학적 원리

다양한 디자인 가운데 눈에 보이지 않는 공기역학적 디자인은 곳곳에 숨어있습니다.

눈에 보이지 않는 것들 가운데 대표적인 것이 ‘차 바닥으로 공기가 원활하게 흐를 수 있도록 한 디자인’이 있습니다. 이른바 ‘에어 언더 테이크’인데요. 차 바닥으로 흘러간 공기가 원활하게 뒤로 빠져나올 수 있도록 디자인한 것이지요.

그러나 고성능 슈퍼카가 아닌 이상, 자동차 회사에서 일반 차량의 차 바닥까지 신경을 쓰는 일은 없습니다.

▲자동차의 외부를 흐르는 공기 만큼, 차 바닥으로 흘러가는 공기도 중요합니다. 자칫 차 뒤쪽에서 엄청난 공기의 힘이 차를 들어올릴 수도 있으니까요. 사진은 차 바닥의 흐름까지 고려한 페라리 F430의 모습.

반면 눈에 보이는 공기역학적 디자인은 많습니다. 앞뒤 또는 차 옆면이 공기저항을 덜 받게끔 디자인 한 것입니다. 흔히 에어 스커트라고 부릅니다. 또 있습니다. 공기저항을 줄일 수 있도록 만든 디자인 가운데 가장 흔한 것이 바로 '에어 스포일러(Air Spoiler)' 입니다.

에어 스포일러는 흔히 차 뒤쪽에 장착하는 날개로 불립니다. 단순하게 모양새만 그럴싸한 날개는 아닙니다. 디자인적인 요소를 넘어 기능적인 역할도 합니다.

언뜻 “고속에서 차 뒤쪽이 뜬다는데 이 날개를 달아놓으면 바람이 차체를 눌러주겠구나”싶은 생각을 하게 되는데요. 이 에어 스포일러에는 우리가 아는 것 이상으로 많은 과학적 원리를 담고 있습니다. 자! 그럼 에어 스포일러에 감춰진 갖가지 비밀을 살펴볼까요.

◇ 항공기 설계 기술이 스며든 자동차 공기역학

먼저 에어 스포일러를 이해하기 전, 비행기 날개의 원리를 알아보면 도움이 됩니다.

비행기 여행들 많이 해보셨지요? 창가 쪽에 앉아 쭉 뻗은 날개를 바라보면 가슴이 탁 트이는 기분도 밀려듭니다. 그런데 이 여객기 날개를 가만히 살펴보면 신기한 게 많습니다. 이륙할 때 또는 착륙할 때 날개가 이상스럽게 변하기도 하지요. 이른바 플랩 업-다운입니다.

그럼 비행기가 하늘을 날게 되는 원리를 먼저 살펴보죠.

비행기가 하늘을 날기 위해서는 물리적으로 크게 4가지 힘이 필요합니다. 무조건 필요한 것도 아닙니다. 이 4가지 힘이 서로 균형을 이뤘을 때 비행기는 안정적으로 그리고 안전하게 하늘을 날게 됩니다. 이 4가지 힘은 바로 △추력과 △항력, △양력과 △중력입니다.

첫 번째 힘 추력은 비행기가 앞으로 나아갈 수 있도록 뒤에서 밀어주는 힘을 의미합니다. 여기에 맞서 비행기 앞을 가로막는 항력(저항력이라고도 합니다)도 필요합니다.

셋 째 비행기가 하늘로 올라가려는 힘인 양력(揚力)은 당연히 필수겠지요. 마지막으로 하늘로 뜨려는 비행기를 아래로 잡아당겨주는 중력도 반드시 필요합니다.

정리해보면 추력과 항력, 양력과 중력 가운데 하나라도 충분한 힘을 갖추지 못하면 비행기는 뜨고 내릴 수 없습니다. 비행기를 앞으로 밀어주는 추력이 부족하면 충분한 속도를 내지 못합니다. 비행기를 앞에서 막아서는 항력이 없다면 비행기는 한없이 날아가 버리고 멈추지 못합니다.

공중으로 비행기를 띄워주는 양력이 없으면 당연히 날지 못하겠지요. 또 바닥으로 비행기를 끌어당기는 중력이 없다면 비행기는 한없이 하늘로 날아가 버리고 맙니다.

총 4가지 물리학적인 원리 가운데 오늘 살펴볼 힘은 바로 공중으로 비행기를 띄우는 힘. 바로 양력입니다.

여객기 날개를 가만히 살펴보면 앞쪽은 날개가 두툼하지요? 반면 날개 뒤쪽은 날카롭고 가늘게 만들어져 있습니다. 이런 구조는 바로 공중으로 날개를 띄우는 힘. 즉 양력을 위한 디자인입니다. 단, 초음속 영역을 넘나드는 전투기의 경우 날개 앞뒤가 얇고 중간 부분이 두툼합니다.

이 날개가 빠른 속도로 공기를 갈라놓으면 앞에서 불어닥친 한 덩어리의 공기도 위아래로 갈라집니다. 이렇게 날개 밑으로 들어간 공기(A)와, 날개 위를 넘어가는 공기(B)는 서로 만나려는 성질을 강하게 지니고 있습니다. 애당초 하나의 공기였으니까요.

이때 날개 밑을 통과한 공기A는 속도가 느리며 힘이 남아있습니다. 반면 날개 위를 넘어온, 그러니까 상대적으로 먼 거리를 돌아온 공기B는 속도가 빠르고 힘이 부족합니다. 기압도 차이가 납니다. 날개 아래쪽은 높은 기압, 날개 위쪽은 낮은 기압을 지닙니다.

▲직선으로 뻗어나가는 공기A는 날개 뒷부분에서 공기B와 만납니다. 이때 공기A의 기압은 높고, 공기B의 기압은 상대적으로 낮습니다. 결국 공기A가 공기B를 밀어올리는 물리적인 현상이 생깁니다. 이른바 양력입니다.

날개가 끝나는 지점에서 공기A와 공기B는 만나게 됩니다. 그러나 위아래로 갈라졌던 공기의 힘은 날개를 통과하면서 특성이 달라집니다.

천천히 오면서 힘이 남아돌았던 공기A는 힘이 강력합니다. 그러나 날개 위를 넘어서 빨리 달려온, 그래서 힘이 부족한 공기B는 상대적으로 힘을 못 냅니다. 날개 끝에서 A와 B가 만나는 순간, 힘이 강력한 A는 B를 밀어올리게 됩니다. 힘이 빠진 B는 A에 밀리면서 하늘로 올라 갑니다. 비행기 날개 끝에서 양력이 생기는 이유가 여기에 있습니다.

결국 비행기 속도가 빨라지면 빨라질수록 A는 힘이 더 커지고, B는 힘이 더 약해집니다. 또 공기A는 높은 기압으로 바뀌고, 공기B는 낮은 기압이 됩니다.

결국 A가 B를 밀어 올리는 힘이 더욱 커지는 셈이지요. 결국 무거운 비행기도 이 양력을 이용하면 조금씩 조금씩 하늘로 하늘로 올라가게 됩니다.

일단 비행기가 공중에 뜨고 일정한 고도를 유지하는 동안에는 큰 힘이 필요하지 않습니다. 적은 연료를 소모하면서 하늘을 일정한 속도로 비행할 수 있습니다. 인천공항을 이륙해 미국으로 날아가는 여객기는 이륙할 때 전체 연료의 20% 이상을 소모합니다. 기종에 따라 다르지만 그만큼 초기 이륙 때 연료소모가 많다는 뜻입니다.

고도를 높여 시속 900km 안팎으로 날아갈 때에는 속도는 빠르지만 연료 소모는 상대적으로 많지 않답니다.

자~! 이제 날개를 이용한 양력의 원리가 이해되셨나요? 그럼 자동차 엉덩이에 달리는 에어스포일러로 돌아가겠습니다.

이 에어 스포일러는 단순한 날개가 아닙니다. 결론부터 말하자면 비행기 날개를 거꾸로 뒤집어 놓은 셈이라고 보시면 됩니다. 비행기가 날개의 양력을 이용했다면, 자동차의 스포일러는 이 날개를 뒤집어놓은 구조입니다. 양력을 거꾸로 이용한 셈입니다.

한 가지 더 있습니다. 요즘 민간 여객기는 날개 끝이 하늘로 올라가는 윙팁(wing tip) 구조를 지닙니다. 비행기 날개 끝에는 공기가 하늘로 소용돌이치는 이른바 와류(渦流·vortex)가 생깁니다. 이 와류는 적지않은 공기저항이 됩니다. 결국 연료소모가 더 많은 것이지요.

이 윙팁을 장착하면 와류가 줄어듭니다. 와류 탓에 생기는 공기저항이 줄어들어 양력은 더욱 힘을 냅니다. 비행기는 공기저항이 적어 연료가 적게 소모됩니다.

▲여객기 날개 끝이 하늘을 향해 감아올라간 모습입니다. 이른바 윙핀 또는 윙제트라고 표현합니다. 날개 끝에 와류를 줄여줍니다. 연료소모가 적고 안정적인 비행을 도와줍니다. 거꾸로 자동차의 에어스포일러는 양쪽 끝이 바닥을 향하게 됩니다.

▲자동차 스포일러는 비행기 날개를 거꾸로 두었다고 생각하면 맞습니다. 위쪽이 수평이고 아래쪽은 곡면을 지녔습니다. 더불어 비행기 양쪽 날개 끝은 하늘을 향해 올라간 윙핀 스타일이 많습니다. 자동차는 역으로 스포일러의 양쪽 끝이 바닥을 향합니다. (사진=미디어포르쉐AG)

자동차 에어 스포일러 역시 이 항공역학을 이용합니다. 대신 바닥으로 눌러주는 힘을 만들기 위해서 에어 스포일러의 양쪽 끝이 바닥을 향합니다. 항공기와 반대인 셈이지요. 자동차는 네 바퀴가 동일한 힘으로 바닥을 누를 때 가장 안정적으로 순항할 수 있습니다. 이렇게 양력을 거꾸로 이용하면 고속에서 안정감을 얻을 수 있습니다.

◇ 비행기 날개를 거꾸로 이용한 '다운포스' 만들기

다시 비행기 날개로 돌아가볼까요?

날개 밑을 통과하는 공기A는 날개 끝에서 상대적으로 힘이 많이 남는다고 일러드렸는데요. 이 힘이 넘치는 공기A의 힘을 빼는 방법도 있습니다. 그래야 B를 밀어내지 못하고(차가 뜨지 못하고) 자연스럽게 만나게 됩니다.

앞 범퍼 밑으로 통과한 공기 A가 곧바로 차 뒤쪽으로 이어집니다. 이때 공기가 지나가는 통로를 별도로 만드는 것도 방법입니다.

예를 들어 차 바닥에 S자 모양의 공기 통로를 만들어주는 것이지요. 이 통로를 지그재그로 통과하는 공기A는 그만큼 힘이 빠집니다. 차 뒷부분에서 공기B를 맞받아칠 만한 힘이 떨어지면서 양력도 그만큼 줄어드는 것이지요.

결국 차 위를 넘어온 공기B와 비슷하거나 오히려 힘이 더 빠지게(사실 이럴 경우는 드물지만) 되지요. 이러면 차 뒤쪽에서 차를 들어올리지 못하고 공기는 그냥 바닥으로 흐르게 됩니다.

이렇듯 에어 스포일러가 효과를 얻으려면 몇 가지 조건이 있습니다. 자동차의 차 너비와 비슷한 크기로 디자인해야 합니다. 차 밑으로 들어가는 공기량과 차 지붕을 타고 넘어오는 공기량을 계산하고, 두 공기가 만나는 지점도 가늠해야 합니다.

▲자동차 스포일러는 단순한 패션 이상의 의미를 지닙니다. 양산차의 경우 큰 효과를 얻을 수 없지만 초고속 영역에서는 적잖은 효과를 얻을 수도 있지요.

▲자동차에는 수많은 항공기 공기역학이 접목됐습니다. 사진은 록히드마틴 F-22 랩터.(사진=록히드마틴)

가장 완벽한 스포일러는 세상에 존재하지 않습니다. 차 속도에 따라서 공기역학, 공기저항이 달라지기 때문인데요. 차 속도에 따라 모양을 바꾸는 스포일러가 가장 이상적이지만 현실은 어렵습니다.

요즘은 모양은 못 바꿔도 스포일러의 높이는 스스로 바꾸는 차가 나오기도 합니다. 그나마 다행인 것이지요.

오늘부터 주변에 서있는 차들의 스포일러를 가만히 살펴보시죠. 어느 정도 기능성을 지니고 있는지 가늠할 수 있게 됩니다.

그러나 안타깝게도 국내 양산 자동차의 에어 스포일러 가운데 제 기능을 해내는 차종은 없습니다. 단언컨대 우리 주변 자동차는 이러한 공기역학적 기능성을 염두에 두고 에어 스포일러를 장착하지 않습니다. 심지어 SUV마저 스포일러를 장착하고 출고되는 세상이니까요. 이들은 오로지 겉보기에 멋진 차를 위해 패션감각이 서려있는 에어 스포일러가 더 많은 상황이니까요.

그러나 초고속영역을 넘나드는 슈퍼카와 슈퍼 스포츠카라면 사정이 달라집니다. 작은 스포일러는 한계속도까지 달리는 당신을 노면으로 짓눌러줄 수 있습니다.

자동차에는 이처럼 다양한 역할 기술이 담겨있습니다. 우리가 크게 신경쓰지 않지만 그 안에는 밤잠을 줄여가며 연구에 매진해온 자동차 회사 연구원들의 노력과 땀이 오롯이 서려있습니다.