출처 : https://motorsport.tech/formula-1/f1-in-2022-how-teams-may-interpret-the-regulation-changes
F1의 기술 규정 다시 작성하는 작업은 수년 동안 준비되어왔고 FIA는 매우 달라진 2022년 F1 차를 공개했습니다. 이번에 보여준 것이 실제 F1 차는 아니지만 기술 규정의 변화에 따른 더 커진 휠 크기와 편평 타이어* 및 더 쉬운 추월을 위한 공기역학적 설계의 모습을 통해 새로운 시대가 시작되었다고 느끼게 해줍니다.
편평 타이어(low profile tyre) : 높이에 비해 폭이 넓은 타이어
다운포스를 늘리기 위해 도입된 언더플로어 터널 및 사이드포드* 입구를 볼 수 있습니다. 또한 프론트 윙 끝부분에 삼각형 모양의 엔드플레이트, 리어 윙에 있던 엔드플레이트가 사라진 모습, 프론트 타이어 부분의 핀과 휠 커버도 볼 수 있습니다. 이 설계는 차량이 지나간 뒤 생기는 웨이크 터뷸런스를 줄이는 것을 증명했습니다. 웨이크 타뷸러스는 다른 차량의 언더플로어와 윙들에서 발생하는 다운포스와 차량의 밸런스를 잃게 합니다.
*사이드포드(sidepod) : 프론트 휠과 리어 휠 사이 섀시 양쪽의 바디워크를 총칭하는 말
자동차가 지나가면 차에 부딪친 공기에 의해 생성되는 기류를 웨이크 터뷸런스라 한다
F1의 기술 규제는 오랫동안 늘어났습니다. 몇 페이지에서 2021년에는 130페이지가 넘는 문서가 되었습니다. 새로운 규칙을 제정하는 과정은 지난 몇 시즌까진 비슷했습니다. 역사적으로 기술 규제는 공학적 요소보단 차량의 속도를 늦춰 안전을 확보한 것과 같이 스포츠 외적인 요소에 의해 결정되었습니다.
각종 사건에 대응하여 만들어진 규정은 깊게 고려되거나, 동료(peer)들에게 평가받지 않아 공학적 목표를 달성하는 경우가 거의 없었습니다. 팀들은 규칙을 우회하기 위해 규칙의 허점이나 다른 해석과 같은 해결 방법만 찾았고, 이 점을 방지하기 위해 규칙은 너무 구체적으로 되어 추월 성능과 비용적으로 나빠졌습니다.
2009년에 있었던 규정 변경을 위한 Overtaking Working Groop만이 이런 문제점을 피했습니다. 팀들은 추월에 대한 문제를 해결하기 위해 공기역학 연구에 투자했지만, 이것 또한 일회성에 불과해 2009년 규정 이후에는 연구하지 않았습니다. 그러나 Libery Media가 FOM*을 인수하면서 Ross Brawn이 현재와 미래의 규칙에서 발생하는 문제를 살펴보는 역할을 맡았고, F1의 관리에 변화가 생겼습니다.
*FOM : Formula One Management Ltd의 약자로 F1의 모든 상업적 권리를 가진 회사 (중계권, 개최권, 마케팅 등등)
Pat Symods, Jason Somerville과 Craig Wilson이 이끄는 연구 그룹은 다른 F1 팀들처럼 직감이 아닌 실제 조사(시뮬레이션, 데이터 측정 등등)를 통해 추월 성능을 향상하는 것을 목표했고, 완벽한 분석을 할 수 있는 충분한 엔지니어와 자원을 받았습니다. FOM의 변화를 통해 연구 그룹은 문제를 조사한 후 변경사항을 제한하는 것뿐만 아니라 실제로 제작하여 변경 사항을 테스트 할 수 있었습니다. 단순히 변화된 규칙을 따르는 것이 아니라 다른 F1 팀들처럼 '규칙을 우회하려면 어떻게 해야 할까?'생각하며 새로운 규정은 공표되기 전에 여러 번 시험 되었습니다.
위에서 언급한 것처럼 이번 규칙의 핵심은 다른 차량에 더 가까이 붙어 달릴 수 있도록 하여 DRS나 타이어 성능 저하와 같은 요소 없이 더 많은 추월을 할 수 있게 하는 것입니다. 두 가지 근본적인 문제는 선두 차량이 만들어내는 웨이크 터뷸런스와 그것이 뒤에 붙어 달리는 차량의 다운포스 생성에 얼마나 영향을 주는지입니다. 지금의 차량 성능을 유지하면서 두 가지 모두 제어가 가능해진다면 트랙에서 성능이 개선될 것입니다. 새로운 규칙에는 예산이나 안전과 같은 다른 요소들도 있지만 이 글에서는 2022년 컨셉카에서 보여준 공기역학적 변화에 초점을 맞출 것입니다.
먼저 생각해야 할 것들
영국 그랑프리를 앞두고 보여준 자동차와 영상은 많은 팬을 혼란스럽게 했을 수도 있습니다. 먼저 공개로 인해 혼란스러운 상황을 정리하겠습니다.
그리드 위에 드라이버와 함께 있던 자동차는 FIA의 새로운 규정에 따라 만들어진 차량이었습니다. 2022년 프리시즌에 전에 각 팀은 자신들의 차량을 개발할 텐데 각 팀이 개발한 자동차는 FIA가 공개한 차량과 다를수도 있습니다.
팀들의 자원과 FIA의 컨셉차량보다 더 높은 성능을 내고 싶어 하는 점들을 생각했을 때 실제 차량은 전체적으로는 비슷하겠지만 부분적으로는 다를 것입니다.
더이상 볼 수 없는 바지보드
바지보드, 핀, 트랩과 같은 공기역학적으로 복잡한 부품들이 사라집니다. 새로운 규정은 좀 더 유연하고 복잡하지 않은 차체의 모양을 만들기 위한 것입니다.
부품의 목표에 관한 계획을 세울 때 모든 팀이 동일하게 사용하는 표준 부품 리스트를 만들자는 의견이 있었지만, 이 의견은 무시되었고, 2022년에 새롭게 추가된 몇몇 부품을 비롯한 모든 부품은 각자의 팀에서 설계할 것입니다.
처음으로 이야기할 부분은 커다란 노즈와 상자 모양의 사이드포드 입니다. 이 부분은 팀들이 자유롭게 설계가 가능한 부분이라 지금과 같은 얇은 노즈와 작은 사이드포드를 볼 수도 있습니다. 이번 행사에서 보여준 차량은 레이스카로 완벽하게 작동하는 것은 아니기 때문에 DRS, 프론트윙 조절기와 같은 부품들은 아직 합법적이기 때문에 내년 차량에서도 볼 수 있을 것입니다.
따라서 DRS는 2022년에도 유지됩니다. 개정되는 규칙은 DRS 없이 추월을 쉽게 하려고 만들어 졌지만 DRS는 당분간 사라지지 않을 것입니다.
2021년 차량에 대한 주요 비판점은 엄청나게 큰 휠베이스와 과도한 무게이며 이것에 대한 좋은 소식과 나쁜 소식이 있습니다.
좋은 소식은 휠베이스의 최대 길이에 대한 규정이 새롭게 정해진 것이고 나쁜 소식은 정해진 값이 대부분의 차량보다 긴 3.6m라는 것입니다.
2021년 차량과 2022년 차량을 비교하면 길이, 무게, 휠베이스의 크기는 비슷합니다. 하지만 휠베이스가 가장 긴 팀 기준으로 10cm 정도 짧아 졌고 차량의 무게는 더 무거워진 휠과 타이어로 인해 드라이버를 포함해 790kg으로 많이 증가합니다.
내부 구조의 변화
공기역학이 아닌 다른 변경사항은 자세하고 길지만, 요약하면 새로운 차량에는 18인치 편평 타이어로 바뀝니다. 휠 안쪽을 보면 더 커진 브레이크 디스크가 있지만, 이것은 브레이크 쿨링에만 영향을 주고 성능에는 영향이 없습니다.
예산 문제로 사라지는 이너터(J 댐퍼)
서스펜션 디자인에서 복잡한 내부 스프링/댐퍼/이너터가 더 간단해집니다. 전면 격벽과 측면 충돌 영역에 대한 침입 방지 패널의 추가로 안전 또한 강화됩니다. 작년에 발생한 그로장 사고에 대응하여 엔진과 연료탱크의 안전관련 충돌도 테스트 되었고, 바퀴와 유사한 방식으로 리어 윙과 후방 충돌 구조*를 차량에 묶어 날아가는 파편을 억제합니다. 추가로 팀이 사용할 수 있는 새로운 후미등도 있습니다.
* 후방 충돌 구조(rear crash structure) : 뒤에서 충돌했을 때 충격 흡수하면서 부서지는 부분을 말하는 거 같음
파워 유닛은 2025시즌이 끝날 때까지 승인을 받아 지금과 매우 유사한 규정에 따라 만들어집니다. 기어박스도 마찬가지로 같은 기간 동안 한 번의 업그레이드가 허가됩니다. 여기에는 기어박스 상자가 내부에 장착되는 카본 외측 캐리어는 제외되는데, 이것은 다른 서스펜션 형상 등을 허용하도록 변경된 것입니다.
새로운 공기역학 요소
새로운 차체 규칙에 의해 데이터 기반의 선형 좌표계에서 CAD 기반의 직교 좌표계(certesain co-ordinate system)로 변경되었습니다. 이것은 차체가 놓일 수 있거나, 없는 표면의 형태를 정의해 디자이너들이 CAD 시스템을 좀 더 쉽게 사용할 수 있습니다
차체의 모든 영역은 이러한 형태와 오목/볼록 표면의 최소 반경 및 접선 곡률과 같은 다양한 기하학적 구속으로 정의되었습니다.
이것은 일반 팬들에게 혼란스럽게 보일 수 있지만 2009년 사이드포드에 비슷한 제한이 적용되어 2008년의 복잡한 모양에서 2009년의 부드러운 선으로 변화했고, 이 방식이 효과가 있는 것을 입증했습니다.
자동차는 4가지 주요 영역으로 나뉩니다. 먼저 긴 언더바디 터널, 전면 액슬 라인(구동축)에 연결된 프론트 엔드, 후면 액슬 라인에 연결된 리어 엔드, 중앙에 섀시/사이드포드와 연결된 개방된 조종석
지금과 비슷한 방식으로 팀들은 이상적인 결과를 찾기 위해 4가지 영역을 이동시킬 수 있지만, 휠베이스가 3.6m로 제한되어 이전보단 자유롭지 못합니다.
지금과 약간 다른 과거의 그라운드 이펙트 구조, 사이드 스커트가 파손되면 매우 위험해져서 금지되었다.
새로운 공기역학의 핵심은 언더플로어 입니다. 많은 사람들이 그라운드 이펙트라 부르던 것과는 맞기도 하고 틀리기도 합니다. 차의 큰 언더플로우 터널 때문에 혼란이 찾아오지만 1982년에 금지된 그라운드 이펙트는 사이드 스커트로 엄청난 양의 다운포스를 만들었습니다.
2022년 차량 하단
터널은 그라운드 이펙트라 불리는 공기역학적 성능을 통해 날개들보다 훨씬 많은 다운포스를 만들어 냅니다. 스커트와 터널이 함께 쓰이는 게 금지되었지만, 트랙과 가까이 붙어 달리기 때문에 프론트 윙과 플로어에서 그라운드 이펙트는 작동하게 됩니다.
새로운 언더 윙은 스커트를 사용하지 않지만 사이드포드 앞에서 점점 줄어드는 구조의 입구(Converging inlet)가 있고 리어 휠보다 앞에서 시작하는 킥라인(Kickline) 뒷쪽에 큰 디퓨저로 연결됩니다.
이 언더플로어 구조는 다른 부품보다 많은 다운포스를 생성하게 되고, 리어 휠보다 앞에 있는 킥라인이 차량의 밸런스를 좋게 만들어 줍니다. 언더플로어는 프론트/리어 윙보다 웨이크 타뷸러스에 영향을 덜 받게 되므로, 이와 같은 변화를 통해서 차량들이 더 근접해 경주할 것으로 생각합니다. 또한 큰 리어 윙은 차량에서 발생한 웨이크 타뷸러스를 공중으로 올려보내 다른 차량이 좀 더 접근할 수 있게 도와줍니다.
하단부 공기 흐름, 위에 사진에서 볼 수 있듯이 팬스가 4개 있다
새로운 플로어의 입구에 최대 4개의 이터널 펜스를 설치해 하단부에 흐르는 공기 흐름을 관리 할 수 있습니다. 프론트 엣지 윙이라 하는 것이 생겼습니다. 이것은 바지보드와 비슷한 일을 하는데 앞 타이어 쪽에서 오는 웨이크 타뷸러스가 터널에 들어가는 것을 방지하고 밖으로 밀어내는 역할을 합니다.
이러한 장치와 이 장치를 보조하는 부분이 팀들이 개발하기 적합할 부분일 가능성이 높습니다.
섀시 아래 오래된 T-트레이 스플리터는 사라지고 빕(Bib)이라 부리는 뒤꿈치과 같은 부분이 의무화되었습니다. 빕은 규칙에서 유지되는 플랭크(Plank)의 앞쪽 끝을 지지해주는 역할을 합니다.
2018년부터 단순화된 프론트 윙은 깔끔한 디자인으로 유지되며, 4단(4-elements)으로 제한됩니다. 윙도 더 높게 장착되어 차량 하단부에 더 많은 공기 흐름이 갈 수 있게 되어 프론트 윙의 영향력을 낮추고, 각 단의 옆이 내부로 확장되어 노즈와 합쳐집니다.
볼텍스를 만들어 터뷸러스를 차 밖으로 보내는 Y250 볼텍스 프론트 윙
따라서 더는 "neutral centre span of wing", "Y250 볼텍스", "wing mounting pylon" 같은 것은 없습니다. 프론트 윙 각 단은 합쳐지고, 위쪽으로 말려 삼각형 엔드플레이트를 만들어야 합니다. 이 모양은 리어윙 엔드플레이트 디자인과 마찬가지로 미적인 이유로 추가되었습니다.
앞바퀴 주위의 공기 흐름을 설정하는 장비인 엔드플레이트 외부 면에 존재하는 다이브플레인(Dive-Plane)도 허가되었습니다. 팀이 프론트 윙의 단면을 형성하는 방법은 지금과 같이 다양할 것입니다.
위에서 설명한 것처럼 노즈가 옆으로 늘어난 디자인을 할 수 없는 건 아닙니다. 팀들은 지금과 비슷한 모습을 할 것 같지만 충돌테스트를 통과한다면 슬림한 디자인이 될 수도 있습니다. 반경 및 접선 곡선에서 추가적인 제한으로 지금과 같이 노즈에 케이프가 나타나지 않을 수 있습니다. 모양을 수정할 수 있는 범위가 제한되어 있어 케이프는 새로운 언더플로어 모양에서 유용하지 않을 수 있습니다.
노즈 아래 위치한 평면 공간인 케입프, Y250 볼텍스를 위한 부품이다
이러한 규칙 초기에 각 팀을 구별할 수 있는 것은 노즈와 프론트 윙의 교차점입니다. 윙이나 노즈로 정의되는 것이 흐려져 측면에서 결합하는 프론트 윙의 각 단이 있는 밀려나는 노즈 팁 또는 프론트 윙의 각 단에 합쳐지는 노즈처럼 다양한 해결 방법을 시도할 수 있습니다.
새로운 18인치 타이어와 휠은 서스펜션 담당자에게 도전과제이지만 공기역학 담당자에겐 지금까지 사용한 종횡비가 큰 타이어보다 덜 변형된다는 좋은 점이 있습니다. 우리는 바퀴에 고정된 휠 커버를 볼 수 있습니다. 휠 커버는 프론트 타이어가 회전하면서 만들어내는 터뷸런스를 줄이는 데 크게 도움이 됩니다. 내부 브레이크 덕트 영역도 변경되어 2022년에는 2가지 새로운 추가 요소인 타이어 핀과 내부 베인이 있습니다.
타이어 핀은 프론트 타이어 위에 보이는 차체의 작은 부분입니다. 이것은 타이어 뒤에서 발생하는 Airflow Separation을 줄여 항력과 터뷸런스를 줄이는것을 목표로 합니다. 내부 베인은 타이어 하단 가장자리(타이어 스퀴트)에 흘러들어오는 웨이크 터뷸런스를 밖으로 보내어 언더플로어로 들어가는것을 줄입니다.
airflow separation이 늘어나면 항력과 터뷸러스가 늘어난다.
이런 프론트 휠 주변 장비들은 뒤따르는 차량에 영향을 주는 웨이크 터뷸런스를 크게 줄여줄 것입니다.
도입이 확정된 것은 아니지만, 규칙에 따르면 휠 커버에 디스플레이 패널을 추가할 수 있습니다. 이렇게 하면 회전하는 휠 커버에 있는 LED에서 이미지를 내보내 TV에서 볼 수 있습니다. 이 기술은 이전에 다른 카테고리에서 경쟁했으며 F1의 프로토타입 형태로 존재합니다. 하지만 언제 도입될지는 모릅니다.
공기역학적으로 필요하진 않지만, 차체의 형태는 조종석과 노즈 사이에 모노코크(monocoque) 앞부분에 영향을 줍니다. 지금은 노즈와 조종석 사이가 평평하다 경사져 내려가다 노즈에서 만나지만. 2022년에는 상부 전체가 기울어져 있어 더 날렵하게 보입니다. 팬들은 이 디자인이 충돌 시 다른 차량을 조종석 위로 올라가기가 더 쉬워 질 것이라고 지적했습니다. 노즈의 높이가 지금과 비슷하고 헤일로의 보호가 있어 이 문제가 실제로는 크게 문제가 안 될 수도 있습니다.
노즈 및 프론트 윙과 마찬가지로 사이드포드도 컨셉카와 팀의 차량간의 또 다른 차별화된 영역이 될 것입니다. 규정에서는 쐐기 모양의 입구와 시이드포드 중간 부분의 콜라병 모양을 만들기 위해 사이드포드가 들어갈 수 있는 충분한 공간을 만들었습니다. 사이드포드 아래쪽으로 내려가는 큰 쿨링용 구멍도 허용됩니다.
각 팀이 이 문제를 해결하는 방법은 흥미로울 것입니다. 공개된 차에서 볼 수 있는 길쭉한 입구가 그대로 있을진 모르겠지만 커다란 언더컷 모양과 높은 입구는 현재 차량처럼 그대로일 수 있습니다. 쿨링용 구멍의 크기를 고려할 때, 일부 팀들은 콜라병 모양을 유지하는 대신 쿨링용 구멍의 크기를 최대한으로 가져갈 수도 있습니다.
차량 후미를 형성하는 탑 리어 윙은 높고 넓어진 2단 구조로 되며, 마찬가지로 빔 윙도 2단 구조로 됩니다. 탑 리어 윙은 새로운 규정에 의해 엔드플레이트가 없어지는 모습이 되어 약간의 기본보단 약간의 성능 저하가 발생합니다. 반면 빔 윙은 언더플로어 터널에서 나오는 공기 흐름을 배출하는 데 도움이 됩니다.
2014년 하이브리드 파워 유닛이 너무 조용하다 느껴진 후 차량의 배기음을 늘리기 위해 2~3개의 파이프로 분리되었습니다. 이제 빔 윙을 쪼개면서 단일 배기관으로 돌아옵니다. 테일 파이프는 크기, 위치 및 각도가 제한되므로 blown effect가 악용되는 것을 방지합니다.
리어 윙에서 DRS 포드와 최대 2개의 날개를 지지할 수 있는 기둥(Pylon)을 위한 공간이 있습니다. 빔 윙이 후방 지지대 역할을 할 수 있어 팀들은 공기역학과 무게의 균영을 유지한체 빔 윙 또는 기둥 구조를 선택 할 수 있습니다.
차량 후미를 마무리하는 것은 새롭게 도입된 리어 브레이크 덕트입니다. 전면 브레이크 덕트와 달리 타이어 핀은 없지만, 디퓨저와 타이어 사이에 도달하는 딥 스커트 베인을 가질 수 있습니다. 이것들은 또한 각 팀에서 연구할 영역이며 자동차 레이아웃 및 설정을 위한 뼈대가 되는 요소일 것입니다. 베인은 디퓨저를 감싸 차량의 차고에 따라서 달라질 수 있는 다운포스를 더 만들어 줍니다.
낮은 차고(Low Rake)에서 디퓨저는 아래로 확장되지 않지만, 높은 차고(High Rake)에서는 디퓨저 아래에 위치하여 더 길어진 디퓨저를 설정하는 데 도움이 됩니다. 하지만 팀들이 로우 레이크와 하이 레이크를 얼마나 설정할지는 언더 윙이 그 각도에서 얼마나 효율적으로 작동하는지에 달려 있습니다.
터널에 대한 레퍼런스 형태는 제한됩니다. 개발 초기 단계에서는 하이 레이크에서 플로어가 작동하지 않을 수 있습니다. 따라서 브레이크 덕트 베인에서 얻을 수 있는 이익이 줄어듭니다. 이 부분도 첫 시즌의 순위를 결정하는 영역중 하나일 수 있습니다.
정리
이러한 새로운 규칙, 타이어, 서스펜션, 엔진, 기어박스 및 공기역학의 많은 변화로 새로운 승자와 패자를 예측하긴 어려울 것입니다. 더 많은 자원을 가진 팀들은 규제의 허점을 철저하게 조사할 가능성이 높지만, 예산 상한선이 그 이점을 균등화하는데 어느 정도 도움이 됩니다.
2009년 Brawn F1의 더블 디퓨저의 사례처럼 큰 규칙이 변경되면 팀들에게 몇몇 이점을 살려 만들게 할 기회가 찾아옵니다. 이렇게 중간 순위의 팀들은 초반에 약간에 이익을 얻을 수 있지만, 2009년에서 볼 수 있는 것 처럼 큰 팀들은 그 이점을 빨리 따라 하고 따라잡습니다. 반대로 큰 팀들이 규제의 격변 속에서 변화를 극도로 잘못 처리할 위험이 있습니다.
새로운 규칙이 추월을 개선할까요? 이것은 1억 4천만 달러의 질문입니다. 과학 및 공학 작업이 완료되었으며 변경 사항이 도움이 되겠지만 주요 규칙 변경, 현장 확산으로 완화 요인이 있습니다.
주요 규칙의 변화에 따라 승자와 패자가 있으며 결과적으로 상위 팀과 하위 팀의 성능이 크게 다를 것입니다. 팀들은 쉽게 추월할 수 있겠지만 그것은 성능이 비슷하다는 것은 아닙니다. 변경된 규칙을 평가하는 데 오랜 시간이 걸릴 수 있지만, F1은 좋은 방향으로 가고 있는 것처럼 보입니다.
정말 잘봤습니다. 그런데 중간에 보다가 이 대목에서 많이 당황했네요 새로운 차체 규칙에 의해 데이터 기반의 선형 좌표계에서 CAD 기반의 직교 좌표계(certesain co-ordinate system)로 변경되었습니다. 이것은 차체가 놓일 수 있거나, 없는 표면의 형태를 정의해 디자이너들이 CAD 시스템을 좀 더 쉽게 사용할 수 있습니다 아니.... 대체 F1 설계 하는 사람들은 좌표계를 어떻게 쓴거지??? 내 머리론 도저히 이해가 안가네, 이제서야 직교 좌표계??? 이래서 엔지니어 최고봉들이 F1을 하는건가...