d라이브러리

자동차란 공장에서 나온 그대로 타는 것이 최선. 겉 모양 장식을 위해 각종 액세서리를 마구 장착하다보면 보기엔 좋을 지 몰라도 제 성능을 발휘하지 못한다.
 

평소 스피드를 즐기는 L씨(23.대학생)는 얼마전 자신의 '애마' 현대 스쿠프 터보에 거금 30만원을 들여 비행기 날개처럼 생긴 스포일러(일명꽁지날개)를 달았다. 자동차 전문잡지에 나오는 유명 스포츠카처럼 차의 외관이 변해 L씨의 맘에 쏙 들었다. 하지만 문제가 생겼다. 스포일러를 단 이후 차의 최고속도가 평소보다 20km나 떨어진것이다. 아무리 가속페달을 바닥까지 꾹꾹 밟아도 다른 차에 뒤지기만 하는 통에 그는 자존심이 상해버렸다. 더구나 예전과 달리 뒷유리창에 먼지가 많이 끼기 시작했다. 그러나 그로서는 도대체 이유를 알 수 없었다.

결론적으로 말해 자동차의 주행성능을 떨어지게 만든 주범은 스포일러다. 먼지가많이 끼는 이유도 물론 스포일러 때문이다. 그에겐 차의 성능을 본래대로 돌려놓기 위해 스포일러를 떼어내느냐, 아니면 멋진 외관을 위해 성능저하를 감수하느냐의 선택이 있을 뿐이다.
 

바람과의 싸움
 

자동차의 성능은 1차적으로 엔진 출력과 이를 바퀴에 적절한 회전비로 전달해주는 변속기에 따라 좌우된다. 하지만 동력성능에 못지않게 차의 성능을 좌우하는 요소가 있다. 타이어나 노면 마찰로 일어나는 구름저항(rolling resistance)과 바람에 의한 공기저항(air resistance)이 바로 그것이다.

저속에서는 구름저항이 크지만 속도가 올라갈수록 공기저항의 영향을 많이 받는다. 일반 승용차의 경우 시속 60-85km에서 구름저항과 공기저항의 값이 동일해지며, 그 후부터는 공기저항의 영향이 급격히 커진다.

차 속도가 날로 고속화되는 현실에 비추어 바람을 어떻게 요리하느냐가 차의 성능여부를 가늠한다고 해도 크게 틀리지 않다. 요컨대 성능좋은 자동차 개발은 바람과의 싸움이다.
 

바람과의 관계를 연구하는 것을 공기역학(Aerodynamics)이라 한다. 지난 70년대 이전에는 자동차 메이커들이 공기역학을 중요시하지 않았다. 하지만 오일쇼크 이후 연료소모율을 줄이는 것에 자동차메이커들의 사활이 걸리면서, 동급 엔진과 차체에서 연료소모율을 줄일 수 있는 최대의 방법을 공기역학에서 찾아내려 했다.

공기역학을 자동차에 적용할때 얻는 이득은 단순히 연료경제성만 있는 것이 아니다. 고속에서의 주행안정성, 핸들링의 향상, 주행중 소음 감소, 차내 환기성능 향상, 엔진 및 제동장치의 냉각성능 향상 등이 모두 공기역학의 몫이다. 더욱이 주행중 차체에 끼는 먼지나 흙탕물같은 퇴적물의 제거 또한 공기역학으로 해결할 수 있다.

일반적으로 자동차에 미치는 바람의 힘은 6분력으로 구분하며, 이에 따라 3종류의 힘과 모멘트가 나타난다. 직진하려는 차를 마치 뒤에서 잡아 끌어당기는 듯한 저항을 항력(drag),옆바람에 의한 흔들림을 횡력(side force), 위로뜨려는 힘을 양력(lift)이라 부른다. 또한 이들 힘의 중심인 공기역학중심과 차체의 무게중심의 차이로 인해 앞뒤로 출렁거리는 롤링(rolling), 옆으로 흔들리는 피칭(Pitching),롤링과 피칭이 복합적으로 작용해 차가도는 듯한 요잉(yawing)이 나타난다.

공기역학적으로 가장 이상적인 차는 주행을 방해하는 이 6분력이 최소화된 것이다. 항력, 횡력, 양력을 회소화하면 그에 따른 모멘트도 최소화되기 때문에 자동차 디자인은 6분력 중에서도 3가지 공기저항력을 줄이는데 역점을 둔다.

전면 바람의 저항을 표시하는 단위로 cd계수(drag coefficient)가 있다. cd계수란 물체의 표면에 작용하는 평균압력을 그 때의 저항(항력)으로 나누어준 값으로, 낮을수록 좋다. 편의상 사람의 경우를 1.0으로 보자면 계란이나 돌고래처럼 유선형인 경우의 cd계수는 0.043-0.045정도며,정사각형판은1.10이다. 이밖에 비행기는 0.1-0.19, 승용차는 0.3전후, 버스는 0.38,트럭은 0.8 정도다.

공기역학이라는 말이 어색한 일반인들도 cd계수라는 용어는 광고를 통해 익숙해 있다. 3가지 공기저항력중에서 전면에 미치는 항력이 가장 많은 영향을 미치기 때문에, 보통 자동차의 공기역학적 특성은 cd계수의 높낮음에 따라 판단한다. 국내생산 승용차 cd계수로는 대우자동차의 르망이 0.31, 에스페로가 0.29, 기아자동차의 세피아는 0.32,크레도스가 0.29다(수치는 각사 발표).

횡력은 말뜻과 마찬가지로 옆바람의 영향을 말하며 cs(side coefficient)로 나타낸다. 만일 차가 주행하는 전면에서만 바람이 분다면 횡력은 0이 되지만 실제 이러한 경우는 거의 없다. 차가 주행할때 횡력은 항력과 떼어놓고 볼수 없다. 항력과 횡력의 각도가 차에 영향을 미치기 때문이다.

양력이란 물체를 위로 들어올리는 힘을 말한다. 단위는 cl(lift coefficient)이다. 비행기의 경우는 (+)양력이 발생할수록 좋으며 자동차처럼 지면에 닿아 움직이는 경우는(-)양력이 발생할수록 더욱 성능이 향상된다.

대부분의 승용차는 안타깝게도 (+)양력이 발생한다. 그 이유는 무엇일까? 비행기 날개의 단면을 살펴보면 위쪽이 볼록한 형상을 하고 있다. 공기가 날개주위를 지나칠 때 윗쪽의 흐름속도가 아랫면의 속도보다 빨라 윗면의 압력이 아래면의 압력보다 작다(베르누이의 정리). 그 결과 압력이 낮은 쪽에서 양력이 발생하고 비행기가 뜨는 것이다.

승용차의 단면을 보면 비행기와 마찬가지로 위쪽이 볼록한 형상을 하고 있어 비행기의 경우처럼 양력이 발생한다. 차가뜨면 바퀴와 노면과의 접지력이 떨어져 조정안정성이 떨어진다. 따라서 이에 대한 대책이 필요하다.

위에서 예를 든 cd계수를 살펴보면 승용차와 버스가 별다른 차이를 보이지 않음을 알 수 있다. 그렇다면 유선형이니 돌고래형이니 하는 것은 불필요하지 않을까. 그러나 자동차의 크기와 cd계수와의 상관관계를 살펴보면 그 이유를 알 수 있다.

자동차의 길이와 폭이 크면 클수록 cd계수는 낮아지고 높이가 커질수록 cd계수가 높아진다. 즉 공기저항이 길이와 넓이에는 반비례하고 높이에는 비례하는 것이다. 승용차에 비해 상대적으로 큰 버스는 길이나 폭에 대한 높이의 비율이 그다지 큰 편이 아니다. 버스의 cd계수가 낮은 이유가 여기에 있다. 승용차의 경우 소형일수록 공기저항의 영향을 상대적으로 많이 받기 때문에 공기역학적 고려가 더욱 절실히 요구된다.

공기역학적으로 훌륭하다고 해서 반드시 모든 성능이 우수한 차는 아니다. 얻는 것이 있으면 잃는 것이 있게 마련. 차를 유선형으로 만들면 공기역학적으로 우수해지지만 실내면적이 좋아지게 되는 등 거주성이 나빠진다.

돈버리고 성능 떨어지고, 외관 치장 신중히

자동차 크기 이외에 공기저항력을 줄이기 위한 방법들을 살펴보자 우선 전면바람의 저항인 항력을 줄이기 위해서는 공기의 흐름을 차 앞부분부터 맨 뒷부분까지 원만하게 해준다. 공기정체로 인한 와류(vortex)를 방지해 주는 것이다. 달걀형태가 가장 이상적이라고 종종 언급된다.범퍼는 무딘 형상보다 날카로운 형태가 훨씬 효율적인데, 이유는 날카로운 형태의 차가 진행할 때 범퍼 앞에 생기는 공기의 정체가 훨씬 적기 때문이다. 차의 전면도 라디에이터 그릴이 있는 부분의 경사각은 작게 하고 보닛 부분의 경사각을 크게 해서 전체적으로 경사진 코(slant nose)형태를 한 것이 이상적. 현대 스쿠프와 대우에 스페로를 비롯해 그 이후 나온 신형차들 중 현대 엑센트,아반떼 등 아예라디에이터 그릴이 없는 타입이 많아진 것을 보면 항력에 대한 메이커의 관심이 놓아졌다는 것을 알 수 있다.

범퍼나 차의 앞모양 각도 등은 사용자가 어떻게 바꾸어볼수 없지만 에어댐(차 앞뒤의 범퍼 부분에 장착, 공기 흐름을 원활히 해주는 부품)과 스포일러(차꽁지 날개)등 에어로 파트를 장착하는 방법으로 차의 공기저항을 현저하게 줄일 수 있다. 에어댐과 스포일러는 아예 장착 출고될 경우도 있지만 출고된후 전문튜닝회사에서 제작한 것을 이용할 수 있다. 그러나 에어댐은 전체적으로 공기저항을 줄이는 효과가 있지만 그 자체로는 오히려 항력을 증가시킨다. 따라서 외관상 멋있다고 장착을 하는 경우, 성능의 향상은 커녕 반대의 결과를 가져올 수 있다. 우리나라 시판차중에는 독일 튜닝 전문회사인 이름셔사가 제작한 것을 대우 르망에 장착한 경우를 제외하곤 제대로 공기역학을 고려해 만든 에어로파트가 없다. 섣불리 멋을 부리는 것보다는 출고된 그대로 타는 것이 좋다.

스포일러는 양력을 줄이는데 사용된다. 예전에는 경주용 차량이나 후륜구동 차량의 접지력 향상을 위해 사용됐다가 최근에는 구동방식에 관계없이 많은 차종에 적용되고 있다. 스포일러 장착은 양력을 줄일 수 있지만 항력이 증가한다는 점을 주의해야 한다. 스포일러는 양력을 줄이는 한도에서 될 수 있으면 작은 것이 좋다.

독일 포르셰911의 경우처럼 속도에 따라 저속에서는 내려가 있고 고속에서는 위로 솟는 속도 감응형 스포일러를 채택해 항력증가를 막는 방법을 사용하기도 한다. 물론 스포일러를 장착해 공기의 흐름을 바꾸다 보니 뒷부분에 와류가 형성돼 먼지 등이 본의 아니게 많이 앉는 현상이 일어나는 경우도 있다. 앞서 본 L씨의 차가 이 경우에 해당된다.

차량의 옆면에 다는 에어로파트는 에어스커트라고 하며, 횡력발생을 억제한다. 또 옆면으로의 흐름을 원만하게 해줘 항력 발생 억제에도 도움을 준다. 공기역학적 측면에서 살펴볼때 옆면은 주행중 바람에 의한 소음과도 밀접한 관련이 있다. 소음을 주로 일으키는 요소로는 사이드 미러와 안테나를 들 수 있다. 사이드 미러는 앞문에 붙어 있는 경우보다 보닛에 유선형으로 붙어있는것이 와류발생에 의한 소음을 줄일 수 있다. 그러나 운전시 측면시계를 확보하기 위해 최근에는 일반적으로 문에 붙인다.

특히 우리나라에서는 비가 들이치거나 햇빛을 가리기 위해 차의 유리창에 바이저라는 플라스틱 덮개를 설치하거나 보조 거울 등을 달고 다니는데, 이는 항력증가 뿐만 아니라 고속에서 소음 증가의 원인이 된다는 것을 명심할 필요가 있다.

안테나의 설치도 마찬가지다. 안테나는 항력 증가에는 별 영향을 미치지 못하지만 소음의 주요원인이다. 회초리를 힘차게 내리칠 때나는 소리를 생각한다면 쉽게 짐작할 수 있을 것이다. 안테나를 굳이 설치하고자 한다면 뒷부분에 설치하는 것이 올바른 방법이다.

현재까지 개발된 차중 공기역학을 최대한 고려한 것으로는 일본 미츠비씨사의 HSR-V를 꼽을 수 있다. HSR-V는 스포일러를 뒷트렁트 부분에 좌우 각 1개씩 2개를 장착해서 스포일러 고유특성인 양력증가를 억제하는 것은 물론, 횡력의 영향도 줄일 수 있도록 고안했다. 더구나 재질을 타성열플라스틱으로 만들었으며, 고속에서는 끝부분이 솟아오르도록 조정 할 수 있어 포르셰911과 마찬가지로 항력의 증가없이 양력을 효과적으로 줄일 수 있다.

또한 코너를 돌때 발생하는 저항력을 최소화하도록 한쪽 스포일러만 각도를 바뀌도록해 시시각각으로 변화하는 상황에 대비할 수 있도록 만들어졌다. 심지어 차 바닥의 요철로 항력이 증가하는 것을 막기 위해 평평하게 만든 것은 물론 진동판을 설치, 공기가 차 표면에 붙어 와류를 형성하는 것을 막아 결과적으로 cd계수를 2%정도 감소시켰다. 미국 포드사의 경우 타이어 주변에 발생하는 와류를 억제하기 위해 타이어 전체를 특수 고무로 감싸는 방식으로 cd계수를 0.137까지 끌어내려 전투기와 맞먹는 자동차를 개발했다. 바람과의 싸움이 어디까지 왔는지 알 수 있을 것이다.

센서기술의 개가 에어백

최근 자동차의 안전성에 대한 관심이 고조되면서 에어백이 큰 인기다. 미국에서는 지난해부터 시판차량에 에어백 장착을 의무화했으며 유럽각국도 곧 의무화할 전망이다. 국내 역시 지난2,3년부터 대형차는 물론이고 웬만한 소형차들도 옵션품목으로 에어백을 판매하고 있다.과거에는 차체를 튼튼하게 만드는 것이 가장 안전한 방법이아고 믿었다. 탱크처럼 튼튼한 차가 메이커들의 소명이었다. 그러나 거듭된 충돌테스트 결과 이 믿음은 깨졌다.

차체가 '지나치게'  튼튼하면 충격을 흡수하지 못하고 탑승자에게 그대로 전달돼 오히려 치명적일 수 있기 때문이다. 당연히 이후 자동차 안전의 초점은 "어떻게 하면 탑승객의 충격을 최소화할 수 있을까"로 모아졌다 이로인한 첫 고안물이 안전벨트다 안전벨트 착용으로 충돌시 운전자에게 미치는 충격을 어느정도 완화시킬 수 있다. 하지만 충돌테스트 결과는 실망스러울 정도다 핸들에 운전자의 머리와 가슴부분이 닿아 핸들이 찌그러지기 일쑤다. 더구나 충돌시 안전벨트의 압박으로 흉골이 부러지는 등 예상치 못한 사고로 이어질 수도 있기 때문이다. 에어백은 충돌 때 풍선이 부풀어올라 탑승객의 머리와 가슴부분을 보호하는 장치다 에어백에 대한 연구는20여년전부터 독일 벤츠와 미국 포드사 등에서 시작돼 86년 벤츠사가 처음으로 시판했다. 발매 초기에는 실효성 여부로 논란이 많았지만 현재에는 각종 충돌테스트 결과 이보다더 효과적으로 안전을 보장해주는 장치는 없는 것으로 증명됐다. 에어백의 원리는 자동차 전방에 충돌을 감지하는 센서가 부착돼 실제 상황이 일어나면 전지점화장치에 의해 고체연료가 폭발한다. 로켓연료로 쓰이는 약품(질산 나트륨과 산화제인 질산칼륨)이 연소되면서 질소가스를 발생시켜 풍선을 부풀린다. 관성력에 의해 운전자가 핸들및 전면 유리쪽으로 튀어나가는 것을 에어쿠션으로 막아주는 것이다.

질소가스를 이용하는 것은 인체에 해가 없고 불에 타지 않기 때문이다. 충돌감지센서는 각 메이커마다 차이가 있지만 보통 시속20km내외에서 작동하며, 전방에서 좌우 45도 범위 안에서만 작동한다. 또한 가스가 발생해 풍선을 부풀리는 작동시간은 0.02-0.03초내로 순식간에 이루어져 운전자가 충돌시 핸들에 부딪히는 것 (약 0.05-0.1)을 효과적으로 막아준다.

전면에서 작동하는 에어백만 있는 것은 아니다. 측면사고로 인한 사망사고율이 전면충돌로 인한 사망률을 앞서자 스웨덴 볼보사는 좌우문쪽에서 에어백이 튀어나와 탑승자를 보호해주는 사이드에어백을 개발, 시판하고 있다. 우리나라 기아자동차는 세계 최초로 지프형 승용차인 스포티지에 운전자의 다리부분을 보호해주는 레그룸에어백의 장착을 계획하고 있다. 에어백이 탑승객의 안전에 기여하는 것은 기정사실이지만 단점도 많아 논란의 여지를 남긴다. 대단치 않은 충돌이나 또는 센서 이상으로 주행 중에어백이 터져 운전자의 시야를 가람으로써 오히려 사고를 유발할 수도 있다.

메이커들은 이러한 점을 보완하기 위해 에어백에 배출구를 만들어 최대로 부푼 후 0.2초 후엔 풍선이 꺼지도록 고안하고 있다. 또한 순식간에 부풀어오르는 풍선에 의해 운전자의 안면부에 찰과상이나 화상을 입힐 가능성도 있다. 지난해 영국에서는 저속에서 가벼운 충돌에 에어백이 작동, 어린아이가 에어백에 목이 눌려 사망하는 사고가 발생하기도 했다.