Article 27 (Part 2). 자동차에 날개는 폼인가?

 

 

 

자동차는 공기역학에 의해 주행중에 양력이 발생하여 주행특성이 나빠지고 항력에 의해 연료효율이 나빠진다는것을 Part 1에서 살펴 보았다. Part 2 에서는 자동차의 공기역학 설계에 대해서 알아 보자  

 

Part 1
1.자동차의 공기역학
2. 자동차의 양력
3. 자동차의 항력
  - 전두부 압력(Frontal Pressure)
  - 유동박리(Flow detachment), 유동분리(Flow seperation)
  - 후방 진공(Rear Vacuum)

Part 2
4. 자동차의 공기역학설계
  - 스포일러(Spoiler)
  - 리어 윙(Rear Wing)
  - 에어댐/프론트 스플리터(Air dam/Front Splitter)
  - 에어 커튼 ( Air curtain)
  - 디퓨져 (Diffuser)
  - 핀(Fin)

 

 

4. 자동차의 공기역학 설계

 

차량이 고속으로 주행할 때, 공기 저항으로 인해 차량 앞쪽에 공기압이 축적된다. 마치 물속에서 공을 밀어내는 것과 같다. 물은 공의 전진 운동에 저항하며 압력을 발생시키게 된다. 마찬가지로, 차량 아래쪽으로 흐르는 공기는 고압 상태인 반면, 차량 위쪽으로 흐르는 공기는 저압 상태이다. 결과적으로 차량 앞부분이 들리게 되고, 접지력이 감소하여 노면과의 접촉이 줄어들어 핸들링이 저하될 수 있다. 프론트 스플리터, 에어댐 또는 립 스포일러, 리어 윙은 쐐기처럼 작용하여 고압의 공기를 차량 아래쪽이 아닌 위쪽으로 밀어 올려 다운포스를 발생시키고, 이를 통해 접지력을 향상시키게된다.

 

 

 

스포일러(Spoiler)

 

스포일러는 자동차 분야에서 가장 널리 사용되고 중요한 공기역학 장치 중 하나이다. 스포일러는 이름 그대로 공기의 흐름을 망치는(Spoiling) 사람을 의미하는데 자동차의 스포일러의 주된 목적도 원치 않는 공기 흐름을 차단하고 공기 흐름을 올바른 방향으로 유도하여 양력과 항력을 감소시키는 것이다. 결과적으로 차량 뒤쪽의 난류를 줄여 공기 역학적 성능을 개선하여 차량의 제어력과 핸들링을 향상시킨다.

립 스포일러(Lip spoiler)

 

 

이러한 스포일러의 실제 효과는 시속 120km 이상의 고속 주행 시에 나타나기 때문에 주로 고성능 차량에서 최고 속도를 내기 위해 사용되며 차량 후방의 저압 영역을 줄여 난류 발생을 감소시키고, 결과적으로 항력을 줄이는 역할을 한다.

 

스포일러 사용시 항력에 미치는 영향 [2]

 

 

움직이는 자동차에서 뒤쪽의 공기는 지붕의 윤곽을 따라 아래로 흐른다. 이러한 하강 기류에 대한 반작용으로 뒤쪽에는 양력이 발생하여 코너링 성능을 저하되어 스포일러는 스포일러 앞쪽에 느리고 고압의 공기층을 형성한다. 자동차 위로 지나가는 공기는 이 공기층 위로 흐르면서 뒤쪽에서 급격하게 아래로 꺾이지 않는다. 뉴턴의 운동 제3법칙에 따라 공기가 아래로 꺾이는 정도가 심하지 않으면 양력이 덜 발생하게된다. 결과적으로 스포일러는 뒷축에 작용하는 다운포스를 증가시켜 바퀴의 접지력을 향상시키게 되는것이다..

 

포르쉐 992 스포일러

 

Mercedes Benz SLS AMG-GT 스포일러

 

 

이러한 스포일러는 고성능 세단 자동차 뿐만 아니라  해치백, SUV, 미니밴, 왜건 같은 형태의 자동차에도 사용된다. 

 

 

 

리어 윙(Rear Wing)

 

자동차가 고속주행시 양력이 발생해서 조향특성 및 주행특성이 나빠지는것을 방지하고 위해서 설치하여 downforce를 유도하는것이 자동차의 날개 Rear Wing이다. 비행기처럼 날기 위해서도 아니고 폼도 아닌 자동차가 가라앉게 하기 위해서 설치하는것이다. 

 

윙은 경주용 자동차에 자주 사용되는 또 다른 필수적인 공기역학 장치이다. 리어 윙은 스포일러처럼 보일 수 있지만 기능은 다르다. 비행기 날개를 거꾸로 뒤집은 모양으로 충분한 다운포스 또는 음의 양력을 제공하여 차량의 접지력을 높이고 고속 주행 시 차량이 들리지 않도록 하는 역할이다. 또한 코너링 속도를 높이고 고속 주행 시 안정성을 향상시킨다. 그러나 윙을 사용하면 차량 본체의 항력이 증가할 수 있다.  따라서 양력이 증가할수록 항력도 증가하게된다.

 

[3]

 

 

 

 

스포일러와 리어윙을 차이는 스포일러는 공기가 차체와 분리되 않고 그 위로 흐르도록 하는데 리어윙은 역방향 에어포일 형태로, 차량 표면에서 분리되어 공기가 요소 위아래로 흐를 수 있도록 하는 것이다.

 

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에어댐/프론트 스플리터(Air dam/Front Splitter)

 

자동차 앞범퍼에 장착한 스포일러는 프론트 스플리터(Front Splitter) 또는 에어 댐(air dam)으로 부른다. 에어댐의 역할은 고속주행시 차체에 부딪치는 공기저항들을 제어하고 저항을 최소화하는 역할을 한다. 스플리터는 차량 전면 하단 가장자리가 수평으로 연장되어 단순히 돌출된 부분이다. 단순해 보이지만, 차량 전면에 다운포스를 생성하는 매우 효율적인 방법이다.

Porsche

 

프론트 에어댐은 앞 범퍼 하단의 공기가 통과하고 차량 하부로 공기가 흐르는 것을 막기 위해 사용된다. 차량 전면에 도로 가까이 까지 뻗어 있고 일반적으로 측면에도 어느 정도까지 이어지는 "댐" 또는 벽을 만들어 공기 흐름을 차단하는 것이다. 이렇게 하면 차량 하부에 진공 또는 저압 영역이 생성됩니다. 이 저압 영역은 차량 전면 및 상단의 고압 영역과 결합하여 차량 전면에 다운포스를 발생시킵니다.

 

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자동차가 공기를 가르며 나아갈 때, 비교적 평평한 앞쪽 표면을 따라 고압 영역이 형성된다. 자동차 창밖으로 손을 내밀었을 때 손에 가해지는 힘을 생각해보면 이해가 될것이다. 일반적으로 이 공기는 차체 아래쪽이나 차체 주변 위쪽으로 흐른다. 스플리터는 이러한 고압 영역에 추가적인 작용면을 제공함으로써 이 고압 영역을 활용한다. 스플리터 아래쪽에는 빠르게 흐르는 공기가 차량주변을 스쳐지나가면서  압력이 낮아진다. 이러한 압력 감소와 스플리터 위쪽의 고압이 결합되어 다운포스가 생성하게 된다.

 

 

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에어 커튼 ( Air curtain)

 

자동차를 주행할 때 바퀴 주변에는 난류가 형성된다. 이것은 연비 효율을 떨어뜨리는 요인이다. 자동자의 좌우 범퍼 하단에 있는 에어커튼이 이 난류를 휠 하우스로 들어오게 한 후 흐름을 바퀴 쪽으로 빼내어 난류를 줄이는 역할을 한다. 아울러 공기가 바퀴 겉 부분을 타고 퍼지게 함으로써 마치 휠 바깥쪽으로 공기로 된 커튼을 치는 것 같은 효과를 내기도 한다. 에어커튼이 있으면 바퀴 주변의 공기 흐름이 한결 안정되어 연비와 주행 안정성이 높아지는 효과를 볼 수 있다.

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일반적으로 스포츠카와 슈퍼카 또는 리터급의 바이크에서 이런 에어댐과 프론트 스플리터(앞, 뒤 범퍼 아래, 옆에 부착하는 날개)가 장착된 것을 발견할 수 있다.

 

페라리 488 피스타

 

 

 

디퓨져 (Diffuser)

 

 

디퓨저는 포뮬러 1 자동차에서 볼 수 있는 대표적인 공기역학 장치 중 하나이다. 디퓨저가 제공하는 폭넓은 활용성은 고속 양산 차량에도 적용되고 있다. 디퓨저는 디퓨저의 배출구가 차량의 후미 범퍼 근처에 위치해 있기 때문에 차량이 지면에 단단히 고정되도록 다운포스를 생성하는 데 도움이 된다.

 

 

 

 

 

 

디퓨저의 역할은 차량 하부에서 후방으로의 흐름을 공기가 길이를 따라 점진적으로 팽창하도록 설계되어 있어, 디퓨저 출구 부근에서 공기압이 낮아지고 공기 속도가 증가한다. 디퓨저의 작동 원리는 "느리게 움직이는 유체는 빠르게 움직이는 유체보다 더 큰 압력을 가한다"는 베르누이의 원리에 기반하며 Airtcle 26(Part 1). 비행기가 나는 원리를 아직도 모른다고? 에서 설명되어 있다.

 

Article 26(Part 1). 비행기가 나는 원리를 아직도 모른다고?

Article 26 (Part 1). 비행기가 나는 원리를 아직도 모른다고?

 

 

따라서 디퓨저는 차량 하부의 공기 흐름을 가속하여 외부 흐름에 비해 압력이 낮아지도록 한다. 이는 차량 하부의 공기를 배출하는 역할을 한다. 

 

www.cars.mclaren.com

 

 

디퓨저는 고속의 공기를 정상 속도로 낮추고 차량 뒤쪽 영역을 채워 차체 하부 전체를 더욱 강력한 다운포스로 만들고 중요한 것은 차량의 항력을 줄일수 있다.

 

 

 

핀(Fin)

 

핀은 고속 주행 시 안정성을 높이고 와류를 발생키켜 공기저항을 줄이는 역할을 한다. 와류 발생기는 원래 항공기 분야에서 개발되었지만, 모터스포츠와 자동차 설계 분야에도 적용되고 있는것이다.

 

비행기의 도살 핀 [9]

 

이 장치의 주요 기능은 공기 흐름 분리를 지연시키는 것이다. 자동차 차체 표면에서 공기 흐름이 분리되면 와류와 소용돌이를 생성하여  항력이 증가하고 난류가 다른 공기역학 장치(예: 리어 윙)로 유입되거나 차량 뒤에 남는 공기 후류로 인해 다운포스가 감소할 수 있다.

 

 

예스코 압솔루트(Jesko Absolut)"는 날개 대신 핀을 장착

 

경주용 자동차 뿐만 아니라 일반 차량의 루프 후면에 Shark Antenna 도 핀과 같은 역할을 하여 와류 발생기를 설치하면 항력을 효과적으로 줄이고 리어 윙을 통해 다운포스를 증가시킬 수 있다. 결과적으로 고속 주행 시 차량이 공기역학을 통과할 때 발생하는 전체 항력을 줄여주며, 속도가 빠를수록 그 효과는 더욱 지며, 시속 60마일(100km/h) 이상의 속도에서 매우 효과적이다.

 

 

 

와류 발생기에 의한 와류 생성 및 세단 차량 위로 흐르는 공기 흐름, (b) 와류 발생기 미사용 시, (c) 와류 발생기 사용 시[6].

 

 

 

이제 자동차의 날개가 폼이 아닌, 자동차 고속주행시 downforce를 발생시켜 주행특성을 향상시키기 위한 용도라는것을 알게 되었다. 그 외에 스포일러, 스플리터, 에어댐, 디퓨져 라는 것이 자동차의 다운포스를 증가시키기고 항력을 줄이는 역할을 하고 있다. 

 

 

자동차를 무심과 봤다면 이제는 내차에는 어떤 공기역학 설계가 되어 있는지 한번 관심을 가져보는 기회가 되기를 바란다.

 

Part 1
1.자동차의 공기역학
2. 자동차의 양력
3. 자동차의 항력
  - 전두부 압력(Frontal Pressure)
  - 유동박리(Flow detachment), 유동분리(Flow seperation)
  - 후방 진공(Rear Vacuum)

Part 2
4. 자동차의 공기역학설계
  - 스포일러(Spoiler)
  - 리어 윙(Rear Wing)
  - 에어댐/프론트 스플리터(Air dam/Front Splitter)
  - 에어 커튼 ( Air curtain)
  - 디퓨져 (Diffuser)
  - 핀(Fin)

 

 

 

 

Reference

1.Heinz Heisler,Advanced Vehicle Technology (Second Edition), Butterworth-Heinemann,2002, Pages 584-634, ISBN 9780750651318, https://doi.org/10.1016/B978-075065131-8/50015-4.(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780750651318500154)

2. Nath, D.S., Pujari, P.C., Jain, A. et al. Drag reduction by application of aerodynamic devices in a race car. Adv. Aerodyn. 3, 4 (2021). https://doi.org/10.1186/s42774-020-00054-7

3.Bappa, Mohammed. (2015). AERODYNAMIC SIMULATION OF VEHICLE BODYWORK DESIGN. 10.13140/RG.2.2.16171.46884. 

4.https://www.tec-science.com/mechanics/gases-and-liquids/flow-separation-boundary-layer-separation/

5.Bahgat, Ahmed & Khatab, Mohamed & Mohamed, Ibrahim & Abdel Gawad, Ahmed. (2018). Computational Investigation of Spoiler Effect on the Aerodynamic Performance of Passenger Cars. 

6. Md. Nazmus Salehin, Nayem Zaman Saimoon, Mim Mashrur Ahmed, Md. Rabiul Islam Sarker, Mahadi Hasan Masud,
Passive flow control devices for road vehicles: A comprehensive review, Engineering Science and Technology, an International Journal,Volume 62, 2025, 101953, ISSN 2215-0986, https://doi.org/10.1016/j.jestch.2025.101953.
7. Boretti, Albert & Ordys, A. & Al-Zubaidy, Sarim. (2016). Aerodynamic analysis of a LMP1- racing car by using Solidworks Flow Simulation. 

8. Md. Nazmus Salehin, Nayem Zaman Saimoon, Mim Mashrur Ahmed, Md. Rabiul Islam Sarker, Mahadi Hasan Masud,
Passive flow control devices for road vehicles: A comprehensive review, Engineering Science and Technology, an International Journal,Volume 62,2025,101953,ISSN 2215-0986, https://doi.org/10.1016/j.jestch.2025.101953. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2215098625000084)

9.Ciliberti, Danilo. (2016). An improved preliminary design methodology for aircraft directional stability prediction and vertical tailplane sizing. 10.13140/RG.2.2.13940.04483.