기계 지구 상에서 가장 빠른 자동차의 설계

2014.05.25 21:37

지구 상에서 가장 빠른 자동차의 설계 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2014050286&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-05-20

1960년대와 1970년대의 짧은 휴식기간을 제외하고 영국의 공학 및 운전자들은 지구상에서 가장 빠른 자동차의 지상 최고 속도 기록을 달성하는 데에 지배적인 역할을 담당하였다.

정확히 100년 전에 영국의 린드스톤 혼스테드(Lydston Hornsted)가 벤츠 제3호(Benz No. 3)로 시속 124마일(200킬로미터)을 달성하였고, 현재의 지상 최고 속도 기록 보유자인 영국의 앤디 그린(Andy Green)가 제작한 스러스트 에스에스씨(Thrust SSC)는 1997년에 시속 763마일(1,228킬로미터)을 도달하여 초음파 장벽을 넘어섰다.

이제 스러스트 에스에스씨(Thrust SSC)의 기록보다 뒤에 있는 론 에어즈(Ron Ayers), 리차드 노블(Richard Noble), 벤 에반스(Ben Evans), 크리스 로즈(Chris Rose)를 포함한 연구자들은 블러드하운드 에스에스씨(Bloodhound SSC)라 불리는 신차로 시속 1,000마일(1,609킬로미터)의 지상 최고 속도를 달성하는 좀 더 도전적인 목표를 설정하였다. 이 목표를 달성하기 위한 일정은 2016년으로 설정되었으며, 장소는 길이 12마일, 폭 2마일의 트랙을 만든 남아프리카 공화국의 학스킨 팬(Hakskeen Pan)에서 시도될 것이다.

이러한 기록 도전은 영국의 신세대 공학자 및 과학자에게 영감을 제공하고, 전 세계에 영국의 공학 기술을 홍보하고, 공학 응용 설계에 영향을 미치고 영국 경제를 강화시킬 기술이 오래 지속되도록 만들 것이다.

[어떻게 자동차를 지상에 유지시킬 것인가?]
블러드하운드를 설계하기 시작할 때 중요한 질문은 이 자동차를 어떻게 지상에 유지시킬 것인가와 관련되었다. 시속 1,000마일(1,609킬로미터) 정도의 속도에서 자동차는 이륙하려는 경향을 가진다는 위험을 가진다. 비교를 위해서 전형적인 여객기는 시간당 150마일(241킬로미터) 속도에서 이륙한다.

지난 20세기 동안에 기술 개발과 용감한 운전자들은 새로운 지상 최고 속도 기록을 경신하였다. 비록 최초의 기록은 전기로 구동되는 자동차에 의하여 설정되었지만, 20세기의 전반기에 작성된 대부분의 지상 최고 속도는 피스톤 엔진으로 구동되는 차량에 의해 달성되었다. 이러한 내연 기관 엔진은 대부분의 최신 휘발유 자동차나 디젤 자동차에서 발견된다. 내연 기관 엔진을 이용하여 최대 시속 400마일까지의 지상 최고 속도 기록을 달성할 수 있었다.

이 속도를 초과하기 위하여 자동차 제작업체는 더 많은 동력을 요구하였다. 그래서 차량의 추진을 위하여 제트 엔진 및 로켓에 의존하게 되었다. 속도가 계속 상승함에 따라 자동차에 의하여 일어난 저항은 무시할 수 없게 되었다. 자동차의 공기역학은 성공적인 지상 최고 속도의 달성에 있어 결정적인 것이 되었다.

[더 빠르고, 더 강하고, 더 매끈하게]
공기 역학은 물체 위에서 이동하는 공기의 유동과 그 결과로 해당 물체에 인가된 힘을 연구하는 학문이다. 이 현상을 기술하는 수학 방정식은 너무 복잡하여 몇 십 년 전에 슈퍼컴퓨터가 도입되기까지는 거의 모든 공기 역학 연구가 풍동이나 로켓 썰매(로켓 엔진에 의하여 한 가닥의 레일 위를 달리는 실험용 썰매) 시험으로 수행되어야 했다.

그러나 현재 우리는 슈퍼컴퓨터를 이용하여 이러한 방정식을 풀어서 놀랍도록 정확한 수학적 모델을 얻을 수 있다. 더 향상된 처리 능력으로 슈퍼컴퓨터는 가상 풍동 시험을 수행할 수 있다. 이러한 유동은 미소한 길이 및 시간에서 발생하는 혼란스러운 난류 유동(turbulence flow)에 이르기까지 모델링이 되어야 한다.

연구자들이 자동차를 지상에 유지시키는 문제를 연구하는 동안 자동차의 전방을 지상에 유지하는 것은 자동차 앞부분의 위아래 유동이 균형을 이루도록 만들어서 양력을 거의 중립이 되도록 할 수 있어 큰 문제가 되지 않았다. 대신에 자동차의 뒷부분에 있는 뒷바퀴 및 완충장치에 의하여 발생된 강력한 충격파 때문에 자동차의 후방을 지상에 유지하는 것이 문제가 되었다.

이러한 예측하지 못한 공기 역학적 거동은 6개월간의 후방 완충장치 최적화 연구로 이어졌고, `델타 유선형 설계(delta fairing design)`를 만들었다. 이러한 연구 결과는 최근에 자동차 공학 관련 한 국제 학술지(학술지명: Journal of Automobile Engineering)에 발표되었다.

이러한 설계는 자동차가 음속 장벽을 극복할 때 뒷바퀴에서 만들어지는 고압의 완충으로부터 차량의 기저부와 밑면을 효과적으로 보호한다. 델타 유선형 설계를 사용하지 않으면 블러드하운드는 음속의 90퍼센트 정도에서 이륙하려고 할 것이다.

[관련 논문 서지 사항] Ben Evans and Chris Rose, "Simulating the aerodynamic characteristics of the Land Speed Record vehicle BLOODHOUND SSC", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering published online 9 April 2014, DOI: 10.1177/0954407013511071

[출처] http://phys.org/news/2014-05-fastest-car-planet.html

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