최근에 F1 관련 포스팅을 많이 못해서 스스로 반성 중이다... 열심히 써야 하는데... (ㅠㅠ)
들어가며
2021년 아제르바이잔 그랑프리(Azerbaijan Grand Prix)는 그야말로 혼돈의 도가니였다.
당시 레드불의 막스 베르스타펜(Max Verstappen)과 메르세데스의 루이스 해밀턴(Lewis Hamilton)은 서로 챔피언십 포인트 경쟁이 치열했었다.
이런 뜨거운 경쟁 상황에서 갑작스럽게 막스 베르스타펜은 마흔네 번째 랩에서 타이어 펑처로 인한 큰 사고와 함께 리타이어 했다.
이렇게 루이스 해밀턴이 막스와의 챔피언십 포인트 차를 좁히는가 싶더니, 마지막 네 랩을 남겨두고 레드 플래그가 발동했다. 루이스 해밀턴은 심기일전하여 리스타트하는 과정에서 첫번째 코너 진입 전 심한 휠 락(Wheel Lock)과 함께 탈출로(Escape Road)로 돌진했다.
이로 인해 해밀턴은 아제르바이잔 그랑프리에서 단 1포인트도 획득하지 못했다.
이후 해밀턴은 무전으로 이렇게 말했다.
내가 매직 버튼을 눌렀나?
Did I Have Magic on?
당시 경기 직후 메르세데스의 수장인 토토 볼프는 루이스 해밀턴이 실수로 스티어링 휠의 매직 버튼(Magic Button)을 눌러버렸다고 인터뷰했으며, 그 매직 버튼은 브레이크 밸런스(Brake Balance)를 바꾸는 버튼이라고 언급했다.
오로지 두 랩만 안전하게 돌면 챔피언십 포인트를 딸 수 있었던 루이스 해밀턴이 누른 "매직 버튼(Magic Button)"은 무엇일까? 매직 버튼은 브레이크 밸런스를 어떻게 조절하길래 이렇게나 중요한 시점에 팀 메르세데스에게 재앙을 가져다준 걸까?
이번 포스팅에서는 메르세데스의 매직 버튼이 어떻게 브레이크 밸런스와 브레이크 바이어스를 조절하는지, 그리고 브레이크 밸런스가 차량에 어떤 영향을 미치는지 알아보고자 한다.
브레이크 밸런스(Brake Balance, BB)란?
메르세데스가 말하는 매직 버튼은 차량의 타이어의 온도를 관리하기 위해 사용되는 일종의 브레이크 시스템이다.
이전 포스팅에서 F1의 브레이크 시스템에 대해 설명한 적이 있다. 자세한 내용은 이전 포스팅에 있으나 매직 버튼의 원리를 이해하기 위해 간단하게 중요한 내용을 복습해보자.
[Formula 1] #04 - F1 브레이킹 시스템(Braking System)에 대해
F1 차량의 브레이킹의 성능은 '100km/h에서 풀-브레이킹(Full-Braking)을 하면 15m만에 정지한다'라는 한 문장으로 정리될 듯하다. 평균 로드카의 무려 4분의 1의 거리 만에 정지하는 것이다. 게다가 300
feeelight.tistory.com
F1에 하이브리드 시대가 열리기 전, 브레이크는 완전한 기계식(Fully-mechanical)이었다. 이말인즉슨, 드라이버가 브레이크 페달을 밟으면 이는 유압시스템에 압력을 가하게 되고, 이 압력을 이용해 유압시스템은 브레이크 패드가 브레이크 디스크를 꽉 잡아 차량의 바퀴의 회전을 멈춘다. 이러한 원리로 차량의 속도를 점차 늦췄다.
드라이버는 차량의 콕핏에서 차량의 브레이크 밸런스(Brake Balance)를 조정할 수 있다. 브레이크 밸런스라 함은 차량의 앞 바퀴쪽 브레이크와 뒷바퀴 쪽 브레이크 사이의 밸런스를 의미한다.
드라이버는 유압시스템에 가한 압력을 차량의 앞과 뒤에 어떠한 비율로 전달할 지를 정하여, 제동력을 조절하여 드라이버가 원하는 대로 차량이 반응할 수 있도록 만든다.
F1 차량의 스티어링 휠을 보면 정말 수많은 버튼들이 있는데, 이 버튼들 중 몇몇 버튼이 브레이크 밸런스를 조정하는 버튼이다.
BB : 앞바퀴 < 뒷바퀴
예를 들어보자. 만약 드라이버가 차량의 제동력을 뒷 바퀴로 더 많이 준다고 해보자. 앞바퀴와 뒷바퀴에 각각 40%, 60%의 제동력이 걸리도록 조정했다고 가정하자.
제동력이 앞바퀴에 비해 뒷바퀴에 많이 걸린다는 것은 앞바퀴를 조금 더 자유롭게 해 준다는 말과 동일하다. 드라이버는 차량이 브레이킹 하는 동안 앞바퀴를 어느 정도 회전하게 만들어 스티어링이 더 잘 되게끔 만들 수 있다. 앞바퀴가 굴러가야 조향을 할 수 있기 때문이다.
이를 통해 드라이버는 차량에 대한 통제권을 어느 정도 거머쥐면서 긴 코너 구간을 트레일 브레이킹(Trail Braking)하여 빠져나올 수 있다.
트레일 브레이킹(Trail Braking)이란?
트레일 브레이킹이란 드라이빙에서 사용되는 브레이킹 기술로, 코너 진입 전 브레이크 페달을 밟아 속도를 줄이고 난 후, 턴인을 시작하면서 점차적으로 브레이크 페달을 풀어주는 기술이다. 제동력을 최대로 활용하기 위한 기술이다.
허나 장점만 있는 것은 아니다. 뒷바퀴에 제동력이 더 걸린다는 말은 뒷바퀴가 더 휠 락(Wheel Lock)이 잘 걸릴 수 있다는 말과 동일하다. 따라서 이는 뒷바퀴가 잠겨버릴 확률이 더 높아지게 되고, 이로 인해 뒷바퀴의 그립을 잃어 오버스티어(Oversteer)가 발생해 차가 스핀 해버릴 수 있다.
BB : 앞바퀴 > 뒷바퀴
반대로 제동력을 앞 쪽에 더 많이 준다고 생각해보자.
제동력을 상대적으로 앞쪽에 준다면, 저속 코너를 위한 헤비 브레이킹 존(Heavy Braking Zone)인 직선 구간에서 차량이 더 강하고 안전하게 제동할 수 있도록 해준다. 제동 시 차량의 하중이 앞쪽으로 쏠리기 때문에, 제동력을 앞쪽에 더 주는 것이 좋다.
하지만 이는 차량이 턴인(Turn-in)을 힘들게 한다. 앞바퀴에 제동력이 더 많이 가해지기 때문에, 차량이 코너를 진입할 때 언더스티어(Understeer)를 유발할 수 있다.
차량이 코너를 빠져나올 때도 문제이다. 브레이크 페달을 밟지 않고 코너를 돌아나가야 한다. 앞쪽에 너무 많은 제동력이 걸리면, 차량의 앞바퀴가 잠겨버려 차량을 스티어링 할 수 없기 때문이다.
참고 | 브레이크 밸런스... 코너마다 조절한다?
트랙들의 각 코너들은 제각기 다른 특성을 가진다. 그렇기 때문에 브레이크 밸런스는 레이스 전반에 걸쳐 코너와 코너마다 조정되어야 한다. 이뿐만 아니라 트랙의 특성, 차량의 상태, 타이어의 상태, 트랙 노면의 상태에 따라서도 브레이크 밸런스는 수시로 조정되어야 한다.
F1 선수들은 앞서 말한 스티어링 휠의 브레이크 밸런스 조절 버튼으로 코너마다 바쁘게 브레이크 밸런스를 조절한다. (진짜 대단하다...)
MGU-K와 브레이크 밸런스
자 지금까지의 설명은 하이브리드 시대 전의 이야기였다. 이제 하이브리드 시대의 브레이킹 시스템을 살펴보자. 하이브리드 시대의 브레이킹 시스템은 이전보다 좀 더 복잡하기 때문에, 여기도 복습이 좀 필요하다.
F1 차량에는 전자 모터(Electric Motor)와 발전기(Generator)가 있다. 이러한 전자 장치로 차량 제동력의 일부는 단순히 브레이크 패드가 브레이크 디스크를 잡아 마찰력으로 제동시키는 방식 즉, 운동 에너지를 열 에너지로 바꾸는 기존 방식이 아닌 다른 방식으로 발생될 수 있다.
뒷 바퀴 제동력의 일부는 바퀴의 회전 에너지를 빼앗아 배터리를 충전하는 과정에서 발생한다. 배터리가 충전됨에 따라 차가 느려진다는 의미이다. 배터리를 충전하면서 브레이킹 한다고?이 부분이 정말 신박하다. 자세한 내용은 이전 포스팅인 MGU-K에 대한 설명에서 이루어지는데, MGU-K에 대해 이해하려면 이전 포스팅을 참고하자.
[Formula 1] #06 - F1 차량 엔진의 MGU-K(Motor Generator Unit - Kinetic)의 원리에 대해
이전 포스팅에서 F1 차량의 브레이킹 시스템(Braking System)에 대해 다뤄본 적이 있다. 2021.09.06 - [가벼운 공학 과학 IT/Formula 1 Tech. Stuff] - [Formula 1] #04 - F1 브레이킹 시스템(Braking System)..
feeelight.tistory.com
참고 | 전기차의 회생 제동 (Regenerative Braking)
전기차를 타본 사람은 알 수 있는 회생 제동. 회생 제동이 바로 회전 에너지를 빼앗아 차량의 배터리를 충전시키는 기능이다. 운전자가 페달에서 발을 떼면 차량의 속도가 마치 브레이크를 밟은 것 마냥 줄어든다. 이것이 바로 F1 하이브리드 시스템에서 발생하는 현상과 동일한 현상이다.
아무튼 이러한 전자 장치로 운전자는 1) 차량의 앞 뒤 브레이크 밸런스를 조정할 수 있을 뿐만 아니라, 2) 뒷바퀴의 회전 에너지를 열 에너지로 바꿀 것인지 배터리를 충전하는 데에 사용할 것인지 그 양을 조정할 수 있게 되었다.
일반적인 브레이크 밸런스는 프론트로
일반적으로 브레이크 밸런스는 앞쪽으로 치우쳐 있다. 차량이 제동하는 경우 차량의 하중이 앞쪽으로 쏠리게 되고, 이로 인해 앞바퀴의 트랙션이 더 높아지고, 뒷바퀴의 트랙션은 낮아진다. 이때 앞바퀴와 뒷바퀴를 같은 힘으로 제동시키면 뒷바퀴가 잠겨버리게 되고, 이는 차량을 스핀하게 만들 수 있다. 이러한 이유로 앞바퀴에 브레이크 바이어스를 더 준다.
참고 | 브레이크 바이어스(Brake Bias)란?
바이어스(Bias)라는 말은 사전적으로 '편향'을 의미한다. 브레이크 바이어스는 브레이크가 앞과 뒤 어느 쪽으로 편향되어 있는가를 의미하는 말이다. 브레이크 바이어스(Front Brake Bias)는 보통 퍼센티지로 표현한다. 프론트 브레이크 바이어스를 60%로 한다는 것은, 앞과 뒤의 브레이크 밸런스를 60:40으로 설정한다는 것과 같은 의미다.
그래서 매직 버튼이 뭔데?
자 매직 버튼을 이해하기 위해 정말 많은 길을 걸어왔다. 여기까지 잘 따라왔다면 우리는 매직 버튼을 이해할 수 있다.
결론부터 말하면, 메르세데스의 매직 버튼은 기본적으로 앞바퀴에 치우친 브레이크 밸런스보다 더 많은 프론트 브레이크 바이어스를 설정해준다. 동시에 앞서 언급한 배터리 충전 기능도 꺼버린다. 오로지 회전력을 열 에너지로만 전환하겠다는 의미다!
[메르세데스의 매직 버튼]
1. 평소보다 프론트 브레이크 바이어스를 더 많이!
▶ 앞바퀴 온도 상승 GOOD
2. MGU-K로 제동하는 기능은 OFF!
▶ 뒷바퀴 온도 상승 GOOD
대체 왜...? 왜 이렇게 하는 걸까?
최적의 타이어 온도
브레이크 디스크와 타이어에는 차량의 성능을 최대로 뽑아내기 위한 최적의 온도 범위가 존재한다.
특히나 타이어는 고무로 되어있기 때문에 적당히 말랑해지면 최적의 트랙션을 발생시킬 수 있다. 뿐만 아니라 차량을 '예측 가능하게' 만들 수 있기에 브레이크와 타이어의 온도는 정말 중요하다. 차량을 믿을 수 있다면 브레이크를 더더욱 세게 밟을 수도 있고, 자신 있게 코너를 빠른 속도로 돌아나갈 수 있다.
하지만 2021년도 아제르바이잔 그랑프리와 같이 레드 플래그로 인해 레이스가 중단되는 경우나, 세이프티 카가 발동되었거나, 피트 스탑으로 인해 잠시 차량이 느린 속도로 가거나, 정지해있는 동안 기껏 최적의 온도로 만들어 유지시켜놓은 브레이크와 타이어가 식어 온도가 엉망진창이 돼버릴 수 있다.
이렇게 되면 드라이버는 브레이크와 타이어의 온도가 어느 정도 올라오기 전까지 브레이킹을 하거나, 턴인을 하거나, 가속을 할 때에 굉장히 조심스러워질 수밖에 없다.
2022년도 헝가리 그랑프리에서 드라이버들이 하드 타이어를 기피했던 이유도 같은 이유다. (NO HARD!) 트랙의 특성이든 그랑프리가 있는 주의 날씨 등으로 인해 하드 타이어의 온도를 최적의 온도로 끌어올리는 것이 어려웠기 때문에 많은 드라이버들은 하드를 끼는 것을 주저했다.
브레이킹과 타이어 온도의 관계
그렇다면 어떻게 브레이크와 타이어의 온도를 끌어올릴 수 있을까? 다소 모순으로 들릴 수 있겠으나 브레이킹과 턴인과 가속을 통해 가능하다.
'브레이킹'은 그 자체로 마찰이라는 의미를 내포하고 있다. 마찰은 알다시피 열을 발생시킨다. 따라서 제동을 통해 브레이크의 열을 끌어올릴 수 있다.
차량이 '턴인'하거나 '가속'하는 경우 노면과의 마찰로 타이어의 러버를 늘어뜨리기 때문에 이를 통해 타이어의 온도를 높일 수 있다.
이러한 이유로 세이프티 카 상황이나 포메이션 랩 동안 선수들이 위빙을 하거나 느리게 갔다가 속도를 빠르게 했다가 하는 이유가 바로 그것이다. 어떻게든 브레이크와 타이어의 온도를 최적의 온도로 맞추기 위한 발악(?)이라고 볼 수 있다.
매직 버튼 = 타이어 온도 상승!
다시 이제 매직 버튼으로 가보자. 언급한 대로 매직 버튼은 브레이크 바이어스를 앞바퀴로 굉장히 많이 옮기면서 동시에 전자 장치가 아닌 오로지 브레이크 디스크로만 차량을 제동시키게끔 만드는 버튼이다.
이렇게 되면 어떤 일이 벌어질까? 그렇다. 브레이크 디스크가 엄청 빠르게 뜨거워질 것이다. 브레이크가 뜨거워지면 타이어의 내부부터 점차 온도를 끌어올려 결과적으로 타이어의 온도를 끌어올릴 수도 있게 된다.
이러한 방법으로 해밀턴과 보타스는 경기 시작 전 포메이션 랩이나 웜업 랩에서 버튼을 눌러 타이어와 브레이크를 적정 온도로 재빠르게 끌어올릴 수 있었다.
하지만 이렇게 앞바퀴로 브레이크 바이어스를 모조리 옮기는 것은 알다시피 큰 문제를 발생시킨다. 앞서 말했듯, 앞바퀴에 브레이크 바이어스가 쏠린 상태에서 턴인할 때 브레이크를 밟으면 제동력이 앞바퀴로 굉장히 많이 가해지게 되고, 이는 언더스티어를 유발함과 동시에 차량을 통제할 수 없게 만든다.
해밀턴이 실수로 매직 브레이크 모드를 발동시켰고, 이로 인해 바쿠 서킷의 첫 번째 코너에서 턴인할 수 없게 되었던 것이다.
마치며
정말 매직 버튼을 만들 생각을 한 메르세데스가 대단하다는 생각이 든다. 사실 생각해보면 별거 아니지만, 그리고 다른 팀도 이미 하고 있을 수 있지만, 2020년의 DAS도 세상을 놀라게 했는데, 뭐 DAS만큼은 아니더라도 적당한 트릭으로 온도를 끌어올리는 걸 생각한 메르세데스… 정말 대단하다.
하지만 이런 기능도 잘못 쓰게 되면 큰 재앙을 가져올 수 있다. 이때 매직 버튼을 누르지 않았다면…? 결과론적인 이야기이지만 작년 챔피언이 바뀌었을지도 모르겠다.
다음 포스팅에서는 F1 텔레메트리(Telemetry)에 대해 정리하려고 한다.
종종 유튜브 F1 채널에 가속과 브레이크 텔레메트리 비교를 통한 두 선수의 드라이빙 비교 영상이 올라오곤 한다. 가속, 브레이크뿐만 아니라 정말 방대한 F1 레이스 데이터를 어떻게 보고 비교하는지 정리하려고 한다. (언제 작성할지는 모르겠다.. 부지런해지겠읍니다…)