트렉 마돈 8세대 에어로다이내믹

마돈 7세대와 아이소플로우(IsoFlow)가 공개되기 1년 전, 당사 엔지니어들은 차세대 경량 에몬다를 위한 컨셉 디자인 작업에 착수했습니다. 우리는 마돈이 트렉 역대 최고의 에어로 로드 레이스 바이크임을 알고 있었고, 당사가 실시한 공기역학성 연구 결과를 에몬다에 추가적으로 적용할 생각에 들떴습니다.  

첫 번째 에몬다 컨셉을 제작한 후 매우 빠르게, 사실 상당히 급진적으로 마돈과 에몬다 사이의 공기역학적 성능의 격차를 크게 줄일 수 있다는 사실을 깨달았습니다. 바로 그 시점에 모든 기능을 하나에 담은 고성능 레이스 바이크를 제작할 수 있는 가능성에 대해 진지하게 논의하게 되었습니다. 하지만 무엇보다 먼저 프로선수들과 고객들에게, 이러한 변화가 도입되더라도 어느 한 성능을 희생시킬 필요가 없음을 스스로 증명해 보여야 합니다.  

무게 대 공기역학성

차세대 에몬다 프로젝트의 첫 번째 컨셉 바이크는 "A1"과 "A2"였는데요. 우리는 풍동 및 전산유체역학(CFD) 테스트를 통해 이전 세대 마돈과 에몬다 사이의 격차를 줄이는 몇 가지 희망적인 결과를 얻어냈습니다. 그러나 단 한 대의 퍼포먼스 로드 레이스 바이크를 탄생시키려면, 여전히 공기역학적 측면에서 용인할 수 없는 단점이 존재하고 있을 것입니다.  

다음 단계는 디자인적인 면을 완벽하게 탐색하는 것이었습니다. 경량 A 시리즈부터 공기역학적인 E 시리즈에 이르기까지 공기역학적 성능을 높이기 위해 더 많은 프로토타입을 제작했습니다. 수백 번 CFD 및 구조 분석을 반복한 후에 A, C, E 시리즈 바이크를 다시 풍동으로 가져와서 테스트했습니다.  

세 가지 프로토타입 모두에 대한 풍동 테스트 결과와 중량 예측을 통해 다양한 레이스 조건에서 다양한 옵션이 어떻게 작동하는지 가상으로 테스트할 수 있었습니다. 동일한 휠과 타이어를 사용하여 모든 경사면에서 마돈 7세대와 에몬다를 모두 능가하는 프레임 디자인을 만들어내고자 했습니다.

아래 그래프는 평지(0% 경사)부터 매우 가파른(12% 경사) 경사면에 이르기까지 마돈 7세대 및 8세대 프로토타입의 성능을 에몬다와 비교한 것입니다. 공기역학적인 마돈 7세대(흰색 점선)는 0%에서 3%가 조금 넘는 등급에서 더 가볍기는 하지만 공기역학성은 다소 미흡한 에몬다보다 더 빠릅니다. 이는 평지와 완만한 오르막길에서 무게의 차이가 미치는 영향은 미미하고 라이더가 고속으로 달리면서 공기역학적으로 더 많은 영향을 받기 때문입니다.  

프로토타입들을 살펴보았을 때, 모든 프로토타입들이 특정 경사면에서 마돈 7세대 및 에몬다보다 성능이 개선되었지만 프로토타입 C3만이 모든 조건에서 두 바이크보다 속도가 빨랐습니다. 경량 A1 옵션은 오르막길은 잘 올라가지만 평지에서 빠르게 질주하기에 적합하지 않습니다. 공기역학 성능이 더 좋은 E2는 평지에서 최상의 성능을 보장하지만 오르막길에서는 에몬다 성능에 미치지 못했습니다.  

이러한 결과를 통해 우리는 프로토타입 C3에 에몬다의 가벼운 무게와 마돈의 공기역학적 성능을 결합할 수 있는 잠재력이 있음을 확인했으며, 이를 통해 (훨씬 더 많은 최적화 과정을 거친 후) 고성능 로드 레이스 바이크인 마돈 8세대를 탄생시킬 수 있는 기반을 마련했습니다. 

완전히 새로운 풀 시스템 포일 공기역학적 형상

수년간의 시행착오를 거치지 않고도 초경량부터 최상의 공기역학에 이르는 A1부터 E2까지의 컨셉을 만들 수 있을까요? 그 답은 트렉이 새롭게 선보이는 튜브 단면 시스템인 풀 시스템 포일에 있습니다.  

풀 시스템 포일 공기역학적 형상을 도입하기 전에는 주로 캄테일 버추얼 포일(KVF) 튜브 모양을 사용했습니다. 이 모양은 당시에는 혁명적이었고 지금은 사용되지 않는 UCI 3:1 길이 대비 너비 튜브 종횡비 규칙을 사용하여 공기역학적 성능을 극대화하기 위한 것이었습니다. 캄테일 형상은 매우 공기역학적이지만 전통적인 에어로 바이크의 3:1 종횡비에서 벗어나면 성능이 저하됩니다.

KVF 형상을 개선하기 위해, 소프트웨어가 단면 벽을 "밀고" "당기"도록 함으로써 매우 다양한 형상을 생성할 수 있는 보다 유연한 단면 생성기를 고안했습니다. 그런 다음, 이러한 기본 형상을 밀거나 당겨 새로운 형상을 생성하고 공기역학성 및 구조적 효율성을 가상으로 테스트하는 최적화 알고리즘과 결합했습니다. 충분한 시간과 계산을 통해 이전 설계 작업을 반복함으로써 학습하며 최적화를 진행한 끝에 경량 및 공기역학성이 최적의 조화를 이루는 단면 세트인 파레토 프론트(Pareto front)를 도출했습니다.   

이 애니메이션은 최적화 알고리즘이 시도한 일부 형상들의 몇가지 사례를 보여줍니다. 보시다시피, 밀기/당기기 형상 변형의 유연한 특성으로 인해 결코 실용적일 것 같지 않은 형상이 형성되지만 이를 통해 전체 디자인 공간, 심지어 잘못된 부분까지 탐색할 수 있습니다. 이러한 폭넓은 탐색 기능은 사람이 생각할 수 없는 형상을 생성할 수 있기 때문에 매우 중요합니다. 

우리는 프레임 최적화 진행 상황을 모니터링하면서, 일반적으로 KVF 형상보다 뒤쪽 끝이 더 둥근 형상을 생성하였고, 풍향이 급격하게 변하는 불안한 실제 상황에서는 이것이 공기역학적인 면에서 더 효과적이라는 것을 확인했습니다. 구조적으로 효율적인 형상 중 다수는 전방 끝부분이 상대적으로 직사각형인데, 이는 직관적으로 일리가 있습니다.  

공기역학이 전부가 아닙니다 

구조적으로 효율적인(경량) 형태부터 매우 공기역학적인 형태까지 다양한 형태를 만들고 난 다음, 프레임 튜브 위치에 따라서 어떤 특징을 고려해야 하는 지 구분하였습니다.  이는 항상 바이크 프레임 디자인에 포함되는 요소이기는 하지만, 마돈 8세대에서는 이를 한 차원 더 높여서 수천 번의 CFD와 유한요소분석(FEA) 시뮬레이션을 통해 각 단면 옵션에 대해 프레임에서 최적의 지점을 파악했습니다.  

예를 들어, 다운튜브 모양의 경우 공기역학보다 구조적 효율성이 중시됩니다. 전방 휠 뒤에서 공기가 느리게 움직이기 때문에 해당 영역에서는 상대적으로 항력을 줄이는 데 신경을 쓸 필요는 없기 때문입니다. 그러나 다른 위치, 상부 시트 튜브, 아이소플로우(IsoFlow) 및 시트 포스트 모두 상당히 공기역학적인 형태로 설계되었습니다. 이는 라이더의 다리 사이에서 공기 흐름이 빨라지면서 해당 영역의 항력이 늘어나게 되기 때문입니다. 기본적으로 각 모양은 앞과 뒤에서 공기의 움직임을 고려하여 디자인되었습니다.  

속도를 느리게 만드는 실린더 모양

우리는 실린더 모양이 공기역학적으로 그다지 좋은 모양은 아니라는 것을 오래 전부터 알고 있습니다. 1953년에 나사(NASA)의 전신인 미국항공자문위원회(National Advisory Committee for Aeronautics, NACA)는 실린더를 2:1 타원형으로 바꾸면 항력을 40% 줄일 수 있다는 것을 증명했습니다.

상당히 오래 전인 1912년에 구스타브 에펠(그렇습니다, 바로 여러분이 아시는 그 에펠입니다)은 에펠탑에서 실시한 낙하 테스트에서 실린더 같은 모양이 더 큰 항력을 생성한다는 것을 발견했습니다.

고도로 최적화된 에어로 레이스 바이크에 기존 원통형 물통을 장착해야할 이유가 있나요? 에어로 물통은 새롭게 등장한 컨셉은 아니지만 유용성과 실용성 측면에서 단연코 최고입니다. 우리는 리들-트렉 팀의 레이스 현장에서 얻는 정보를 바탕으로 실용성 있는 물통과 케이지 디자인 작업에 착수했습니다. 팀의 선수들과 스태프들은 두 가지 요구사항을 제시했습니다. 에어로 물통 케이지는 표준 물통과도 호환이 되어야 하고, 다운튜브와 시트 튜브 물통은 동일하거나 서로 교체할 수 있어야 한다는 것이었습니다.  

이러한 요구 사항으로 인해 스피드 컨셉 다운튜브 물통과 같은 유선형의 물통을 사용할 수 없게 되었습니다. 이러한 부분을 보완하기 위해 다운튜브와 시트 튜브 물통의 단면을 프레임 및 휠 단면에 맞추고 가상 에어포일을 생성하도록 설계했습니다. CFD 시뮬레이션을 통해 얻은 아래 이미지에서는 느리게 움직이는 공기가 회색으로 표시됩니다. 빠르게 움직이는 공기가 이 느리게 움직이는 공기를 마치 고형 물체처럼 인식하고 그 주위를 부드럽게 감싸듯 흐르며 항력을 줄입니다.  

RSL 에어로 물통은 표준 사이즈 621ml 물통에 비해 시속 35km의 속도에서 1.8와트를 절약하며 물통이 장착되지 않은 경우보다 더 빠릅니다.

이 물통은 마돈 8세대에 최적화되었지만 다양한 바이크 프레임에 대한 CFD 테스트도 거쳤으며 모든 경우에 표준 물통에 비해 항력을 줄이는 효과가 있었습니다.  

라이더 시스템 설계 

바이크는 저절로 굴러가지 않기 때문에 라이더가 바이크 주변의 흐름 범위에 큰 영향을 미칩니다. 그래서 우리가 전체 라이더 시스템(바이크, 라이더, 부품, 물통/케이지)을 테스트하고 최초의 컴퓨터 시뮬레이션부터 페달링 마네킹인 매니를 사용한 풍동 테스트까지 공기역학적 설계에 라이더를 포함시킨 것입니다. 이렇듯 라이더의 공기역학적 측면을 강조하다가 마돈 7세대의 아이소플로우(IsoFlow) 등을 개발할 수 있었습니다. 아이소플로우(IsoFlow)는 마돈 8세대에도 어느 정도 최적화를 적용하여 라이더의 편안함을 높이는 동시에 구조적 및 공기역학적 이점을 제공합니다.  

마돈 8세대의 핸들바는 그냥 보기에는 이전 세대에 비해 공기역학적 측면에서 다소 성능이 미흡한 것처럼 보일 수 있는데, 바로 이것 때문입니다! 핸들바만 따로 보면 그럴 수 있습니다.   

8세대 핸들바 상단의 단면은 마돈 7세대보다 더 두껍고 둥근 형태입니다. 자전거만 혼자 풍동 실험에 두면, 핸들바로 인해 항력이 높아집니다. 그러나 라이더가 뒤에서 페달을 밟을 때 더 두꺼운 핸들바의 영향으로 앞쪽의 공기 속도가 느려지면서 페달을 밟는 다리의 항력이 다소 줄어듭니다. 그 효과는 미미하지만 페달을 밟는 다리는 전체 시스템 항력에 가장 큰 영향을 미치기 때문에 공기 흐름의 사소한 변화로도 영향을 받을 수 있습니다. 풀 시스템 포일 모양과 마찬가지로 핸들바 단면은 동일한 프로세스를 사용하여 최적화되었지만 바 뒤에 다리가 오게 되면서 미치는 영향도 포함되었습니다. 

결과

풍동 테스트에서 모든 걸 고려해 볼 때 마돈 8세대가 에몬다보다 공기역학적 등급이 더 높은 것으로 파악되었습니다. 마돈 7세대에 비해 마돈 8세대는 라이더가 가장 흔히 접하는 요각(yaw angle)을 고려해 봤을 때 낮은 요각에서 대부분 공기역학적 성능이 향상되었습니다.

우리는 다양한 레이스 시나리오의 시뮬레이션을 지원하기 위해 다양한 풍동 속도에서 바이크를 테스트했습니다. 여기에 제시된 결과는 22mph (35kmh) 풍동 속도에서 도출한 것으로, 해당 속도는 테스트하기가 더 어렵기는 하지만 프로 펠로톤 페이스보다 달성하기는 더 쉽습니다. 더불어 Lidl-트렉 프로 선수들에게 시뮬레이션을 제공하기 위해 최대 40mph(64kmh)의 속도로 테스트를 진행했습니다(자세한 내용은 아래 참조).  

시뮬레이션을 통해 리들-트렉은 마돈 8세대가 마돈 7세대나 에몬다와 비교할 때 중요한 시나리오에서 어느 한 가지 기능을 희생시킬 필요가 없음을 확인했습니다. 가파른 10% 경사에서 페이스를 유지하기 위해 보통 라이더는 가능한 가벼운 에몬다를 원하지만, 이 시나리오에서 보면 8세대 마돈은 에몬다보다 약간 우세합니다. 두 세대의 마돈 모두가 공기역학을 가장 중요하게 생각하는 스프린트 시나리오에서 독보적인 성능을 발휘하지만, 공기역학과 스프린트 두 시나리오 모두에서 8세대가 7세대를 능가합니다. 특히 업힐 결승점에서 더 효과적으로.

이러한 모든 시나리오에서 가속 효과를 시뮬레이션했습니다. 효과는 미미하더라도, 일례로 마돈 7세대에 비해 마돈 8세대는 경량 프레임으로 가속하기가 더 쉽습니다. 

결국, 에몬다의 업데이트 작업을 시초로 리들-트렉 라이더의 까다로운 사용 사례에서 탁월한 성능을 발휘하는 동시에 1500와트의 질주만을 꿈꾸는 라이더들(저처럼)에게 경량의 고성능 레이스 바이크의 짜릿한 경험을 선사하는 최고의 클라이밍 및 스프린트 바이크가 탄생하게 되었습니다.