[머스크의 지구와 화성②] 테슬라 로드스터의 비행 기술…압축가스 250㎏과 흡입팬 4개의 비밀

[KtN 김상기기자]15일(현지시간), 미국 텍사스주 맥그리거의 스페이스X 시험시설에서 테슬라 로드스터의 후면 추진장치 네 개가 동시에 작동했다. 차체 뒤쪽으로 고압가스가 분사되자 흰색 스포츠카가 빠르게 튀어나갔다. 테슬라가 공개한 가속 기록은 정지 상태에서 시속 60마일(약 96.6㎞)까지 0.81초였다.

일반 전기 스포츠카는 모터에서 발생한 구동력을 바퀴에 전달해 가속한다. 테슬라의 2세대 로드스터는 전기모터에 더해 차체 후면에서 직접 추진력을 발생시키는 장치를 장착했다. 스페이스X와 공동 개발한 냉가스 추진기(cold-gas thruster)다.

로드스터의 후면에는 네 개의 원형 분사구가 배치됐다. 압축가스를 고속으로 배출하면 분사 방향과 반대쪽으로 힘이 작용한다. 후면에서 가스를 뒤로 내보낼 경우 자동차는 앞으로 밀려 나간다. 로켓이 추진력을 얻는 작용·반작용의 원리를 자동차에 적용한 방식이다.

테슬라 차량 엔지니어링 책임자인 라스 모라비(Lars Moravy)는 공개 행사에서 후면 추진장치가 80킬로뉴턴(kN) 이상의 추력을 발생시킨다고 설명했다. 자동차의 전기모터가 바퀴를 돌리는 힘과 별도로 차체에 직접 작용하는 추진력이다.

80킬로뉴턴은 약 8.2톤의 무게에 해당하는 물체에 작용하는 중력과 비슷한 크기의 힘이다. 차량 중량과 추진장치의 작동 방향, 타이어의 접지력에 따라 실제 가속 성능은 달라지지만, 일반적인 전기모터 구동만으로 얻는 힘에 상당한 추가 추진력이 더해진다.

테슬라가 약 1.7톤의 차량에 강력한 추진장치를 적용하면서 기존 스포츠카의 가속 방식도 달라졌다. 바퀴의 접지력에 의존하는 구동력과 압축가스 분사로 얻는 추진력을 함께 사용하는 구조다.

냉가스 추진기는 연료를 태워 고온의 배기가스를 만드는 일반 로켓 엔진과 다르다. 고압으로 저장한 기체를 노즐로 내보내는 방식이어서 추진력을 얻기 위한 연소 과정이 필요하지 않다.

우주선에서는 자세를 조금씩 바꾸거나 회전 운동을 제어하는 데 냉가스 추진기를 활용한다. 추진장치를 어느 방향으로 분사하느냐에 따라 우주선이 움직이거나 회전하는 방향이 달라진다.

테슬라는 우주선의 자세 제어 원리를 자동차에 적용했다. 추진기를 차량 후면에 배치하면 가속에 활용할 수 있고, 차체 아래쪽에 배치하면 공중으로 떠오르는 힘을 얻을 수 있다. 차량의 앞뒤와 좌우에 분산된 추진기는 공중에서 차체의 회전과 방향을 제어한다.

로드스터가 가파른 경사로에서 떨어진 뒤 공중에서 차체를 돌려 착지할 수 있었던 것도 추진장치의 분사 방향을 조절했기 때문이다. 일반 자동차는 바퀴가 지면에서 떨어지면 조향장치로 진행 방향을 바꾸기 어렵다. 로드스터는 차체에 부착된 추진기를 이용해 공중에서도 회전 운동을 제어하도록 설계됐다.

자동차에 장착된 냉가스 추진기의 기능은 우주선과 기본 원리를 공유하지만 작동 조건은 다르다. 우주 공간에서는 공기 저항이 거의 없지만 지상에서는 중력과 공기 저항, 지면과의 충돌 위험까지 고려해야 한다. 자동차의 공중 이동을 제어하려면 추진력의 크기뿐 아니라 분사 시점과 방향도 정확하게 조절해야 한다.

테슬라는 최상위 로켓(Rocket) 사양에 모두 10개의 분사 노즐을 배치했다. 후면의 주요 추진기 네 개에 차체의 다른 위치에 설치된 보조 추진기 여섯 개를 더한 구성이다.

보조 추진기들은 공중에서 자동차의 자세를 바꾸거나 상승과 하강을 제어하는 역할을 맡는다. 차체의 각 부분에서 발생하는 추진력을 조절해 차량이 회전하는 방향과 속도를 바꾸는 방식이다.

압축가스를 저장하는 장치에도 항공우주 분야의 기술이 적용됐다.

로켓 사양에는 탄소섬유 복합재로 감싼 고압 저장용기 두 개가 장착된다. 저장용량은 총 600리터이며, 약 250㎏의 압축가스를 담을 수 있도록 설계됐다. 일반적인 자동차의 연료탱크와 달리 매우 높은 압력을 견뎌야 하는 구조다.

탄소섬유 복합재 압력용기(COPV·Composite Overwrapped Pressure Vessel)는 금속이나 다른 재질의 내부 용기를 고강도 섬유로 감싸 압력을 견디도록 만든 장치다. 높은 압력을 견디면서 무게를 줄일 수 있어 우주항공 분야에서도 활용된다.

로드스터의 추진장치에 사용되는 압축가스는 전기차의 배터리에 저장된 에너지를 이용해 다시 충전할 수 있도록 구상됐다. 머스크는 별도의 로켓 추진제를 공급받을 필요 없이 차량 자체에서 고압 저장장치를 재충전하는 방식을 설명했다.

압축가스를 사용하는 방식은 연소식 로켓보다 구조가 단순하지만 저장량과 분사 시간에 제약을 받는다. 가스가 분출될수록 저장용기 내부 압력이 낮아지고 추진력도 줄어든다. 같은 추력을 오랫동안 유지하려면 충분한 가스를 저장하거나 압력을 보충해야 한다.

초고압 저장장치와 분사 노즐, 압축기, 배관, 제어장치가 추가되면 차량 중량과 내부 공간에도 영향을 준다. 일반적인 스포츠카와 달리 고압가스 추진장치를 안전하게 수용할 공간을 확보해야 한다.

테슬라는 로켓 사양에서 조수석 공간까지 압축가스 저장장치에 배분했다. 기본적인 로드스터는 2인승으로 설계됐지만, 공중 이동 기능을 확대하는 최상위 사양은 1인승이다. 추진장치의 성능을 높이는 대신 탑승 공간을 줄인 것이다.

압축가스를 차량 안에 대량으로 저장하면 저장용기의 구조적 안전성도 중요해진다. 충돌이나 충격이 발생했을 때 용기와 배관이 손상되지 않아야 하며, 압력이 비정상적으로 높아지는 상황에도 대비해야 한다. 반복적인 충전과 분사 과정에서 발생하는 온도 변화 역시 관리 대상이다.

테슬라의 추진장치 개발은 강력한 추력을 만드는 기술과 저장·충전·안전관리 기술을 동시에 요구한다.

로드스터의 가속 성능에는 바퀴 아래쪽의 흡입장치도 중요한 역할을 한다.

테슬라는 차체 하부에 네 개의 고출력 팬을 설치했다. 각 팬의 출력은 약 20㎾로, 네 개를 합하면 정격 출력 기준 약 80㎾에 이른다. 팬이 작동하면 자동차 바닥과 노면 사이의 공기를 빠르게 배출해 압력을 낮춘다.

차체 아래의 압력이 낮아지면 상대적으로 압력이 높은 외부 공기가 자동차를 바닥 쪽으로 누른다. 자동차가 지면에 밀착되는 힘인 다운포스(downforce), 즉 하향력을 만드는 원리다.

일반적인 스포츠카도 차체의 형상과 날개를 이용해 하향력을 얻는다. 그러나 공기 흐름을 이용하는 장치는 차량의 속도에 영향을 받는다. 자동차가 빠르게 달릴수록 공기역학적 하향력을 크게 얻을 수 있지만 낮은 속도에서는 효과가 제한된다.

흡입팬은 자동차의 주행속도와 별개로 차체 아래의 공기를 배출할 수 있다. 정지 상태나 저속 주행에서도 바닥 쪽으로 누르는 힘을 확보할 수 있다는 차이가 있다.

테슬라는 팬과 함께 차체 하부의 공기 흐름을 조절하는 가변식 구조물을 적용했다. 차체 주변으로 공기가 무분별하게 유입되는 것을 줄여 흡입 효과를 높이는 방식이다. 고속 주행에서는 앞뒤 구조물을 움직여 공기 흐름을 조절한다.

로드스터의 후면 스포일러도 주행 조건에 따라 각도를 바꾼다. 직선 구간에서 공기 저항을 줄이는 설정과 코너링에서 하향력을 높이는 설정을 구분해 작동하도록 설계됐다.

모라비는 흡입팬을 이용해 2g를 넘는 횡가속도를 목표로 한다고 설명했다. 여기서 2g는 중력가속도의 두 배에 해당하는 가속도 수준이다. 차량이 코너를 돌 때 높은 횡가속도를 견디려면 타이어가 노면에서 미끄러지지 않도록 충분한 접지력을 유지해야 한다.

흡입팬이 자동차를 노면에 강하게 누르면 타이어와 지면 사이에 작용하는 수직하중이 증가한다. 타이어가 전달할 수 있는 마찰력이 커지면서 코너링과 제동, 가속 성능을 높이는 데 도움이 된다.

추진장치와 흡입팬은 서로 다른 방식으로 자동차의 움직임에 관여한다. 추진기는 차량을 원하는 방향으로 밀어내고, 흡입팬은 타이어를 노면에 붙잡아 주는 역할을 한다. 테슬라는 두 기술을 결합해 가속 성능과 차체 제어 능력을 높이도록 설계했다.

맥그리거에서 거꾸로 된 경사로를 주행할 수 있었던 이유도 흡입팬이 만든 하향력 때문이다. 자동차가 뒤집힌 상태에서는 중력이 차체를 경사로에서 떨어뜨리는 방향으로 작용한다. 흡입팬은 중력에 맞서 차체를 경사로에 붙잡아 둘 수 있는 힘을 발생시킨다.

차량이 경사로를 벗어나 공중으로 떨어진 뒤에는 압축가스 추진기가 작동했다. 차량은 회전하면서 바퀴가 아래를 향하도록 자세를 바꿨고, 하강 과정에서도 추진장치를 이용해 착지를 제어했다.

흡입팬과 추진장치를 결합한 로드스터의 움직임은 인상적이지만 흡입 기술 자체가 자동차 산업에서 처음 등장한 것은 아니다.

1970년 미국의 레이싱카 채퍼럴 2J(Chaparral 2J)는 차체 뒤쪽의 대형 팬을 이용해 바닥 아래의 공기를 배출했다. 차체 하단에는 공기가 유입되는 것을 줄이기 위한 밀폐 구조를 적용했다. 고속으로 달리지 않아도 하향력을 얻을 수 있어 당시 레이싱카와 다른 코너링 성능을 보여줬다.

1978년 포뮬러원(F1)에는 브라밤 BT46B(Brabham BT46B)가 등장했다. 차량 뒤쪽에 장착된 대형 팬을 이용해 하향력을 얻었으며, 니키 라우다(Niki Lauda)가 운전한 차량은 그해 스웨덴 그랑프리에서 우승했다. 이후 규정과 관련한 논란 속에 경주에서 철수했다.

전기차 시대에도 흡입팬 기술은 다시 등장했다.

영국의 맥머트리(McMurtry)가 개발한 전기 하이퍼카 스펄링(Spéirling)은 두 개의 고속 팬을 이용해 정지 상태에서도 강력한 하향력을 발생시킨다. 제조사가 제시한 최대 하향력은 약 2,000㎏ 수준이다.

스펄링은 2022년 영국 굿우드 페스티벌 오브 스피드(Goodwood Festival of Speed)의 힐클라임 주행에서 기록을 경신했다. 고성능 전기모터와 능동형 흡입장치를 결합해 접지력을 높이는 기술이 실제 주행 기록으로 이어진 것이다.

테슬라 로드스터의 흡입팬 역시 오랫동안 모터스포츠에서 개발돼 온 기술을 전기 스포츠카에 적용한 방식이다. 스페이스X의 압축가스 추진장치까지 결합하면서 기존 팬카와 다른 공중 제어 기능을 추가했다.

두 기술을 동시에 사용하는 로드스터는 타이어가 노면에 닿아 있을 때와 공중에 떠 있을 때 작동 방식이 달라진다.

노면 주행에서는 흡입팬이 접지력을 높이고 추진기는 가속을 보조한다. 바퀴가 지면에서 떨어진 뒤에는 타이어를 통한 조향과 구동이 제한되므로 추진기의 분사 방향과 추력 조절이 중요해진다.

자동차가 공중에서 회전하려면 차체의 무게중심을 기준으로 회전시키는 힘이 필요하다. 차체의 여러 위치에 배치된 추진기는 분사 방향과 세기를 조절해 회전 운동을 만들어낸다. 차체의 앞뒤와 좌우에서 발생하는 힘을 조합하면 기울기와 회전 방향을 바꿀 수 있다.

착지 직전에는 차량의 수직 이동속도를 줄여야 한다. 빠르게 하강하는 차량이 그대로 지면에 닿으면 큰 충격이 발생하기 때문이다. 아래쪽으로 가스를 분사하면 위쪽으로 작용하는 반작용을 얻을 수 있어 하강속도를 줄이는 데 활용할 수 있다.

다만 추진장치로 하강속도를 조절하는 기술과 장시간 공중에 머무르는 비행 기술은 다르다.

자동차가 지속적으로 떠 있으려면 차량의 무게에 맞서는 추진력을 충분한 시간 동안 유지해야 한다. 방향을 바꾸거나 이동하려면 추가적인 추진력과 제어 능력도 필요하다. 고압 저장장치의 가스가 줄어들면서 추진력이 떨어지는 문제까지 고려해야 한다.

테슬라는 짧은 도약과 공중 회전, 착지를 시연했다. 일반 항공기처럼 계속 공중에 머물거나 장거리를 비행하는 성능은 제시하지 않았다.

스페이스X의 우주항공 기술을 적용했다고 해서 로드스터가 우주선과 같은 방식으로 이동하는 것도 아니다. 지상에서 공중으로 떠오르는 자동차는 중력뿐 아니라 공기 저항과 주변 시설물, 지형의 영향을 받는다. 공중에서의 이동과 착지를 일상적으로 반복하려면 시연과 다른 수준의 안전성과 제어 신뢰성이 요구된다.

테슬라가 공개한 0.81초 가속 기록도 측정 조건을 함께 살펴볼 필요가 있다.

시속 60마일은 시속 약 96.6㎞다. 테슬라는 추진장치를 이용한 가속 시연에서 0.81초라는 수치를 제시했다. 다만 출발 후 첫 1피트(약 30.5㎝)를 이동하는 데 걸린 시간을 제외하는 롤아웃(rollout) 방식이 적용됐다.

롤아웃은 자동차의 가속 성능을 측정할 때 사용되는 방식 가운데 하나다. 출발 직후 일정 거리를 제외하기 때문에 정지 상태부터 모든 구간을 포함해 측정한 기록보다 시간이 짧게 나온다.

로드스터의 0.81초는 테슬라 자체 시연 기록이다. 측정 방법과 차량 상태, 노면 조건을 동일하게 맞춘 독립 시험 결과가 발표된 것은 아니다.

일반적인 로드스터의 가속 성능과 추진장치를 장착한 사양의 기록도 구분해야 한다.

테슬라가 제시한 퍼포먼스(Performance) 사양의 시속 60마일 도달 목표는 약 1.6초다. 추진장치를 추가한 스러스트(Thrust) 사양은 1초 미만의 가속을 목표로 한다. 공중 이동 기능까지 갖춘 로켓 사양은 별도로 구분된다.

로켓 사양에 들어가는 추가 저장장치와 추진기는 차량의 중량 배분과 탑승 공간에도 영향을 준다. 공중 이동을 위한 장비를 많이 장착할수록 차체 설계와 차량 제어가 복잡해질 수밖에 없다.

차량의 추진력만 높인다고 모든 운전 상황에서 성능이 향상되는 것도 아니다. 강력한 가속은 탑승자에게 큰 신체적 부담을 준다. 수평 방향으로 급격한 가속도가 발생하면 몸을 좌석에 지지하는 구조와 탑승자의 자세가 중요해진다.

테슬라가 목표로 하는 1초 미만의 가속은 일반 승용차와 상당히 다른 수준이다. 반복적인 가속과 급제동, 공중 회전이 실제 탑승자의 안전에 미치는 영향도 고려해야 한다.

로드스터의 냉가스 추진장치는 반복 사용을 위한 충전 시간도 필요하다.

차량에 저장된 압축가스가 소모되면 다시 압축해 저장해야 한다. 고압으로 공기를 압축하는 과정에는 전기에너지가 들어가며 열도 발생한다. 압축기의 성능과 냉각 방식에 따라 저장장치를 다시 채우는 시간이 달라진다.

모라비가 설명한 현재 시제품의 전체 저장장치 충전 시간은 약 6~7시간이다. 테슬라는 충전 시간을 약 30분 수준으로 줄이는 방향으로 개발하고 있다.

전기차의 배터리를 충전하는 일과 추진장치에 필요한 초고압가스를 채우는 일은 별도의 과정이다. 로드스터가 공중 도약을 반복하려면 배터리 잔량뿐 아니라 저장장치의 압력과 가스량도 충분해야 한다.

자동차가 공중으로 떠오르는 순간마다 압축가스가 소모되는 구조인 만큼, 지상에서 추진기를 반복 사용하는 스포츠카와 장시간 비행하는 이동수단 사이에는 기술적 차이가 크다.

강력한 추진장치에서 발생하는 소음과 배출 기류도 운행 조건에 영향을 줄 수 있다. 테슬라의 시연에서는 추진기가 작동할 때 큰 소음과 함께 가스가 분출됐다. 공공도로에서 추진장치를 사용할 경우 주변 보행자와 차량에 미치는 영향까지 고려해야 한다.

테슬라는 최상위 로켓 사양을 일반 공공도로 운행이 승인된 차량으로 제시하지 않았다. 특별 초청을 통해 공급할 계획이며, 실제 양산차에 적용할 기능과 사용 조건은 일반 로드스터와 구분된다.

자동차가 지상을 벗어나 공중으로 이동하게 되면 운행 규정 역시 복잡해진다. 차량의 안전기준에 더해 공중 이동과 관련한 규정이 적용될 가능성이 있다. 차체가 공중에서 회전하거나 다른 차량 위로 이동하는 기능은 일반적인 도로 주행을 전제로 만들어진 규정만으로 다루기 어려운 부분이 있다.

맥그리거 시연에서도 탑승자의 안전을 고려해 운전자 없이 차량을 움직였다. 머스크는 공개 행사에서 로드스터가 안전성을 최우선으로 설계한 차량은 아니라고 설명했다. 일반 소비자가 탑승한 상태에서 같은 동작을 반복할 수 있는 수준의 기술과 안전장치가 갖춰졌다는 의미는 아니다.

테슬라는 로드스터의 양산 시작 시점으로 2028년을 제시했다. 시제품에 적용한 냉가스 추진장치와 흡입팬을 실제 판매 차량에서 안정적으로 작동시키려면 내구성과 반복 사용 성능, 압력 저장장치의 안전성, 차체 제어 능력을 확보해야 한다.

로드스터에 적용된 흡입팬은 1970년대 레이싱카부터 이어져 온 기술이고, 냉가스 추진기는 우주선의 자세 제어에 사용돼 왔다. 테슬라는 서로 다른 분야에서 발전한 기술을 하나의 전기 스포츠카에 결합해 공중 도약과 회전, 착지를 시연했다.

2028년 양산차에서 어느 수준까지 구현될지는 추진장치의 충전 시간과 반복 사용 성능, 탑승자 보호, 도로 운행 조건에 따라 달라질 수 있다. 테슬라가 시연에 성공한 압축가스 추진기와 흡입팬을 실제 자동차의 성능과 안전성으로 연결하는 개발은 앞으로도 이어질 예정이다.