예비 조종사들을 위한 기초 항공역학 2탄

항공역학 중 양력과 항력은 무엇인가?

양력이나 항력으로 표현되는 공력은 베르누이 방정식에서 보여주는 바와 같이 공기흐름의 운동에너지로부터 얻는 동압에 의해 크게 좌우될 뿐 아니라 날개의 형태나 크기, 공기흐름의 특성 등에 의해 결정된다. 그런데 에어포일에 있어서 공력이란 3차원 날개와는 달리 날개 끝단이 없기 때문에 양력은 날개의 단위길이당 크기를 말하며, 양력을 나타내는 기호는 소문자로 표시하고 날개 면적 대신에 에어포일의 시위길이를 사용한다.

 

날개 단면인 에어포일에 작용하는 양력과 항력을 무차원 계수화한 2차원 양력계수와 항력계수 식은 각각 다음과 같다. 여기서 양력 및 항력은 공기의 밀도, 흐름의 속력, 시위선의 길이, 그리고 양력계수 및 항력계수로 나타낸다. 저속 에어포일은 받음각과 형상이 같으면 크기나 동압이 다르더라도 동일한 양력계수를 가진다. 이와 같은 이유로 공기역학에서는 여러 가지 편리함이 있는 무차원 계수를 많이 사용하게 된다.

 

받음각이 비교적 낮은 범위에서는 받음각이 증가하면 양력계수도 정비례하여 증가한다. 그래프가 직선으로 나타나는 변화의 기울기를 양력선 기울기라고 불린다. 받음각을 계속 증가시키면 양력계수가 증가하는 비율이 둔해지다가 특정 받음각에서 양력계수가 최대가 된 뒤에 양력계수가 감소한다. 이와 같이 양력계수가 감소하는 것을 에어포일의 실속이라고 말하며 실속이 일어나는 받음각을 실속 받음각이라 하고 이때의 양력계수를 최대 양력계수라고 한다. 실속은 경계층의 분리와 연관되어 있으므로 그림에서 보듯이 레이놀즈수에 큰 영향을 받는다. 실속 받음각은 대개 120 ~ 200이며 에어포일과 레이놀즈수에 따라 실속의 형태와 양상이 다양하다. 에어포일에 캠버가 있으면 받음각이 영이라도 양력계수는 양(+)의 값을 가지며, 이러한 에어포일은 받음각을 영보다 더 작게 해야 양력계수가 영이 되는데 이 받음각을 영양력받음각이라 한다.

 

에어포일에서 측정되는 항력은 두 가지로 나누어 생각할 수 있다. 에어포일 표면에 수직으로 작용하는 압력분포에 의한 힘 중, 공기흐름 방향 성분의 힘은 뒤로 향하는 힘이 되며, 이러한 항력을 압력항력이라고 한다. 다른 하나의 항력은 공기의 점성에 의한 마찰력으로 인한 항력이 발생하게 되는데 이를 표면마찰력이라고 한다. 이 두 가지 항력을 구분하여 측정하기가 어려우므로 두 가지를 합한 것을 측정하게 되며 이를 에어포일의 유해항력이라 한다. 에어포일의 항력계수는 대체로 받음각이 영이 되는 부분에서 최소가 되며 받음각이 증가하면 급격히 증가한다. 항력과 양력의 관계 중 실속이 일어나면 항력계수는 급격하게 증가한다.

박리와 실속

날개의 받음각이 증가함에 따라 양력계수가 점차 증가하다가 특정 받음각 이상이 되면 실속이 일어난다는 것을 앞에서 언급하였습니다. 이 현상은 점성에 의해 형성된 경계층이 날개 표면으로부터 분리되는 흐름의 박리 또는 분리에 의해 발생한다. 날개 윗면의 표면을 따라 흐르는 공기층은 점성 마찰력에 의하여 속력이 느리기 때문에 관성력이 작다. 이로 인해 뒷전 부분의 높은 압력에 의하여 압력이 낮은 앞전 부분으로 작용하는 압력을 이기지 못하여 뒷전에서 앞전으로 흐름의 역류가 발생한다. 분리가 일어나면 날개 윗면 앞전에서는 압력이 상대적으로 높아져서 양력이 감소하고 뒷전에서는 압력이 낮아지기 때문에 압력항력이 크게 증가한다.

 

받음각이 작으면 분리가 일어나지 않다가 받음각이 커지면서 뒷전에서부터 분리가 일어나기 시작하며, 받음각이 더욱 커지면 분리점이 뒷전에서 점점 앞전 쪽으로 점차 이동하여 날개 표면이 후류의 영역에 들어가는 범위가 점점 커진다. 반면에 후류에 들어가지 않은 앞부분의 날개는 받음각이 커짐에 따라 압력 차이를 더 많이 만들어 양력계수의 증가에 기여하지만 뒤에서 이동하는 분리점 때문에 증가율이 둔해진다. 결국 후류에 들어간 면적이 더욱 넓어지면 더 이상 양력계수가 증가하지 못하고서 항력계수가 급격히 증가하여 실속에 들어가게 된다. 비행기가 실속에 들어가면 심각한 조종 불능 상황에 처할 수 있기 때문에 대부분의 비행기에는 실속 경보 장치를 설치하여 조종사에게 비행 중 실속에 들어가기 전 경보음을 주어 예방할 수 있도록 한다.

날개의 공력 작용

날개는 날개 단면인 에어포일을 길이 방향으로 유한하게 이은 것으로 날개 끝을 가지고 있다. 그래서 날개 끝이 없는 날개를 무한 날개 또는 2차원 날개라 하고 날개 끝을 가지고 있는 통상적인 날개를 유한 날개, 또는 3차원 날개라 부르기도 한다.