예비 조종사들을 위한 항공역학 3탄

날개에 대한 항공역학

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. 여기에서는 날개의 부분명칭과 날개의 여러 형태 및 종류, 그리고 날개에 대해 발생하는 공력특성 및 고양력 장치와 유도항력 등에 대해 알아본다.

날개의 형태

에어포일을 단면으로 갖는 날개는 매우 다양한 형상을 갖는데 기본적인 날개의 세부 명칭을 알아보기로 한다.

 

날개의 기하학적 형태에 대한 정의에 대해서 알아보겠습니다. 날개길이 또는 스팬이란 날개의 끝에서 다른 끝까지의 직선 길이를 말하며로 표시한다. 날개의 시위길이는 날개길이 방향으로 다르다. 날개 끝에서의 시위를 날개끝 시위길이라 하여 날개뿌리에서의 시위길이를 뿌리 시위길이라고 표시한다. 날개 끝 시위길이와 날개뿌리 시위길이와의 비를 테이퍼 비라고 한다. 직사각형 날개는 테이퍼 비가 1.0이고 삼각형 날개는 테이퍼 비가 0이다. 테이퍼 날개에 대하여 한쪽 날개의 도심을 지나는 시위길이를 평균공력시위고 하며 날개의 기준 길이로 쓰인다.

 

날개면적은 동체로 가려진 부분까지를 포함한 지면에 투영된 날개의 평면 면적을 말한다. 날개길이 6를 평균공력시위 c 로 나눈 값, 또는 날개길이의 제곱을 날개면적으로 나눈 값을 가로세로비라 한다. 가로세로비는 공기역학적 효율을 좌우하는 중요한 인자로 다음 식으로 쓸 수 있다.

 

뒤젖힘각 또는 후퇴각은 날개가 뒤로 젖혀진 각도를 말하는데 일반적으로 날개길이 방향으로 변하는 시위길이의 25% 위치를 연결한 선이 날개의 가로방향과 이루는 각을 말한다. 만약 날개가 앞으로 젖혀 있으면 앞젖힘각 또는 전진각이라 부른다. 따라서 날개의 평면모양은 날개길이, 시위길이 분포, 날개면적, 가로세로비 및 테이퍼 비 및 후퇴각 등으로 나타낼 수 있다.

 

날개의 모양은 항공기의 운항 목적에 따라 각기 다른 모양을 갖는다. 날개를 위에서 본 모양에 따라 기본적으로는 직사각형 날개, 타원형 날개, 테이퍼형 날개, 뒤젖힘 날개, 앞젖힘 날개, 삼각형 날개 및 활형 날개 등으로 구분한다. 날개의 길이가 긴 경우에는 이중 뒤 젖힘 날개도 사용된다. 이렇게 다양한 형태의 날개로 설계하는 이유는 공기압력의 분포, 항력, 천음속이나 초음속 효과 및 구조 강도 등을 종합적으로 고려해야 하기 때문이다.

날개의 공력

에어포일과 달리 실제 비행기의 날개는 날개길이가 유한하며 공력의 특성도 에어포일과는 다르게 나타난다. 에어포일에서는 날개길이 방향의 흐름을 무시하여 2차원 흐름이라고 했지만 실제 유한길이의 날개를 지나는 공기흐름은 3차원 흐름이다. 3차원 흐름에서의 양력계수와 항력계수는 에어포일과 구별하기 위하여 아래첨자의 소문자 대신에 대문자를 사용하여 삼차원 양력계수를 CL, 삼차원 항력계수를 CD로 표기한다.

 

날개 윗면의 공기속력은 아랫면에 비해서 빠르므로 압력은 날개 아랫면이 윗면에 비해서 높다. 이 압력 차이가 양력을 만드는 근원이지만 날개 끝에서는 이 압력 차이를 그대로 유지할 수 없다. 왜냐하면 공기는 압력이 높은 데서 낮은 데로 이동하려는 성질이 있으므로 날개 끝에서는 밑면으로부터 윗면으로 휘감아 돌아 올라가는 소용돌이, 즉 와류가 발생하며 이 와류는 비행기의 하류로 이어진다. 이처럼 날개 끝에서 발생한 흐름 모양을 날개 끝 와류라 하며 날개 주위의 공기흐름에 큰 영향을 준다.

 

비행기 주위의 공기흐름은 이론적 모형으로 설명할 수 있다. 날개에서 생기는 와류를 회전선이라 생각하고, 이 회전선에 가까울수록 속력이 빠른 소용돌이가 발생한다고 생각해보면 쉬울 것이다. 날개 주변 와류에 의하여 발생한 수직방향의 속도 성분을 유도 속도라 한다. 회전선의 안쪽에서는 날개 면에 수직한 아래 방향으로, 바깥쪽에서는 위 방향으로 속도성분이 발생하게 될 것이다. 이렇게 유도된 흐름을 각각 내리흐름과 올려흐름이라 한다. 날개의 앞전에서는 올려흐름이 생기고 날개의 뒷전에서는 내리흐름이 생긴다. 그러므로 날개를 지나가는 공기흐름의 방향은 날개 뒷부분의 내리흐름 속도 성분과 합성된 흐름이며, 날개에 생기는 공기역학적인 힘도 유도된 속도의 영향을 받는다. 양력은 날개를 향해 들어오는 속도 방향에 수직인 방향의 힘이므로 날개 끝 와류에 의한 내리흐름의 속도 때문에 받음각이 줄어드는 것과 같은효과를 가진다. 줄어든 받음각을 유도받음각이라 부른다. 시위선의 방향은 일정하므로, 양력성분의 방향은 뒤로 기울어지는 것과 같다. 뒤로 기울어진 양력은 원래의 공기흐름 방향으로 보면 항력성분이 되고, 이렇게 생긴 항력을 유도항력이라 한다.

 

유도항력은 날개 끝에서 발생하는 와류로 인해 추가적으로 발생한 특별한 항력이다. 양력발생 과정에서 불가피하게 유도된 항력이기 때문에 유도항력이라 부르고 유도항력계수는 다음과 같은 식으로 나타낸다.

 

양력이 크면 날개 끝 와류의 세기도 커져서 유도항력은 양력의 제곱에 비례한다. 양력이발생하지 않으면 유도항력은 0이다. 날개의 가로세로비가 크면 감소하며, 실제 날개에서도 가로세로비가 크면 유도항력이 작아져 장거리 비행에 유리하다. 만약 날개의 가로세로비가 무한히 크다면 날개가 이차원 날개의 특성을 가지게 되고 날개 끝 와류의 영향도 거의 없어지게 되므로 유도항력도 없어진다. 그리고 날개 끝 효율계수는 날개 끝 모양이타원형이면 이론적 최댓값인 1.0이 되고 날개 모양에 따라 보다 작은 값을 가진다.

 

에어포일의 경우 압력항력과 표면마찰 항력을 합한 유해항력만 발생하지만 날개의 경우 유도항력이 추가된다. 따라서 날개를 가진 비행기의 경우항력의 종류는 크게 유해항력과 유도항력으로 나눌 수 있다. 동압이 낮아서 큰 양력계수를이용하는 저속 항공기는 유도항력의 비율이 고속 항공기에 비해 크다. 따라서 날개 끝 와류로 인한 유도항력을 줄이기 위해 그림 3.13과 같은 날개 끝깃을 부착하기도 한다. 끝깃은 끝단에서 발생하는 와류의 강도를 약하게 하고, 날개 아랫면의 높은 압력이 날개 윗면의 낮은 압력으로 휘감아 올라가는 것을 차단한다.