[공기역학] 비행기 날개와 관련된 용어

공기 역학은 아마도 항공 또는 항공 우주 공학을 생각할 때 가장 먼저 떠오르는 과목일 것이다. 공기 역학은 본질적으로 《유체 역학》의 고전 이론을 외부 유동 또는 동체 주위의 유동에 적용하는 것이며, 대부분의 항공 엔지니어에게 떠오르는 주요 응용 분야는 날개 주위의 유동이다.

 

날개가 없으면 양력도 없고, 항공기도 아니므로 날개는 비행기에서 가장 중요한 부분이다. 대부분 사람은 날개가 어떻게 작동하는지 어느 정도 알고 있다. 즉, 날개 상단의 유동이 바닥의 유동보다 빠르게 진행되면 하단보다 상단의 압력이 낮아지므로 양력이 발생한다. 항공 엔지니어는 이보다 더 많은 것을 알아야 한다. 항공 엔지니어는 어떤 비행기의 임무에 적합한 양력과 항력 및 피칭 모멘트의 최적 조합을 얻기 위해 날개 모양을 만드는 방법을 알아야 한다. 또한 항공기의 공기 역학이 설계 및 성능의 다른 측면과 어떻게 상호 작용하는지 이해해야 한다. 날개에 작용하는 힘이 날개 구조의 하중 한계를 초과하지 않는 것도 좋을 것이다.

 

과거와 현재의 비행기를 살펴보면 다양한 날개 모양을 볼 수 있다. 일부 항공기는 날개가 짧고, 뭉툭한 작은 날개 길이를 가지고 있지만 다른 항공기는 길고 좁은 날개를 가지고 있다. 어떤 날개는 완만한 곡선을 가지고 있으며, 어떤 날개는 직선으로 펴져 있다. 날개는 끝이 독특한 모양이거나 날개와 같은 부착물이나 확장이 있을 수 있다. 이러한 모든 모양은 항공기의 목적이나 설계와 관련 있다.

 

날개가 왜 지금과 같은 모양인지 살펴보려면 날개 모양을 정의하는 데 사용하는 용어를 살펴보는 것부터 시작해야 한다.

 

항공기 동체 또는 동체의 중심선과 평행하게 절단된 날개의 2차원 단면을 에어포일 단면(airfoil section)이라고 한다. 에어포일 단면 앞 가장자리(전연)에서 뒤쪽 가장자리(후연)까지 직선을 익현선(chord line)이라고 하며, 코드 라인의 길이를 코드(chord)라고 한다. 에어포일 부분의 윗면과 아랫면 사이의 중간에 그려진 선을 캠버 라인(camber line)이라고 한다. 캠버 라인과 현 라인 사이의 최대 거리를 에어포일의 캠버(camber)라고 하며, 보통 코드의 백분율(percent of chord)로 표시한다. 에어포일 캠버의 양과 최대 캠버 지점의 위치는 에어포일의 모양을 정의하고, 성능을 예측하는 데 중요한 숫자인 것을 알 수 있다. 대부분의 에어포일에서 최대 캠버는 0%에서 5% 사이이며, 최대 캠버 지점의 위치는 에어포일 앞 가장자리에서 코드의 25%에서 50% 사이이다.

 

항공기를 위에서 볼 때 날개 모양 또는 평면형(planform)은 다른 용어로 정의한다.

 

날개 면적은 날개의 실제 표면적이 아니라 ‘투영 면적’이다. 또한 사용된 약어 중 일부는 직관적이지 않다. 익폭(span)은 날개 끝에서 날개 끝까지의 거리(동체 너비를 포함한다)로 b로 표시하며, 날개 면적은 ‘A’가 아닌 ‘S’ 기호를 사용한다. 경사 각도는 일반적으로 람다($ \lambda $) 기호를 사용한다.

 

또, 날개의 평면형을 바탕으로 다른 정의는 종횡비(AR)가 있다.

 

AR = b²/S

 

종횡비는 또한 ‘평균’ 또는 평균 코드로 나눈 범위이다. 나중에 종횡비가 장거리 비행에서 날개의 효율성을 측정하는 척도인 것을 알게 될 것이다.

 

날개 평면도는 항공기의 종류마다 상당히 다를 수 있다. 전투기는 종횡비가 적거나 짧고 뭉툭한 날개를 갖지만, 수송기는 종횡비가 높은 날개 모양을 가지며 글라이더는 날개 길이가 더 길다. 일부 날개는 곡선이고 어떤 날개는 곡선이 아니다. 일부 날개는 삼각형 또는 ‘델타’ 모양도 있다. 지난 100년간 날개 설계를 살펴보면 거의 무한히 다양한 모양을 볼 수 있다. 일부 모양은 공기 역학적 최적화에서 비롯되지만, 다른 모양은 구조적 이점을 위해 형성된다. 일부는 스텔스를 위한 방식이고, 다른 일부는 곡예비행의 기동성을 위해 형성되며, 또 다른 일부는 보기 좋은 비행기에 대한 설계자의 욕구를 충족시키기 위한 것이다.

그림 1.3 여러 개의 날개 평면도

 

보통 큰 종횡비의 날개는 장거리 항공기에 바람직하지만, 낮은 종횡비의 날개는 기동성이 필요할 때 더 빠른 롤(roll) 응답을 허용한다. 날개를 앞뒤로 곡선 형태로 만들면 비행기의 속도가 음속에 가까워짐에 따라 항력이 줄어들지만, 저속에서는 효율성이 감소한다. 델타익은 높은 스윕과 넓은 면적의 조합을 얻는 방법이다. 날개 끝에서 더 낮은 코드를 제공하려고 날개를 테이퍼링하면 보통 테이퍼링하지 않은 날개보다 다소 더 나은 성능을 제공하며 ‘포물선’ 평면형을 제공하는 비선형 테이퍼는 이론적으로 최상의 성능을 제공한다.

 

다음 자료에서 우리는 위에서 언급한 몇 가지 사항과 비행기의 비행 능력과 관련된 결과를 자세히 살펴볼 것이다.

 

날개 공기 역학에 대해 더 자세히 살펴보기 전에 먼저 항공기가 작동해야 하는 대기를 살펴보고, 공기 역학을 ‘수행’할 때 접하는 몇 가지 기본 관계를 살펴보자.

 

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