앞으로 비행기에 대해 글을써볼까 합니다.
오늘은 비행기가 날수있는 원리와 양력에 대해 알아보겠습니다.
비행기에 공중에서 가해지는 4가지 힘은,
엔진에 의해 앞으로 가려는 추력,Thrust
공기저항으로 비행기의 추력을 막는 항력,Drag
비행기를 공중에 띄우는 양력, Lift
하지만 중력에 의해 생기는 무게,Weight
아주 기초적으로,비행기가 앞으로 나아가려면 추력이 항력보다 커야하고, 공중에 떠있으려면 양력이 무게보다 커야합니다.물론 비행기가 이륙할때는 비행기의 기수를 올려 양력에 의지하기보단 추력에 의지를 해서 고도를 높이지요. 하지만 이러한 특수한 경우 외에는 양력이 무게보다 커야 하늘에서 비행하며 지속을 할수있습니다.
앞서 말한 추력과 무게는 항공기이론에서 대게 시간에따른 변화값이 존재하지않도록 두곤합니다. 하지만 양력과 항력은 대체로 외부적인 영향(공기저항과 비행기날개의 포지션 등)을 많이받고, 또한 그 영향들이 비행기 상태의 지대한 영향을 끼치므로 그 두 힘에대해 보다 정확한 이해가 필요로 합니다. 그래서 이 두 힘에대해 자세하게 알아볼까 합니다.
양력은 항상 바랑의 방향에 수직으로 작용합니다, 또한 받음각(Angleof attack, = 비행기 기수로 이해)이 증가할때 양력또한 증가하게됩니다. 그러나 너무 높은 받음각이 주어지면 양력이 없어지는 실속현상이 나타납니다.이것은 날개의 앞에서 분리된 바람은 반드시 뒤에서 만나야하는데,날개위로 흐르는 바람이 뱃면에 흐르는 바람을 따라잡지 못하게 되면 날개의 윗면의 바람은 난류성을 띄게되고 양력을 잃게되는것입니다.
위키에서는,
Lift is defined as the component of the totalaerodynamic force perpendicular to the flow direction, and drag is thecomponent parallel to the flow direction.
이라고 서술합니다.
이렇게 비행기를 공중에 뜰수있게하는 양력은 받은각 외에도 여러가지 요소에 의해 차이가 나게됩니다. 예를 들자면,날개의 모양,사이즈 그리고 비행기의 속도 등이있습니다.
보잉-777과 F-22 의 날개모양을 보자면,
보잉-777의 날개는 비행기의 중심으로부터 길게 뻗어나가있는 반면, F-22의 날개는 상대적으로 짧고 굵게 나가있는걸 볼수있습니다. 이것 구분짓는것을 Aspect ratio 라 하는데, 다음과 같이 설명됩니다.
Aspectratio는 총 날개 면적분의 총 길이 제곱으로 나타내어집니다.따라서 보잉의 aspect ratio는 F-22보다 높다는걸 알수있습니다. 날개의 양력은 이 aspectratio에 비례합니다.이러한 이유로 우리가 시중에서 볼수있는 고무동력기나 글라이더들은 양력을 높이기위해 높은 aspect ratio를 갖고있는것입니다.한편 낮은 aspect ratio는 기동력을 높이기 위해서 디자인된것입니다.
*U-2는 높은 aspect ratio를 활용하여 엔진의 힘을 덜어주고 날개의 양력을 높여 오랜시간동안 비행을 가능할수있게 디자인된 비행기입니다.
날개의 모양또한 양력에 지대한 영향을 끼칩니다. 여기서의 날개모양이란 정확히 표현하면 날개의 단면적, 익형 (airfoil)이 되겠습니다.
위와 같이 수많은 종류의 익형들이 존재합니다, 또 그 종류들에 따라 쓰임도 다 다르지요. 대게 우리가 보는 비행기들은 날개 윗면이 볼록하게 나와있고 뱃면은 일자이거나 위로 들어가있는 기본적인 익형들을 사용합니다.
이러한 익형들은 캠버(camber)가 있는 익형이라 합니다. 캠버란 그림에서 보이는 upper camber와 lower camber의 중간값으로,이 값이 높을수록 그 익형이 갖을수있는 최대 양력계수(liftcoefficient)를 높혀줍니다. 더 자세한 이유를 설명하려면 Bernoulli’s equation을 설명해야하므로 다음편에 다루도록 하겠습니다.
추가적으로 비행기가 이륙할때나 착륙할때 날개를 유심히 보신분들은 날개 뒷면에서 위 아래로 움직이는 판같은걸 보신적이 있으실겁니다. 이것들은 비행기의 고양력장치라 부릅니다. 고양력장치에는 플랩(flap)과 슬랫(slat)이 있습니다.
이륙시 더 많은 양력을 얻기위해 날개 뒤에는 플랩을 내리고, 앞에는 슬랫을 내려서 날개 윗면의 표면적을 넓히는 역할을 합니다. 좀전에 설명한camber를 늘리는것이지요.
슬랫은 슬롯(slot)의 역할도 합니다. 슬롯이란 날개 앞에 통로를 열어주어 날개 뱃면에서 윗면으로 기류를 흘려보내어 난류를 막아내는 방법입니다.
비행기의 속도역시 양력의 영향을 줍니다.양력을 구하는 공식은 다음과같습니다,
L = (1/2) dv2 s CL
(L=lift, d=air density, v=flow speed, s=reference surface, CL=lift coefficient)
따라서, 양력은 유체속력에 제곱비례합니다.
여기까지 비행기가 뜨는 원리, 그중에서도 가장중요한 양력을 자세히 알아보았습니다. 다음편은 더 구체적으로 Bernoulli’s equation과 continuity 를 이용하여 양력발생원인을 알아볼 예정입니다!
많은 수정 부탁드립니다 !
