오늘은 잠깐 쉬어가는겸 계산 쫙 빼고 그림많이많이 해서 비행기의 날개모양에대해 알아볼까해요 ㅎㅎ

댓글중에 전진익 후퇴익을 다뤄주시라해서 재밋겠다고 생각한게 이번편에 이런주제를 다루게 됐네요!

비행기의 날개 모양부터 알아보도록 하겠습니다!

후퇴익

우선우리가 가장 흔히 볼수있는 비행기날개인 후퇴익부터 알아보도록하겠습니다! 후퇴익 비행기는 안정성이 뛰어나죠. 다음 그림으로 안정성에대해 알아보죠.

바람이 비행기에대해 직선으로 날아올때는 사실 직선익이든 아니든 문제가될게 없습니다.

문제는이런상황인데요, 바람이 각도가 생겨 측면으로 날아올때 직선익은 fuselage를 기준으로 좌우의 면적이 바람의 시선으로 봤을때 같아서 꼬리수직날개만을 통해서 yaw를컨트롤해야합니다.  

하지만후퇴익일경우 바람의 시선으로 봤을때 좌우의 날개면적이 같지않아지는걸 볼수있습니다. 위 경우에, 오른쪽 날개의 면적이 더 커서 항력이 더 많이 발생하게되고, 반면에 왼쪽날개는 면적이 작아서 항력을 좀 더 적게 받게됩니다. 따라서 비행기가 측풍으로부터 자동적으로 리커버리할수있는 능력을 부여하게 되는것이죠.

다들아시다시피 에어포일은 캠버를 갖고있어 표면이 곡선입니다. 그래서 에어포일의 맨앞에서 맞는 바람의 속도가 그림처럼 음속의 0.8배라도 곡선을 타고가는 바람은 가속을하기때문에 (아래 pressure distribution을 보시면 낮은기압일수록 바람의 속도는 빨라집니다.)

에어포일의윗면에서는 바람의 속도가 음속의 1배가 될수도 있다는것입니다. 에어포일위에 바람이 마하 1에 도달하면 충격파가 생겨 매우 비효율적인 비행을 하게됩니다. (참고 http://todayhumor.com/?humorbest_1187427)

후퇴익은 이 임계 마하수를 높여주는 역할을 합니다.

쉽게 말해 비행기 에어포일의 모양마다 최대한 활용적이면서 빨리날수있는 속도가있는데, 우리는 그것을 임계 마하수라 부르고 후퇴익은 그 임계 마하수를 높여 비행기의 최대속도를 올려준다는말이죠.

위 그림에서 chordwise가 에어포일의 단면적이 있는 곳입니다. 그래서 저 방향으로만 바람이 가속을하지요, 따라서 실제 비행기 속도인 total component는 기존 chordwise속도보다 길어지게되어 임계 마하수를 높여 줄 수있는것이지요.

아래 그림은 후퇴각에 따른 임계 마하수의 변화를 그린 그래프입니다. 참고 하시길바랍니다.

몇가지단점이 있다면, 날개 뿌리부터 끝으로 흐르는 바람이 날개끝의 속도를 늦춰 실속을 날개 끝에서부터 일어날수있게 한다는 것입니다.

이것은실속으로부터 생기는 와류가 날개 끝부분에 위치한 aileron(비행기의전후축을 회전시키거나 막아주는 기능) 을 쓸모없게 만들어버립니다. (매우 위험한 상황이죠)

그래서옛 디자인에서는 아래 그림처럼 날개 윗면에 펜스를 놓아 날개끝에서 생기는 실속을 방지하기도 하였죠.

전진익

전진익은 호기심을 불러 일으키는 비행기날개입니다.생긴것도 SF영화에서나 나올법한 모양이지요.실제로도 실험기나 몇몇안되는 비행기만 채택하여 사용해왔습니다.

우선 이전진익이 갖고있는 가장큰 장점은 바로기동성입니다. 전진익은 날개에가해지는 양력이 후퇴익보다골고루 분포가되어 높은받은각에서도 기동을 할수있기때문이죠. 또한 실속이날개의 뿌리부터 생겨날개 끝에서 생기는것보다더 안전한 비행을할수있습니다. 반면 후퇴익은아까 다뤘듯이, 받음각이올라가면 날개 끝에서실속이 생겨 기동성면에서는 좋지않은 면들을보여주죠.

몇가지 단점이있다면, 고속기동에서는 날개비틀림이 심해져 뿌리를대단히 엄청나게 단단한재료로 만들어야한다는것 입니다, 그렇지 않으면 공중분해되어버릴수도있지요.

이는 고속비행으로오는 재료의 구조피로도를높이기도합니다. 그래서 위사진에서 보이듯이 앞에보조날개, 카나드를 달아양력을 분산시키는 역할을하게했죠. 카나드에대해선 추후에설명하겠습니다.

직선익

직선익은저속에서 뛰어난 안정성을 보여줍니다. 또한 날개가 직선이라 날개 끝에서 실속이 걸리는일도 드물죠. 무엇보다 가장 큰 단점은 값이 싸다 입니다. 직사각형인 날개는 에어포을을 여러 크기로 만들어 붙일 필요도없어지고 그냥 같은 크기 같은모양으로 붙여넣기 하면되어서 값이 정말 싸집니다. 하지만 날개끝에서 down-wash가커서 구조적으로 무리를 가합니다.

타원익

타원익은가장 이상적인 양력분포에 맞춰 설계를 했습니다. 다음은 양력분포를 날개의 뿌리부터 끝까지 나타낸 그래프들입니다. 

보시다시피 가운데있는 타원익이 날개의 양력분포가 가장 고르게 나있다는걸 볼수있습니다. 이는 항공역학적으로 매우 효율적인 모습입니다. 하지만 양력이 고루 분포되어있기때문에 날개 전체에서 순간적으로 실속에 빠져버립니다. 그리고 타원익은 제작과정이 복잡하다는 단점도 있습니다.

델타익

델타익은고속비행을 목적으로 디자인된 날개입니다. 고속기동에서의 날개 뒤틀림을 날개 뿌리를 길게만들고 날개 총길이는 짧게만들어 방지합니다. 또한 마하 2 이상의 속도에서는 후퇴각을 크게 (60도 이상) 줘야하기때문에 구조상으로 문제가 생깁니다. 이를 보완하고자 델타익이 디자인된것입니다. 한가지 흥미로운 사실은, 초고속비행을 목적으로 하기때문에 에어포일의 앞부분을 날카롭게 디자인했습니다. 이는 노말 쇼크웨이브가 생기기전에 oblique (경사)shock wave를만들어 노말쇼크때의 생기는 큰 폭의 에너지 손실을 줄여주는 역할을 합니다.

테이퍼익

테이퍼익은 직선익과타원익의 절충안이라 보시면 되겠습니다. 날개가 끝으로 갈수록 좁아지는 이 형태는 현대의 전투기들이 많이 채택합니다. 이유는 테이퍼익이 초음속에서 기동성이 우수하기때문이죠. 또한 상대적으로 양력을 골고루 분산시킬수있어 각광받고있습니다.

가변익

마지막으로 가변익입니다.가변익은 비행속도에 따라 날개의 형태를 바꿔 그 상황마다 유리한것을 취한다는 목적으로 디자인되었습니다. 저속에서는 양력의 분포가 고르고 안정적인 비행을할수있는 직선익을 갖추고, 천음속에서는 후퇴익을 그리고 초음속에서는 수평미익과 연결시켜 델타익의 형태를 갖춰 비행합니다. 이러한 장치들은 비행기의 무게를 늘려 실제로는 비행 성능에서는 크게 향상되는게 없다고 합니다. 또한 이것을 받춰줄 통합시스템이 잘되있어야해서 천문학적인 비용이 들지요.

다음은카나드에 대해 알아보도록 하겠습니다.

카나드는기체 앞에 달려있는 작은 날개를 말합니다.

전진익을설명할때 언급하였던 카나드는 보조 양력장치 겸 실속을 미리 내주는 역할을 합니다. 카나드에 의해 생기는 와류가 주날개 위쪽으로 흐르도록해 추가양력을 내는 효과를 냅니다. 이것이 카나드를 주날개보다 위쪽에 다는 이유입니다. 또 한가지 장점은 카나드가 양력을 발생시키므로 무게중심을 비행기의 앞쪽에 실어줍니다. 이는 실속에 걸렸을경우 기수가 아래로 내려갔을때 카나드에서 양력을 발생시켜 다시 기수를 올려 리커버리를 시켜주는 역할입니다.

윙렛에대해 알아봅시다.

대부분의사람들은 윙렛이 날개끝에서 생기는 와류를 막아줘 induced drag를줄여주는 역할만 있다고 생각할것입니다. 하지만 이것은 좀 부족한 윙렛 이해입니다. 윙렛의 본 목적은 날개끝에서 생기는 와류(vortex)가 윙렛을 바깥쪽에서 fuselage 쪽으로밀어줘 비행기를 앞으로 밀어주는 역할입니다. 이것이 윙렛을 윙텝의 뒤쪽으로 치우치게 디자인한 이유입니다.

날개의 위치도비행기 디자인에 중요한 포인트입니다. 날개를 동체 아래다느냐 중간에다느냐 위에다느냐에 따라 몇가지 차이점을 보입니다.

날개를아래달경우 추락해 충동시 날개가 부셔지면서 에너지를 분산시키는반면 날개가 위에있을경우 동체가 바로 닿아 데미지는 더욱 커집니다. 또한 날개를 아래달경우 정비 수리가 더욱 쉬워집니다. 그리고 날개가 위에달렸을경우 랜딩기어를 길게 만들어야해 보다 강력한 재료로 만들어야합니다. 하지만 날개를 높게달았을경우 무게중심이 양력의 중심보다 아래있어 보다 더 안정적입니다. 날개를 아래 설치할경우 비행기의 롤(roll)이 매우 쉬워지는점도 있답니다.

날개의위치만큼 중요한 디자인 고려는 날개를 안히드랄만들것이냐 다히드랄로만들것이냐 입니다.

위비행기는 다히드랄을 갖고있으며 아래 비행기는 안히드랄을 갖고있습니다. 두가지의 차이점은, 다히드랄은 펜듈럼 효과를 내며 선천적으로 안정적입니다. 다음 그림으로 이해해보겠습니다.

비행기가기울었을때 올라간 한쪽의 날개의 수평면적이 다른 한쪽의 날개보다 작아져 보다 적은 양력을만듭니다. 이 과정을 반복하면서 뒤뚱 뒤뚱하며 리커버리 모드를 찾는것입니다. 반면 안히드랄은 이와반대로 롤성능을 증가시킵니다. 전투기일경우 심한 기동을 원할때가 많은데, 쉬운 롤링은 전투기들이 원하는 중요한 요소이죠.