안녕하세요! 비행기에 대해 알아봅시다! 입니다.

오늘은 비행기의 안정을 책임지는 꼬리날개에대해 알아보도록하죠.

꼬리날개는 수평날개와 수직날개로 구성이 되어있습니다.

수평날개는 또 세부적으로 엘리베이터(Elevator)와 트림탭(Trimtabs)*을 갖고있어 비행기의 기수를 올리거나 내릴때 쓰입니다.

수직날개도 러더(Rudder)와 트림탭을 추가적으로 갖고잇어 비행기의 야잉(yawing)을 바로잡는데 쓰이죠.

*트림탭(trim tabs) 미세조종을 위해 쓰임.

이제 수평과 수직꼬리날개를 나누어 자세히 살펴보도록 합시다.

우선 수평 꼬리날개입니다.

비행기의 수평안정을 책임지고있는 수평꼬리날개를 이해하기위해서는 모멘트(moment)부터 알아봐야 합니다.

모멘트란 물체를 회전시키려는 힘을 뜻합니다.

모멘트는 어느 한 점에 작용하는 힘과 회전축(pivot point)으로부터 거리의 곱과 같습니다.

위 그림에서 모멘트는 중심축을 기준으로 반시계 방향으로 회전을 하겠군요.

하지만 그 회전운동을 멈추게 하려면 막대기의 오른쪽에도 같은 무게를 놓아야지 회전운동을 멈출수 있겠습니다. (혹은 더 무거운 추를 회전축과 가까이 놓을수도 있겠군요.)

비행기에서도 수평을 만들기위해 같은 원리를 작용시킵니다.

그림에서와 같이, 비행기는 무게중심(center of gravity, C.G.)을 중심으로 주날개와 꼬리날개의 양력으로 모멘트를 생성합니다. 그림에서 비행기는 주날개에서 나오는 양력이 무게중심을 중점으로 시계방향의 모멘트를 만듭니다. 따라서 비행기가 수평을 이루려면 꼬리날개의 양력으로 이 주날개의 모멘트를 커플링(coupling) 해줘야합니다. (꼬리날개의 양력이 위로향하지않고 아래로 향함)

하지만 무게중심이 방금과 같이 주날개의 양력중심보다 앞에있지 않고 뒤에있는경우,이야기는 달라집니다.

주날개의 양력이 무게중심 앞에서 시계방향으로 모멘트를 생성해 이것을 커플링 해주려면 꼬리날개에서도 양력을 생성해 시계반대 방향으로 모멘트를 만들어 줘야합니다.

꼬리날개에서 양력을 생성해 주날개에서 생성해야하는 최소 필요의 양력을 줄여줍니다.좀 더 효율적이라 볼수있겠습니다.

하지만 이것은 비행기 안정에 치명적입니다.

사실, 무게중심과 양력중심 의 위치는 비행기 정적 동적안정에서 아주 중요한 포인트이고 비행기 꼬리날개의 크기도 결정하게 합니다.

여기까지 간략 정리를 하자면,

비행기의 무게중심이 양력중심보다 뒤에있으면 주날개에서 생성되는 모멘트를 꼬리날개에서 커플링해줘야 하기때문에 전체적인 양력을 깍아 비효율적이다.

하지만 비행기안정을 위해 무게중심은 양력중심보다 앞에있어야한다.

비행기의 무게중심이 양력중심보다 앞에있으면 같은 이유로(모멘트 커플링)꼬리날개에서 양력을 추가적으로 생산해야한다. 이는 효율적이지만 비행기 안정에 치명적이다, 따라서 fly by wire가 필수로 따른다.

(자세한건 다음편부터!)

카나드갖고있는 항공기의 형태를 알아봅시다.

카나드에 대해 지난4편에서 알아봤습니다.(참조http://todayhumor.com/?science_56629)

무게중심점이 주날개의 양력중심보다 앞에있는경우 카나드에서 양력을 생성해 주날개의 모멘트를 커플링 해줍니다. 이러한 형태는 보통 델타익 비행기의 고기동성을 목적으로 사용되고는 합니다.

마지막으로 주날개가 비행기 자체인 전익기를 보겠습니다.

다들 뉴스를 통해 미국의 전략폭격기인 B-2를 보신적이 있을겁니다.

양력의 중심이 무게중심보다 뒤에있지만 그것을 커플링해줄 꼬리날개가 있지않습니다. 이것을 역캠버(negative camber)를 이용해 커플링을 만들어 냅니다. 이것은 초정밀 컴퓨터 제어가 필요한 설계여서 아주 고도의 정밀함을 요구합니다.

꼬리날개의 역할을 살펴봤으면,이 꼬리날개에 영향을 주는 요소를 살펴봅시다.

꼬리날개를 공부하다보면 빠짐없이나오고 꼭 빼놓으면 안되는것이 downwash effect입니다. Downwash 또는 내리흐름은 주날개에서 주로 생성되어 꼬리날개로 가는 바람의 방향을 약간 바꿔줍니다.

내리흐름은 주날개에서 생성되는 wing-tip vortex로부터 생성이 됩니다. 

주날개 아랫면의 고기압이 윗면의 저기압으로 원형을 그리며 향합니다. 이때 이 볼텍스는 날개 끝으로 집중되어 비행기가 전진함에 따라 볼텍스의 흐름은 나선형을 그리며 뒤로 향합니다.이것이 꼬리날개에 대해 내리흐름을 만들게 됩니다.

영상 참조

내리흐름을 표현한 CFD해석입니다.보시다시피, 꼬리날개의 받음각이 주날개와 달리 아래로 향하는걸 보실수있습니다. 다음 그림을 통해 자세히 알아봅시다.

꼬리날개가 아래로 향하는 양력을 생성할시 주날개에서 생성된 내리흐름때문에 꼬리날개의 양력은 파랑색이여야 할 것이 검정색으로 되어 소량의 추력 성분을 생성하게됩니다.

반면 꼬리날개가 위로향하는 양력을 생성할시 반대로 양력도 감소시키고 항력도 늘려주는 악효과가 나겠죠.

또한 내리흐름은 비행기의 속도에따라서도 차이점을 보입니다.비행속도가 낮을경우 내리흐름또한 적고 반면 비행속도가 높을경우 내리흐름이 쎈것을 볼수있습니다.

내리흐름이 강하다는것은 꼬리날개에서 아래로 향하게하는 양력의 힘을 더해주는것입니다. 따라서 기수를 내려버리는 위험한 상황을 만듭니다.이것을 해결하기위해 트림탭을 이용하거나 엘리베이터를 이용해 기수를 조종하고는 합니다.

꼬리 수평날개를 알아봤으면 수직날개를 알아보도록 합시다.

꼬리 수평날개는 측풍이 불었을때 야잉(Yawing)을 잡아주는데, 다음 그림으로 이해하도록하겠습니다.

비행기의 시점에서 기수를 오른쪽으로 틀고 싶으면 다음과같이 러더를 오른쪽으로 놓습니다.

그러면 수직날개와 러더가 주날개의 에어포일과 플랩과 같은 역할을해 왼쪽으로 양력을 발생하게 합니다.

결과적으로, 비행기 꼬리가 발생되는 양력에의해 왼쪽으로 향함과 동시에 기수는 자연스래 오른쪽으로 틀게 되는게 원리입니다.

**그림출처: 항공기의 힘과 평형 및 조종원리 (한국우주항공연구원)

아까 말씀드렸드시 다음편부터는 비행기의 안정에대해 알아보겠습니다!

한주간 또 활기차게 보내시고, 다음편에 뵙겠습니다!

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비행기에 대해 알아봅시다! [1탄]

http://todayhumor.com/?bestofbest_228455  

비행기에 대해 알아봅시다! [2탄]

http://todayhumor.com/?humorbest_1184331

비행기에 대해 알아봅시다! [3탄]

http://todayhumor.com/?humorbest_1187427

비행기에 대해 알아봅시다![4탄]

http://todayhumor.com/?humorbest_1188433 

비행기에 대해 알아봅시다![5탄]

http://todayhumor.com/?humorbest_1191130