항공기에 작용하는 항력(Drag)의 정의와 종류 #1 : 유도항력
항공기에 작용하는 힘은 4가지가 있습니다.
1. 양력(Lift)
항공기가 날 수 있게 하는 기본적인 힘.
수평으로 운동하는 물체가 진행 방향에 대해 수직 윗방향으로 향하는 힘.
중력과 양력이 같을 때 평형을 이루게 되며, 중력보다 양력이 크면 항공기를 더 높게 띄울 수 있다.
2. 중력(Weight/Gravity)
물체와 지구가 서로 당기는 힘.
물체의 질량이 클 수록 중력이 커지기 때문에 항공기를 가볍게 제작할 수록 비행에 유리하다.
3. 추력(Thrust)
항공기가 앞으로 나아갈 수 있게 하는 원동력.
충분한 추력이 있어야 비행을 유지할 수 있다.
항공기의 종류에 따라 음속(소리의 속도, 340m/s)보다 빠른 항공기도 있다.
4. 항력(Drag)
항공기가 유체 내에서 운동할 때 받는 저항력.
비행 시 흐르는 유체에 의해서 운동에 방해받는 힘을 받는데 이것이 항력이다.
기본적으로 추력의 반대방향으로 작용한다.
이번 포스팅에서는 항력(Drag) 중 "유도항력"에 대해 자세히 설명하겠습니다.
항력은 위 그림과 같이 크게 2가지로 분류할 수 있습니다.
항력의 종류
유도항력 / 유해항력
유해항력은 종류가 많으므로, 유도항력 먼저 설명하겠습니다.
*유도항력(Induced Drag)*
양력이 발생하는 과정에서 유도되어 나오는 항력
내리흐름(Down wash)에 의해 발생하는 항력
NASA에서 제공하는 유도항력 관련 그림에서도 확인 할 수 있듯이
날개의 위/아래 압력 차이가 있습니다.
양력에 대해서는 다음 포스팅에서 자세히 다루겠습니다.
일반적인 에어포일(airfoil, 날개골)에서의 유체* 흐름입니다.
※유체 : 기체와 액체를 합쳐서 부르는 용어. "액체"와 혼동 주의
날개 윗면의 공기 : 빠르다 => 낮은 압력
날개 아랫면의 공기 : 느리다 => 높은 압력
아래의 고기압 공기가 위쪽으로 올라가려고 함 => 양력 발생
그러나, 날개 끝단에서는
아래 공기가 위쪽으로 날개끝을 휘감으면서 올라오는
"날개끝와류(Wing Tip Vortex)"가 발생합니다.
이 와류(Vortex)가 날개를 휘감아 올라온 후
다시 "내리흐름(Down wash)"을 발생시킵니다.
이 내리흐름(Down wash)에 의해 유효 받음각이 작아지며,
앙력성분이 기울어져 항력을 만들게 됩니다.
이 유도속도에 의해 발생한 항력을 "유도항력(Induced drag)"라고 합니다.
대부분의 경우 이 이상 더 복잡한 이론까지는 필요 없기에 우선은 여기까지 설명합니다.
유도항력을 줄이기 위해, 날개 끝에 추가적인 Wingtip Device들이 많이 개발되었습니다.
아래 공기가 위쪽으로 휘감아 올라가는 와류(Vortex)를 방지하여
연료효율을 높이고, 이에 따라 항속거리 또한 증가시킬 수 있었습니다.
비행기의 크기 및 각 기종의 특성에 따라 다양한 종류를 사용하고 있습니다.
이렇게 다양한 기종에서 다양한 Wingtip device 들이 개발되었으나
Wingtip device를 장착하는 데는 여러가지 단점 또한 있는데요,
*Wingtip device 장착 시 단점*
1. Wingtip device 장착 시 추가 비용 약 1억 이상(기종따라 다름)
2. 추가 device 장착에 따른 무게 증가
3. 추가 device 장착에 따른 날개 구조강도 고려 필요
예전 초창기에는 도면도 손으로 직접 그린 도면이 많았으나,
점점 컴퓨터와 프로그램을 이용한 설계 방식으로 바뀌고 있습니다.
BOEING 사 실험 결과,
날개의 길이를 보다 길게 늘이면
Wingtip device 장착과 비슷한 효과를 내는 것을 발견했다고 합니다.
따라서 최근에는 위로 꺾어 올라가는 Winglet 구조보다
날개 뒷방향으로 후퇴각을 주는 Raked Wingtip 구조의 비행기가 출시되고 있습니다.
과거의 최고 효율적이었던 방법도 시간이 지나면서 새로운 발견을 통해 바뀌고 있는 만큼
앞으로 Wingtip device가 사라질 지, 아니면 실제 비행을 해 보니 고려하지 못했던 부분이 발견되어
새로운 형태의 Wingtip device를 장착하게 될 지 지켜보아야겠습니다.
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