1. 에어포일
비행기의 날개는 양력을 발생시켜 비행기를 공중에 떠오르게 하는 역할을 합니다. 이와 같은 비행기의 날개를 수직으로 자른 단면을 에어포일 또는 날개 단면이라고 합니다. 날개는 유선형 모양이어서 공기 중을 운동할 때 큰 양력과 작은 항력을 발생시킵니다. 에어포일 형상은 비행기의 날개뿐 아니라 헬리콥터의 회전날개의 단면이나 프로펠러 깃의 단면, 엔진 압축기나 터빈 깃의 단면 등 매우 다양하게 활용되고 있습니다.
에어포일은 1884년 영국의 필립스에 의해 형상에 대한 특허와 실험이 이루어진 후, 1902년 라이트 형제가 자체적인 풍동실험을 거쳐 성능이 개선된 에어포일을 개발하여 첫 번째 동력 비행에 성공하였습니다. 이후 1930년대에 미국의 NACA(국립항공자문위원회)에서 에어포일에 대한 체계적인 연구와 실험을 수행하여 표준화하였습니다. 따라서 여기서는 NACA에서 정의한 에어포일의 형상 변수들을 소개하겠습니다.
에어포일의 각 부분별 명칭은 다음과 같습니다. 에어포일의 위표면을 윗면, 아래 표면을 아랫면, 에어포일의 둥근 앞부분을 앞전, 에어포일의 뒤 끝부분을 뒷전이라고 하며, 보통 뒷전은 가능한 한 날카롭게 만듭니다. 앞전에 내접하는 원을 앞전 원지름이라 하고, 이 원의 반경을 앞전 반경이라고 합니다.
에어포일의 앞전은 보통 뒷전에서부터 거리가 가장 먼 점으로 정의되면 이 앞전과 뒷전을 연결한 선을 시위라 하고 앞전에서 뒷전까지의 거리를 시위 길이라 합니다. 시위 길이는 길이 측정과 에어포일 좌표계의 기준이 됩니다.
위면과 아랫면의 높이 차이 또는 윗면과 아래 면에 내접하는 원을 그렸을 때 이 원의 직경을 에어포일의 두께라 하고, 두께의 최댓값을 최대 두께라 합니다. 앞전에서부터 최대 두께 위치까지의 거리를 최대 두께 위치라고 하며, 최대 두께와 함께 에어포일의 형상 변수로 사용됩니다.
아랫면과 윗면의 중심점 또는 윗면과 아랫면에 내접하는 원을 그렸을 때 이 원의 중심점들을 연결한 선을 평균캠버선 이라고 하며, 에어포일의 캠버는 에어포일의 휘어진 정도를 말하고 양력 발생과 매우 밀접한 관계가 있습니다. 캠버의 최댓값을 최대 캠버, 앞전에서부터의 거리를 최대 캠버 위치라고 합니다. 앞전 원의 중심점에서 평균 캠버 선의 연장선과 에어포일의 표면이 만나는 점을 에어포일의 앞전 위치로 정의합니다.
미국 NACA에서 제정한 에어포일의 표준 형태를 많이 사용하며 그 종류에는 4자리, 5자리, 6자리의 숫자를 사용하여 캠버에 대한 정보를 나타냅니다.
2. NACA기준의 에어포일 계열
- 4자리 에어포일(예 : NACA 2415) 에서 NACA 뒤의 숫자 중 첫째 자리는 평균 캠버선의 최대 캠버를 나타내며, 여기서는 최대 캠버가 시위 길이의 2%라는 것을 의미합니다. 둘째 자리는 최대 캠버의 위치로, 여기에서는 앞전에서부터 시위 길이의 40% 위치가 최대 캠버의 위치임을 의미합니다. 마지막 두 개의 숫자는 최대 두께로 여기서는 최대 두께가 시위 길이의 15% 임을 의미합니다.
- 5자리 에어포일(예 : NACA 23015)은 평균 캠버선의 형태로 앞부분은 삼차 포물선을, 뒷부분은 직성으로 구성되었다는 점이 4자리 에어포일과의 차이입니다. 먼저 첫째 자리는 평균캠버선의 최대 캠버로 시위 길이의 2% 임을 의미하고 둘째, 셋째 자리는 최대 캠버의 위치를 시위 길이 비의 두배로 나타냅니다. 즉, 최대 캠버의 위치가 앞전에서부터 시위선의 15% 위치임을 의미합니다. 마지막 두 개의 숫자는 최대 두께를 나타냅니다.
- 6자리 에어포일(예 : NACA 653-218) 에서 첫째 자리는 6 계열의 에어포일임을 의미하고, 둘째 자리의 5는 에어포일을 설계할 때 기본으로 한 대칭형 에어포일에서 압력이 최소가 되는 위치를 의미하며 이는 앞전에서 시위 길이의 비로 나타냅니다. 여기서 최소 압력은 시위 길이의 50%에서 발생한다는 의미입니다. 쉼표 뒤의 3은 아래 첨자로 표시하기도 하는데 항력이 작은 양력 계수의 범위를 10배로 표시합니다. 여기서는 항력 계수가 작은 양력 계수의 범위가 설계 양력 계수보다 0.3 작거나 크다는 것을 의미합니다. 끝의 첫째 숫자는 설계 양력 계수의 열 배를 의미하며 여기서는 설계 양력 계수가 0.2 임을 알 수 있습니다. 마지막 두 자리는 최대 두께의 위치를 의미합니다.
- 대칭형 에어포일은 에어포일에 캠버가 없기 때문에 윗면과 아랫면의 형태가 같아 시위선을 기준으로 대칭이 되는 형태의 에어포일입니다. 따라서 네 자리 에어포일 계열의 예로 NACA 0012 또는 NACA 64-012와 같이 두 자리가 모두 0이거나 6자 계열에서 설계 양력계수가 0이면 대칭형 에어포일임을 의미합니다.
다음장에서 계속됩니다.