1. 개요
자동차와 배와 달리 비행기가 하늘을 비행할 수 있는 것은 비행기의 날개 때문입니다. 그러므로 날개에서 어떠한 힘이 발생하는지를 이해하는 것이 공기역학에서 가장 중요한 내용입니다. 비행 중인 항공기에 작용하는 힘은 그 작용 방향에 따라 양력, 항력, 추력, 중력으로 구분합니다. 이 힘들은 서로 상호 작용을 통해서 비행을 가능하게 합니다. 먼저, 추력은 정지해 있는 비행기를 움직이게 하는 힘으로 이 추력이 없으면 비행기의 운동이 이루어지지 않기 때문에 양력과 항력도 있을 수 없습니다. 만약 엔진을 작동하여 추력을 발생시킨다 해도 제동장치를 이용하여 지상에 비행기가 정지하고 있으면 양력과 항력은 발생하지 않습니다.
엔진이 작동하면 추력이 발생하고, 추력에 의해 비행기가 공기 속을 비행하면 공기저항인 항력이 발생합니다. 항력은 비행기가 앞으로 나아가는 것을 방해하는 힘입니다. 추력과 항력이 균형을 이루게 되면 비행기는 일정한 속도로 비행할 수 있습니다. 하지만 항력이 작으면 작은 추력으로도 순항할 수 있기 때문에 항공기를 만들 때는 일반적으로 항력을 최소화시키기 위해 노력합니다. 추력이 항력보다 더 크면 비행기는 가속되며, 속력의 제곱에 비례해 양력이 중력의 반대 방향으로 증가합니다. 양력은 중력의 반대 방향으로 비행 방향에 수직으로 작용하는 힘입니다. 중력은 지구가 비행기를 당기는 힘이므로 증가하는 양력이 중력보다 크게 되면 비행기는 위로 뜨게 됩니다. 원하는 고도에 도달하여 비행 중인 비행기의 양력을 중력과 같게 조절하면 일정한 고도에서 비행할 수 있습니다. 이처럼 양력과 중력, 추력과 항력은 서로 반대되는 힘임을 알 수 있습니다. 비행기뿐만 아니라 도로를 주행하는 자동차에도 이 네 가지 힘이 적용됩니다. 다른 점이라면 지면 위를 달리는 자동차에는 양력이 필요 없다는 점입니다. 자동차의 경우에는 오히려 안전하면서도 빠른 속력으로 질주하기 위해 마이너스 양력을 발생시켜지면과의 마찰력을 크게 만들기도 합니다.
위에서 나온 비행기에 작용하는 네 가지 힘 중 양력과 항력은 공기 중을 빟애하는 속도와 자세에 따라 발생하기 때문에 공기역학적 힘을 뜻하는 공력 또는 공기력이라고 부르며, 이 힘들의 원리를 이해함으로써 비행원리를 알 수 있습니다. 양력과 항력으로 표현되는 공력 특성은 비행성능을 결정합니다. 일반적으로 속력의 제곱에 비례해서 양력과 항력이 증가하지만, 형상이나 받음각에 따라 변화의 정도가 다릅니다. 따라서 아주 잘 설계된 비행기는 순항 시 최소 항력을 가짐과 동시에 가능한 최대의 양력을 발생시킬 수 있도록 설계됩니다. 대체적으로 양력과 항력의 비율인 양향비가 클수록 효율적인 비행이 가능합니다. 양향비는 같은 받음각에서 양력을 항력으로 나눈 갑이며, 비행기가 최대 양향비를 갖는다는 것은 비행에서 매우 중요한 의미를 갖습니다. 따라서 공력에 영향을 미치는 요소들을 이해해야 비행성능이 우수한 항공기를 설계할 수 있습니다.
7장부터는 양력과 항력의 발생 원리를 이해하기 위해 공기흐름에 관련된 기본 법칙을 소개하고 에어포일과 날개에 관한 일반적인 사항 및 간단한 이론을 설명합니다. 다음으로는 항공기의 비행속도에 따라 다르게 나타나는 날개의 공력 특성에 대해 설명하고, 날개의 성능을 향상하거나 변화하기 위한 여러 가지 장치를 소개합니다.
2. 공력 발생 원리와 에어포일
공력은 비행기의 속도와 공기흐름의 성질, 비행기의 형상, 날개의 크기와 모양 등에 따라 달라집니다. 날개를 포함한 비행기 전체 표면에서 압력힘과 전단힘이 발생하는데, 전체 공력 중 비행기의 진행방향과 주식인 성분은 양력이고, 진행 방향에 평행한 성분은 항력입니다. 항공기의 경제적인 비행을 위해서는 양력을 최대화하고 항력을 최소화할 필요가 있으므로 비행기의 형상은 유선형으로 설계되면 날개 단면 역시 특별하게 설계됩니다.
공력을 게산하고 그 특성을 파악할 때에는 비행기 주위의 공기 흐름인 유동에 대해 물리적 보존법칙을 근거로 한 수학적 지배 방정식을 컴퓨터로 풀거나, 비행체의 모델에 바람을 불어주는 풍동 장치를 통해 실험을 수행하여 구합니다. 공기 흐름의 수학적 지배 방정식은 질량 보존을 의미하는 연속 방정식과 뉴턴의 제2법칙을 나타낸 운동량 방정식, 열역학 제1법칙을 의미하는 에너지 방정식, 이상기체의 상태 방정식으로 구성됩니다. 매우 복잡한 편미분 방정식을 풀어 압력 속도, 밀도, 온도 등을 구하고, 그 결과로써 양력과 항력을 구할 수 있게 됩니다. 이를 위해서는 전문적인 공기역학 지식이 있어야 하지만 여기에서는 가능한 이를 단순화하여 양력의 발생 원리를 설명하겠습니다. 특정 속력 이상 또는 속도의 급격한 변화로 유체의 흐름이 매우 불규칙해지는 난류 흐름이나 공기의 점성에 의해 흐름 속력이 지연되는 경계층 내의 흐름은 제외됩니다. 여기에서는 공기 흐름은 모양이 시간에 따라 변하지 않는 정상 흐름, 공기 흐름의 속력이 낮아 공기 밀도와 온도가 변하지 않는 비압축성, 공기의 점성력이 영향을 미치지 않는 경계층 밖의 흐름을 전제로 합니다. 비압축성, 비점성 공기 흐름 상태에서의 양력 발생 원리는 크게 베르누이 원리와 뉴턴 법칙으로 설명이 가능합니다.
1738년 스위스 물리학자 다니엘 베르누이는 압력을 유체의 속력과 연결시키는 수학적 표현을 유도하였습니다. 베르누이 방정식은 유선을 따라 흐르는 유체에만 적용되는 유체의 압력과 속도에 관한 식입니다.
물체 주위의 유선을 따라 일정하게 흐르는 유체 질량이 가지는 총 에너지는 일정하며, 세 가지 종류로 구분됩니다. 즉 질량이 움직이는 운동에너지, 체적이 받는 압력 에너지, 흐르는 고도에서 중력을 받는 위치에너지입니다.
각 항을 체적으로 나누고, 단위 체적당 질량을 밀도로 나타내면
그런데 공기는 물에 비해 밀도가 1/1000 수준으로 낮아 중력에 의한 위치에너지 항은 무시할 만큼 적습니다. 따라서
와 같이 쓸 수 있습니다.
여기서 P는 정압 1/2pV2는 흐르는 공기의 동압이며, 이 둘의 합을 전압 또는 정체 압력이라고 합니다. 이를 통해 베르누이 방정식이란 '공기 흐름이 저속일 때는 동압과 정압은 합은 일정하고 전압과 같다'는 관계를 의미한다는 것을 알 수 있습니다. 공기의 흐름 속력이 빨라지면 동압은 커지고 정압은 작아지며, 반대로 흐름 속력이 느려지면 동압은 감소하고 정압이 커지지만 두 압력의 합인 전압은 항상 일정합니다. 따라서 베르누이 방정식은 물체 주위를 흐르는 유체의 속력과 압력의 관계를 나타낸 식으로 비행기 날개 윗면의 공기 흐름의 속력이 빠르면 압력이 낮아지고 이 압력 차이가 양력을 발생시켜 비행기를 뜨게 한다고 볼 수 있습니다.
베르누이 방정식은 양력 발생 원리를 설명하기에는 충분하나 위에서 얘기했듯 비압축성, 비점성 공기 흐름 상태를 전제로 하기 때문에 공기 흐름이 매우 빨라져 공기 밀도가 변하고 온도가 변하는 고속비행에서는 압축성 베르누이 방정식을 별도로 사용해야 합니다.
다음장에서 계속됩니다.