에어포일 주위 운동과 받음각
1. 에어포일 주위의 운동
실제로 비행기가 움직이면 정지해 있는 대기 속을 비행기가 지나가지만, 상대속도의 개념을 적용하여 비행기 주위로 공기가 흐르는 것으로 간주하고 양력 발생 원리를 이해하는 것이 용이합니다. 정지된 공기 중을 비행하는 비행기에 대하여 비행기를 타고 있는 사람이 날개를 보았을 때 정지되어 있는 날개 주위로 공기가 흐르는 것처럼 보입니다. 여기서 에어포일 주위의 공기 흐름에 대해 생각해보도록 합시다.
날개의 먼 상류에서 공기는 비행속력과 같은 크기의 속력을 가지고 압력은 대기압과 같은 압력으로 에어포일에 접근하여 에어포일의 앞전에 부딪힌 후, 날개의 위아래로 나뉘어 흐르게 되는데, 날개의 표면도 하나의 유선으로 볼 수 있고, 이 유선은 날개의 앞전에서 둘로 나뉘어 날개의 위아래 표면을 이루고 뒷전에서 다시 하나로 만나 하류로 이어지게 됩니다. 이 유선을 분리 유선이라고 하며, 에어포일 앞전과 분리 유선이 만나는 점은 공기가 에어포일에 부딪혀 속력이 0이 되는 점으로 정체점이라고 합니다. 분리 유선을 따라 에어포일의 앞전에 다가올수록 공기의 속력은 감소하고 베르누이 이론에 의해 압력은 증가하며 앞전 정체점에서 속력은 0이 되고 이때의 압력은 전압과 같습니다.
정체점 이후 공기흐름은 날개의 곡면을 따라 나뉘어 흐르게 됩니다. 에어포일의 앞전에서는 아랫면보다 윗면의 곡률이 더 크기 때문에, 윗면 흐름은 가속되어 속력은 아랫면보다 훨씬 더 빠르고 압력은 더 낮아지게 됩니다. 앞전을 지난 흐름의 속력은 계속 증가하여 최대 두께 위치 근처에서 최대속력과 최저 압력을 나타내고 서서히 감속됩니다. 아랫면은 상대적으로 평평하여 압력의 변화가 적습니다. 결론적으로 익형의 모양과 자세에 따라 위아래 압력의 차이가 발생하고 이 압력 차이만큼 양력이 발생하게 되는 것입니다.
에어포일 표면에서 속력 차로 인한 압력의 변화를 직관적으로 알기 위해 압력계수를 정의해서 사용하기도 합니다. 압력계수는 어떤 지점의 압력과 대기압의 차를 동압으로 나눈 값으로, 단위가 없는 무차원 계수입니다. 압력 계수의 정의에 베르누이 방정식을 적용하면 다음과 같은 식을 얻게 됩니다.
여기서 P와 V는 에어포일 주위의 정압과 속력입니다. 압력계수가 0보다 작으면 부(-) 압이 작용하여 대기압보다 압력이 낮고 공기의 속력은 자유 흐름 속력보다 빨라집니다. 반대로 압력 계수가 양(+)이면 압력은 대기압보다 높고 공기의 속력은 자유 흐름 때보다 느리다는 것을 의미합니다. 정체점에서는 속력이 0이 되므로 압력 계수는 1.0이 됩니다. 양력이 발생하는 에어포일 윗면의 경우 대개 부압이 작용합니다.
2. 에어포일의 받음각
에어포일의 받음각은 비행기가 진행하는 반대 방향인 공기흐름의 속도 방향과 에어포일의 시위선이 이루는 각을 말합니다. 받음각이 없으면 공기 흐름 방향과 시위선이 일치하다는 뜻입니다.
받음각은 양력 발생에 가장 큰 영향을 미치는 요소로서, 캠버가 없는 상하 대칭인 에어포일은 받음각 없이는 양력도 발생할 수가 없습니다. 대칭형 에어포일이 받음각을 갖게 되면 양력이 발생하고, 캠버가 있는 에어포일도 충분한 양력을 발생시키기 위해서는 받음각을 가져야 합니다. 심지어 날개가 상하로 뒤집힌 배면비행이 가능한 것도 받음각에 의한 양력 발생이 그 이유입니다.
받음각에 의한 양력 발생은 뉴턴의 작용 반작용 원리로 설명할 수 있습니다. 에어포일 아랫면에 부딪힌 공기가 아래로 향하면서 그 반작용으로 에어포일을 위로 들어올리는 양력을 발생시킵니다. 조금 더 정확하게는 에어포일 주변 흐름의 방향이 바뀌어 운동량의 변화가 생긴 만큼 양력이 발생합니다. 이러한 작용은 연을 하늘에 날릴 때 전형적으로 사용하는 방법입니다. 또한 받음각 증가는 에어포일 윗면의 압력이 더 낮아지고 결과적으로 양력을 증가시키게 됩니다. 그러나 받음각이 너무 커지면 에어포일 표면을 따라 흐르는 공기의 흐름 분리가 생겨 오히려 양력이 감소하게 됩니다. 이를 실속이라고 하는데 이는 추후에 알아보도록 하겠습니다.
따라서 양력은 에어포일 형상으로 인해 위아래 공기흐름의 속력과 압력의 차이로 인해 발생하고, 받음각이 있으면 에어포일 주변 공기 흐름의 방향이 바뀌어 에어포일을 위로 밀어 올리는 반작용에 의해 발생한다고 볼 수 있습니다.