압력 중심과 공력 중심, 날개의 형태

1. 압력 중심과 공력 중심

에어포일에 작용하는 공력은 어떤 한 점에 작용하는 것이 아닌, 에어포일 표면에 분포되어 작용합니다. 이 분포된 힘에 의해 특정한 점을 중심으로 한 모멘트가 발생합니다. 앞전이 들리는 방향으로 발생하는 모멘트를 2차원 피칭 모멘트라 부릅니다. 무차원 피칭 모멘트 계수는 모멘트를 동압과 기준면적, 시위 길이로 나눈 값입니다.

에어포일 표면에 작용하는 분포된 힘이 한 점에 집중적으로 작동한다고 가정하면 공력을 편하게 분석할 수 있습니다. 양력과 항력이 어느 한 점에 작용하여 피칭 모멘트가 0이 되는 특정한 점이 존재하는데, 앞전으로부터 이 힘의 작용점까지의 거리를 압력 중심이라 하고 기호로는

라고 표시합니다. 무게중심과 같은 개념으로, 날개의 공력이 발생하는 중심점으로 생각할 수 있습니다. 양력의 작용점으로 생각할 수 있는 압력 중심은 받음각의 변화에 따라 위치가 달라지므로 비행기의 운동 해석에 기준점으로 사용하기가 불편합니다. 

에어포일을 사용하여 만든 삼차원 날개를 항공기에 고정시킨다면 동체나 꼬리날개에서 발생하는 공기력도 함께 고려해야 하는데, 이 경우 항공기 운동의 기준점은 주로 항공기의 무게중심이 됩니다. 이때 압력 중심을 기준점으로 삼을 경우 무게중심에 대한 힘과 모멘트를 계산하기가 불편해집니다. 왜냐하면 어떤 받음각에서 양력과 항력을 알더라도 그 작용점인 압력중심을 함께 알고 있어야 무게중심에 대한 모멘트 성분을 계산하는 것이 가능해지는데, 압력 중심은 받음각에 따라 그 위치가 변하기 때문에 무게중심을 제대로 계산할 수가 없기 때문입니다. 

때문에 기준점을 삼을 때는 에어포일의 받음각이 변해도 피칭 모멘트의 값이 변하지 않는 공력 중심을 기준점으로 잡습니다. 공력중심은 받음각이 변해도 피칭 모멘트가 일정한 기준점으로서, 대부분 아음속 항공기에서 에어포일의 공력중심은 대략 앞전에서 시위선 길이의 1/4정도 입니다. 공력중심에서 피칭 모멘트는 받음각의 증가에도 실속이 발생하기 전까진 일정하게 작은 값을 유지하는데, 이를 공력중심 모멘트라 하고 기호로는 Mac로 표기합니다. 대칭형 에어포일의 경우 Mac가 이론적으로 0이 됩니다.

 

2. 날개의 형태

날개는 날개 단면인 에어포일을 길이 방향으로 유한하게 이은 모양의 날개 끝을 하고 있습니다. 날개 끝이 없는 날개는 무한 날개 또는 2차원 날개라 하고, 날개 끝을 가진 통상적인 날개를 유한 날개 또는 3차원 날개라고도 합니다.

에어포일을 단면으로 갖는 날개는 매우 다양한 형상을 가지지만 여기서는 기본적인 날개 형태의 세부 명칭에 대해 알아보겠습니다.

먼저, b는 날개의 끝에서 다른 끝까지의 직선 길이를 날개 길이 또는 스팬 이라고 합니다. 날개의 시위길이는 날개길이 방향으로 다릅니다. Ct는 날개 끝에서의 시위로 날개 끝 시위 길이라고 합니다. Cr은 날개 뿌리에서의 시위길이인 뿌리 시위길이라고 합니다. 그리고 날개 끝 시위길이와 날개뿌리 시위 길이의 비를 테이퍼 비라고 합니다. 직사각형 날개의 테이퍼 비는 1이고 삼각형 날개의 테이퍼 비는 0이 됩니다. 테이퍼 날개에 대해 한쪽 날개의 도심을 지나는 시위 길이를 평균 공력 시위라고 하며 

로 표시하고 날개의 기준 길이로 쓰입니다.

날개면적(S)은 동체로 가려진 부분까지를 포함한 지면에 투영된 날개의 평면 면적입니다. 날개 길이를 평균 공력 시위로 나눈 값이나 날개 길이의 제곱은 날개 면적으로 나눈 값을 가로세로 비 또는 양향비라고 합니다. 가로세로비는 공기역학적 효율을 좌우하는 중요한 요인이 됩니다. 

뒤젖힘각 또는 후퇴각은 날개가 뒤로 젖혀진 정도를 나타내는데 일반적으로 날개길이 방향으로 변하는 시위길이의 25% 위치를 연결한 선이 날개의 가로방향과 이루는 각도를 말합니다. 만약 날개가 앞으로 젖혀 있으면 앞젖힘각 또는 전진각이라 합니다. 날개의 평면모양은 날개길이, 시위길이의 분포, 날개면적, 가로세로비, 테이퍼 비, 후퇴각 등에 따라 여러가지로 나타낼 수 있습니다.

날개의 모양은 항공기의 운항 목적에 따라 다양한 모양을 가집니다. 날개를 위에서 본 모양에 따라 기본적으로 직사각형, 타원형, 테이퍼형, 뒤젖힘 형, 삼각형, 활형 등으로 구분합니다. 날개의 길이가 긴 경우에는 이중 뒤 젖힘 날개가 사용되기도 합니다. 이렇게 다양한 형태로 날개를 설계하는 것은 공기압력의 분포, 항력, 천음속 또는 초음속 효과 및 구조 강도 등에 대한 종합적인 고려가 필요하기 때문입니다.