날개의 공력 특성과 고양력 장치

1. 날개의 공력 특성

에어포일과 달리 실제 비행기의 날개는 그 길이가 유한하며 공력의 특성 역시 에어포일과는 다르게 나타납니다. 에어포일에서는 날개 길이 방향의 흐름을 무시하여 2차원 흐름이라고 했으나 실제 유한길이의 날개를 지나는 공기 흐름은 3차원 흐름입니다. 3차원 흐름에서의 양력 계수와 항력 계수는 에어포일과 구별하기 위해 아래 첨자의 소문자 대신 대문자를 사용하여 3차원의 양력 계수와 항력 계수를 다음과 같이 표기합니다.

날개 윗면의 공기 속력은 아랫면에 비해 빠르기 때문에 압력은 날개 아랫면이 윗면에 비해서 높습니다. 이 압력 차이가 양력을 만드는 근원이지만 공기는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하려는 성질을 가지기 때문에 날개 끝에서는 밑면에서 윗면으로 휘감아 돌아 올라가는 소용돌이인 와류가 발생하여 이 압력 차이를 그대로 유지할 수 없습니다. 이와 같이 날개 끝에서 발생한 흐름 모양을 날개 끝 와류라 하며 날개 주위의 공기 흐름에 큰 영향을 줍니다.

비행기 주위의 공기 흐름은 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

날개에서 생기는 와류를 회전선이라 생각하고, 이 회전선에 가까울수록 속력이 빠른 소용돌이가 발생한다고 가정한다면, 날개 주변 와류에 의해 발생한 수직방향의 속도 성분을 유도 속도라고 합니다. 회전선의 안쪽에서는 날개 면에 수직한 아래 방향으로, 바깥쪽에서는 위 방향으로 속도 성분이 발생하게 됩니다. 이렇게 유도된 흐름을 각각 내리흐름과 올려흐름이라고 합니다. 날개의 앞전에서는 올려흐름이, 뒷전에서는 내리흐름이 발생합니다. 그러므로 날개를 지나가는 공기흐름의 방향은 날개 뒷부분의 내리흐름 속도 성분과 합성된 흐름이며, 날개에 생기는 공기역학적인 힘도 유도된 속도의 영향을 받게 됩니다. 양력은 날개를 향해 들어오는 속도 방향에 수직인 방양의 힘이므로 날개 끝 와류에 의한 내리흐름의 속도 때문에 받음각이 줄어드는 것과 같은 효과를 가집니다. 줄어든 받음각을 유도 받음각이라고 합니다. 시위선의 방향은 일정하므로, 양력 성분의 방향은 뒤로 기울어지는 것과 같습니다. 뒤로 기울어진 양력은 원래의 공기 흐름 방향으로 보면 항력 성분이 되고, 이렇게 생긴 항력을 유도 항력이라고 합니다.

유도 항력은 날개 끝에서 발생하는 와류로 인해 추가적으로 발생하는 특별한 항력입니다. 양력 발생 과정에서 불가피하게 유도된 항력이기 때문에 유도 항력이라고 하며 유도 항력 계수는 다음과 같이 나타냅니다.

양력이 크면 날개 끝 와류의 세기도 커져서 유도 항력은 양력의 제곱에 비례합니다. 양력이 발생하지 않으면 유도 항력의 값도 0이 됩니다. 날개의 가로세로 비가 크면 감소하며, 실제 날개에서도 가로세로 비가 크면 유도 항력이 작아져 장거리 비행에 유리해집니다. 만약 날개의 가로세로 비가 무한히 크다면 날개가 이차원 날개의 특성을 가지게 되고 날개 끝 와류의 영향도 거의 없어지게 되므로 유도 항력도 없어집니다. 날개 끝 효율 계수(e)는 날개 끝 모양이 타원형이면 이론적 최댓값인 1이 되고 날개 모양에 따라 1보다 작은 수를 가집니다.

에어포일의 경우 압력 항력과 표면 마찰 항력을 합한 유해 항력만 발생하지만 날개에서는 여기에 유도 항력이 추가됩니다. 따라서 날개를 가진 비행기의 경우 항력의 종류는 크게 유해 항력과 유도 항력으로 나뉘게 됩니다. 동압이 낮아 큰 양력 계수를 이용하는 저속 항공기는 유도 항력의 비율이 고속기에 비해 크기 때문에 날개 끝 와류에 의한 유도 항력 감소를 위해 날개 끝깃(winglet)을 부착하기도 합니다. 끝깃은 끝단에서 발생하는 와류를 약화시키고, 날개 아랫면의 높은 압력이 날개 윗면의 낮은 압력으로 휘감아 올라가는 것을 막아줍니다. 

 

2. 고양력 장치

앞서 봤던 양력에 관한 식에서 보았듯이 양력 발생의 가장 큰 요인은 바로 비행 속력(V)입니다. 비행기가 충분한 속력으로 순항할 때는 비행기가 자신의 무게 이상으로 양력을 발생시키는 데 큰 문제가 없습니다. 비행기가 이착륙할 때는 안전하게 이착륙하기 위해 속력이 낮아진 상태가 됩니다. 무게 이상의 양력을 발생시키기 위해서는 날개 면적을 크게 하거나 양력 계수가 가능한 한 큰 값을 가져야 합니다. 한편, 날개면적이 넓으면 무게가 증가하고 고속비행 시 항력이 크게 증가하므로 불리합니다. 따라서 비행 속력에 따라 서로 상충되는 특성을 만족시키기 위해서 이착륙 상황과 같이 필요할 때만 양력을 크게 하는 특수한 장치를 날개에 설치하게 되는데 이를 고양력 장치라고 합니다.

최대 양력 계수를 얻기 위해서는 날개만으로는 부족하기 때문에 날개의 앞전이나 뒷전에 움직일 수 있는 작은 날개 모양의 장치를 장착하여 필요시에 사용합니다. 앞전에 설치한 장치를 앞전 플랩, 뒷전에 설치한 장치를 뒷전 플랩이라고 하며 간단하게 플랩이라고 합니다. 고양력 장치는 날개 단면의 캠버를 증가시켜 같은 받음각에서 양력 계수를 크게 하거나 날개 표면의 경계층에 에너지를 제공해주는 방법으로 실속을 지연시켜 최대의 양력 계수를 얻게끔 해줍니다.

 

다음장에서 이어집니다.