(4) Airfoil Design

Airfoil Design

 

에어포일은 공기중을 통과할 때 그 표면으로부터 반응을 얻도록 설계된다. 날개 단면을 보면 에어포일 설계의 몇 가지 분명한 특성들을 알 수 있다. [그림 4-5] 에어포일 윗면과 아랫면의 곡률(캠버)에는 차이가 존재한다. 보통 다소 평평한 아랫면보다 윗면의 캠버가 더 뚜렷하다.

NOTE: 에어포일 단면에 놓인 두 끝단의 모양은 다르다. 앞쪽에 있는 둥근 끝부분을 앞전(leading edge)이라 부른다. 그리고 반대쪽에 있는 좁고 뾰족한 뒷부분을 뒷전(trailing edge)이라 부른다.

 

에어포일을 설명할 때 종종 사용되는 기준선은 시위선(chord line)이다. 이는 앞전과 뒷전을 연결하는 직선이다. 시위선으로부터 날개 윗면/아랫면까지의 길이는 특정 지점에서의 upper/lower camber 크기를 나타낸다. 앞전에서 뒷전으로 이어지는 또 다른 기준선은 평균 캠버선(mean camber line)이다. 이 선은 윗면과 아랫면에 대한 모든 지점에서 동일한 거리를 나타낸다.

 

에어포일은 특정 물리법칙에 대한 공기의 반응을 이용하는 방식으로 설계된다. 이는 공기 덩어리로부터 두 가지 작용을 발생시킨다: 날개 아랫면의 공기 덩어리로부터는 양압의 앙력 작용이, 그리고 날개 윗면의 공기 덩어리로부터는 음압의 양력 작용이 발생한다.

 

날개가 위쪽으로 기울어져서 공기 흐름과 각을 이루게 되면 날개 아랫면으로 향하는 공기가 아래쪽으로 튕겨나가면서 위로 향하는 반작용이 발생한다. 이와 동시에 앞전의 윗면을 통과하는 공기 흐름은 위쪽으로 편향된다. 에어포일은 공기에 작용을 일으켜서 공기를 아래쪽으로 밀어내도록 설계되며 이는 공기로부터 동일한 반작용을 발생시켜서 에어포일을 위로 밀어올린다. 항공기 무게보다 큰 양력이 발생되는 형태로 날개가 제작되면 항공기가 비행하게 된다.

(허나 NASA에 의하면 이는 잘못된 이론이라 한다. 자세한 내용은 그림 클릭.)

 

만약 모든 양력이 날개 아랫면의 공기 편향만으로도 얻어진다면 항공기에는 평평한 날개만 있으면 된다. 허나 항공기를 지탱하는데 필요한 나머지 양력은 날개 위 공기 흐름에서 발생한다.

 

에어포일 윗면과 아랫면에서 생성된 양력의 비율에 특정 값을 할당하는 것은 정확하지 않으며 유용하지도 않다. 이들은 상수가 아니다. 이들은 비행 조건과 날개 설계에 따라 달라진다.

 

에어포일들은 서로 다른 비행 특성을 가지고 있다. 수많은 에어포일들이 풍동 실험장치와 실제 비행에서 검사되었으나 모든 비행 조건을 만족하는 에어포일은 발견되지 않았다. 특정 항공기의 무게, 속도, 그리고 목적이 에어포일의 모양을 결정한다. 많은 양력을 생산하는데 제일 효율적인 에어포일은 바로 아랫면이 오목한 에어포일이다. 이러한 유형의 에어포일은 양력을 생산하는 동안 너무 많은 속도를 희생하므로 고속 비행에 적합하지 않다. 공학의 발전 덕분에 오늘날의 고속 제트기는 오목한 에어포일의 고양력 특성을 활용할 수 있다. leading edge(Kreuger) flaps와 trailing edge(Fowler) flaps가 기본 날개에서 연장되면 이는 날개 모양을 오목한 형태로 변형시킨다. 이 덕분에 저속 비행 도중 훨씬 큰 양력이 생성될 수 있다.

 

반면 바람 저항이 거의 없는 유선형 에어포일은 보통 비행기를 이륙시키기에 충분한 양력을 발생시키지 못한다. 따라서 현대 에어포일들은 극단적인 설계들 사이에서 균형이 잡히도록 만들어진다. 에어포일의 모양은 비행기의 목적에 따라 달라진다. 그림 4-6은 일반적인 에어포일 디자인을 보여준다.

Low Pressure Above

 

비행 도중 에어포일은 단순히 공기 흐름에 놓인 유선형 물체이다. 에어포일 단면이 눈물 모양이라면 윗면과 아랫면을 흐르는 공기의 속도 변화와 압력 변화가 동일하다. 허나 이 눈물 모양 에어포일을 반으로 자르면 기본적인 에어포일과 유사한 형태가 만들어진다. 이러한 에어포일을 경사지게 만들어서 공기 흐름과 각을 이루게 되면 윗면을 흐르는 공기는 아랫면을 흐르는 공기보다 더 빠르게 이동하게 된다. 이러한 속도 증가는 에어포일 윗면의 압력을 감소시킨다.

 

에어포일 윗면의 공기 속도가 증가하면 압력이 감소한다(베르누이의 원리). 이러한 압력 감소는 전체 양력의 일부분이다. 날개 윗면과 아랫면 사이의 압력 차이만으로는 전체 양력을 설명할 수 없다.

 

에어포일 윗면으로부터 아래 및 뒤로 향하는 흐름이 downwash를 생성한다. downwash는 에어포일 아랫면의 흐름과 뒷전에서 만나게 된다. 뉴턴의 제 3법칙에 따라 이러한 downwash(아래 및 뒤로 향하는 흐름)의 반작용으로 에어포일에 위 및 앞으로 향하는 힘이 발생한다.

 

High Pressure Below

 

일부 양력은 에어포일 아랫면의 압력 조건에 의해 생성된다. 공기가 에어포일 아래로 흐르는 방식으로 인하여 특히 높은 받음각일 때 양압이 발생한다. 허나 이러한 공기 흐름에는 고려해야 할 또 다른 측면이 있다. 앞전 근처에서 공기 흐름은 사실상 정지하였다가(이 지점을 stagnation point라 부름) 서서히 증속한다. 뒷전 근처의 어느 지점에서 아랫면의 공기 흐름 속도는 다시 윗면의 공기 흐름 속도와 동일해진다. 베르누이의 원리에 따라 에어포일 아랫면에서의 공기 흐름이 느려지면서 위로 향하는 양압이 생성된다. 에어포일 윗면과 아랫면 사이의 압력 차가 증가하였으므로 전체 양력이 증가한다. 에어포일에 의해 양력이 생성될 때마다 베르누이의 원리와 뉴턴의 법칙이 작용한다.

(출처: NASA)

Pressure Distribution

 

다양한 받음각으로 공기가 흐를 때 날개 표면을 따라 음압(대기압보다 압력이 낮은) 영역과 양압(대기압보다 압력이 높은) 영역이 발생하는 것이 밝혀졌다. 윗면의 음압은 공기가 아랫면에 부딪히면서 만들어내는 양압보다 상대적으로 더 큰 힘을 발생시킨다. 그림 4-7은 세 가지 받음각에 대한 날개의 압력 분포를 보여준다. 특정 받음각에 대한 압력 변화의 평균 지점을 압력 중심(CP – center of pressure)이라 부른다. 공기역학적 힘은 이 CP에서 작용한다. 높은 받음각에서는 CP가 앞으로 움직이며 반면 낮은 받음각에서 CP가 뒤로 움직인다. 날개 구조를 설계하는데 있어 이러한 CP의 움직임은 매우 중요하다. 왜냐하면 이는 높은/낮은 받음각 조건에서 날개 구조에 가해지는 공기 하중의 위치에 영향을 미치기 때문이다. 비행기의 공기역학적 균형과 조종성은 CP의 변화에 의해 좌우된다.

Airfoil Behavior

 

각각의 원리가 양력 발생에 기여하는 구체적인 예시를 들 수는 있지만 사실 양력은 복잡한 주제이다. 양력 발생은 에어포일 윗면과 아랫면 사이의 압력 차이보다 훨씬 복잡하다. 실제로 많은 에어포일들의 윗면이 아랫면보다 길지 않다(예를 들어 대칭형 에어포일). 이러한 대칭형 날개는 고속 항공기에서 찾아볼 수 있다. 평평한 종이비행기에서는 윗면과 아랫면이 정확히 같은 모양과 길이를 가지고 있다. 허나 이러한 에어포일에서는 “flow turning”이 양력을 일부(혹은 전부) 만들어낸다.

(출처: NASA. 자세한 내용은 그림 클릭.)

비행 도중 에어포일은 공기 흐름에 대해 기울어져 있으며 이로 인해 공기 흐름이 변화한다. 높은 속도로 달리는 차에서 손을 바깥으로 내놓아 보라. 이때 손을 위/아래로 기울면 손이 위/아래로 움직일 것이다. 이는 손의 각도로 인해 공기가 물체를 따라 흐르면서 방향을 바꾸기 때문이다. 그 결과로 물체 주변 공기의 속도와 방향이 변화해서 힘이 발생한다.