(2) Review of Basic Aerodynamics

Review of Basic Aerodynamics

 

계기 조종사는 항공기 성능에 영향을 미치는 몇 가지 요인들의 관계와 차이점을 알아야 한다. 또한 다양한 조종간 조작과 출력 변화에 따라 항공기가 어떻게 반응하는지도 알아야 한다. 왜냐하면 계기 조종사가 비행하는 환경에서는 시계 비행에선 찾을 수 없는 위험이 존재하기 때문이다. 이러한 이해의 기초는 항공기에 작용하는 네 가지 힘과 뉴턴의 세 가지 운동 법칙에서 찾을 수 있다.

 

Relative Wind(상대풍)란 에어포일에 대해 공기가 흐르는 방향을 의미한다.

 

Angle of Attack(받음각)이란 상대풍(혹은 flightpath)과 에어포일 시위선 사이에서 측정된 각도를 의미한다. [그림 4-2]

Flightpath란 항공기가 비행 중이거나 비행할 예정인 course나 track을 의미한다.

 

The Four Forces

 

비행 중인 항공기에 작용하는 네 가지 기본적인 힘들은 양력(lift), 무게(weight), 추력(thrust), 그리고 항력(drag)이다[그림 4-3] .

1. Lift

 

양력은 날개 상부에서 발생하는 공기역학적 힘으로 상대풍에 수직으로 작용한다. 상대풍은 에어포일에 대해 공기가 흐르는 방향이다. 이 힘은 양력 중심(center of lift)이라 불리는 평균 압력 중심(average center of pressure)에서 수직으로 작용한다. 이 지점은 모든 공기역학적 힘이 작용한다 간주되는 에어포일 시위선 상의 한 점이라는 것을 유의해야 한다. 양력의 크기는 속도, 공기 밀도, 에어포일의 모양과 크기, 그리고 받음각에 비례하여 변화한다. 직진수평비행 도중 양력과 무게는 동일하다.

 

2. Weight

 

무게는 항공기를 끌어당기는 중력으로 인해 가해지는 힘이다. 무게는 무게 중심(center of gravity)을 통해 곧장 아래로 작용한다. 무게를 양력 중심과 혼동해서는 안 된다(양력 중심의 위치와 무게 중심의 위치는 상당히 차이 날 수 있음).

 

3. Thrust

 

추력은 엔진/프로펠러에 의해 만들어지는 전방 힘이다. 이는 항력을 대항하거나 극복한다. 보통 추력은 세로축에 평행하게 작용한다.

 

4. Drag

 

항력은 상대풍에 평행한 공기역학적 알짜힘으로 보통 유도항력(induced drag)과 유해항력(parasite drag)을 합친 것이다.

 

Induced drag

 

유도항력은 양력으로 인해 발생하며 받음각과 함께 증가한다. 따라서 날개가 양력을 발생하지 않는다면 유도항력은 0이다. 유도항력은 속도에 따라 감소한다.

 

Parasite drag

 

유해항력은 양력 발생으로 인한 항력 외의 모든 항력이다. 유해항력은 항공기에 의한 공기 흐름의 움직임, 에어포일에서 발생하는 난류, 그리고 항공기나 부품의 표면을 통과할 때 방해받는 공기 흐름에 의해 생성된다. 이러한 힘들은 공기 덩어리를 통과하는 물체의 움직임으로부터 항력을 생성한다. 유해항력은 속도에 따라 증가한다. 유도항력에는 표면 마찰 항력(skin friction drag), 간섭 항력(interference drag), 그리고 형상 항력(form drag)이 있다.

 

• Skin Friction Drag

 

항공기의 “wetted” surface는 경계층(boundary layer)이라 불리는 얇은 공기층에 의해 덮혀있다. 항공기 표면의 공기 분자는 0의 속도를 갖는다. 허나 그 위에 놓인 층은 자유 흐름에 가까운 층에 의해 당겨지기 때문에 정체된 분자의 위를 움직인다. 공기 층들의 속도는 자유흐름속도에 도달하기 전까지는 항공기 표면으로부터의 거리에 따라 증가한다. 항공기 표면과 자유흐름속도층 사이의 총 거리를 경계층이라 부른다. 아음속에서는 이러한 층들의 길이가 카드 두께 정도에 불과하다. 허나 각 층들이 서로 미끄러지는 움직임이 항력을 생산한다. 이러한 힘은 공기의 점성 때문에 움직임을 지연시키며 이를 표면 마찰 항력이라 부른다. 표면 마찰 항력은 넓은 표면과 연관되어 있기 때문에 이 항력이 소형 항공기에 미치는 영향은 대형 항공기에 비해 작다.

 

• Interference Drag

 

간섭 항력은 공기 흐름들이 충돌하여 발생하는 와류나 난류로 인해 발생한다. 예를 들어 동체 주변의 공기흐름과 날개 주변의 공기흐름은 어느 지점(일반적으로 wing root)에서 만난다. 이러한 공기 흐름들은 서로 간섭하여 각각의 항력보다 더 큰 항력을 유발한다. 이는 보통 항공기가 external items를 갖춘 경우에 발생한다. 즉, external items가 서로 간섭될 경우 해당 항력은 각 external item의 항력보다 크다.

 

• Form Drag

 

형상 항력은 항공기나 부품의 모양 때문에 생성된 항력이다. 공기 흐름에 원판을 놓으면 위아래의 압력이 같을 것이다. 그러나 공기흐름은 원판의 뒤를 따라 흐르면서 분리되기 시작한다. 이는 난류를 생성하며 그 결과 낮은 압력을 만들어낸다. 총 압력은 이러한 압력 감소의 영향을 받기 때문에 항력을 생성한다. fuselage를 따른 부품들을 유선형으로 설계하면 난류와 형상 항력이 감소된다.

 

총 양력은 항공기의 총 무게(이는 항공기 실제 무게와 tail-down force로 구성됨)를 극복해야 한다. 양력을 생성하기 위한 전진 속도를 제공하기 위해선 추력이 총 항력을 극복해야 한다. 이러한 요소들과 환경 사이의 항공기 상관관계를 이해하면 계기를 제대로 해석할 수 있다.

 

Newton’s First Law, the Law of Inertia

 

뉴턴의 제 1법칙은 관성의 법칙이다. 이는 정지 상태의 물체는 정지 상태를 유지함을, 그리고 운동 상태의 물체는 외력에 의해 영향을 받기 전까지는 같은 속도 및 방향으로 운동 상태를 유지함을 명시한다. 물체가 변화에 저항하는 힘을 관성이라 부른다. 비행 중인 항공기에는 항상 중력과 항력이 존재한다. 조종사는 pitch와 thrust를 통해 이러한 힘을 변화시켜서 원하는 비행경로를 유지한다. 조종사가 직진수평비행 도중 출력을 줄이면 항력으로 인해 항공기가 감속한다. 항공기가 감속함에 따라 양력이 감소하며 결국 중력으로 인해 하강을 시작하게 된다. [그림 4-4]

Newton’s Second Law, the Law of Momentum

 

뉴턴의 제 2법칙은 가속도의 법칙이다. 이는 물체에 힘이 작용할 때 물체가 같은 방향으로 가속함을 명시한다. 가속도는 알짜힘에 비례하며 물체의 질량에 반비례한다. 증속이나 감속을 나타내기 위해 acceleration(가속도)이라는 단어가 사용된다. 이 법칙은 비행경로와 속도를 변화시키는 항공기의 능력을 좌우한다. 조종사가 일상적인 비행 도중 제어하는 가속도의 예로는 증속, 감속, 상승/하강 진입, 그리고 선회가 있다. [그림 4-5]

Newton’s Third Law, the Law of Reaction

 

뉴턴의 제 3법칙은 반작용의 법칙이다. 이는 모든 작용에 대해 동등한 반작용이 존재함을 명시한다. 그림 4-6과 같이 제트 엔진의 추력이나 프로펠러의 당기는 힘은 항공기가 전방으로 움직이는 반작용을 만들어낸다. 또한 이 법칙은 날개가 생성하는 양력의 일부를 설명한다.