(2) Wingtip Vortices

Wingtip Vortices

 

Formation of Vortices

 

에어포일은 양력뿐만 아니라 유도 항력도 만들어낸다. 에어포일이 양의 받음각일 경우 에어포일 상단과 하단 사이에 압력 차이가 발생한다. 날개 윗면의 압력은 대기압보다 작고 아랫면의 압력은 대기압과 같거나 더 크다. 공기는 항상 고압에서 저압으로 이동한다. 따라서 에어포일 바닥으로부터 동체 바깥을 향해 날개 끝단을 중심으로 이동하는 공기가 발생한다. 이러한 공기 흐름은 날개 끝단으로부터 "유출"되어 와류(vortex)라 불리는 공기 소용돌이를 형성한다. [그림 5-12]

이와 동시에 상부 표면의 공기는 동체를 향하여, 그리고 뒷전을 향하여 흐르려는 경향이 있다. 이러한 기류도 날개 안쪽 뒷전에서 와류를 형성한다. 허나 fuselage가 안쪽으로 향하는 흐름을 제한하기 때문에 와류가 미미하다. 따라서 흐름의 제한이 없는 날개 끝단에서 흐름의 방향이 가장 크게 편향된다.

 

공기가 날개 끝단을 중심으로 위쪽으로 감길 때 이는 downwash와 결합하여 빠르게 회전하는 trailing vortex를 형성한다. 이러한 와류는 항력을 증가시킨다. 왜냐하면 난류를 생성하는데 에너지가 소비되기 때문이다. 에어포일이 양력을 생성할 때마다 유도 항력이 발생하며 wingtip vortices가 생성된다.

 

받음각이 증가함에 따라 양력이 증가하는 것처럼 유도 항력 또한 증가한다. 이는 받음각이 증가할수록 에어포일 상단과 하단 사이의 압력 차이가 커지고 그 결과 측면 공기 흐름이 더 커지기 때문이다. 그 결과 더 격렬한 와류가 형성되어 더 많은 난류와 유도 항력이 발생한다.

 

와류의 강도는 항공기의 무게에 비례한다. 그리고 항공기의 날개 길이와 속도에는 반비례한다. 항공기가 무겁고 느릴수록 받음각은 커지고 wingtip vortices는 강해진다. 따라서 항공기는 이륙, 상승, 그리고 착륙 구간에서 최대 강도의 wingtip vortices를 생성한다. 이러한 와류는 비행에 특히 위험한 항적 난기류(wake turbulence)를 발생시킨다.

 

Avoiding Wake Turbulence

 

wingtip vortices는 항공기가 “heavy, clean, slow”일 때 가장 크다. 이러한 상황은 접근이나 출항 도중에 가장 흔하게 발생한다. 왜냐하면 항공기가 이착륙에 필요한 양력을 생성하기 위해 받음각이 높은 상태이기 때문이다. wake turbulence를 통과하여 비행할 가능성을 최소화하기 위해 다음을 참조한다:

 

∙ 다른 항공기의 비행경로를 통과하여 비행하지 않는다.

 

∙ 선행 항공기가 rotate한 지점 이전에 rotate를 수행한다.

 

∙ 다른 항공기의 비행경로로부터 1,000ft 이내의 고도를 비행하지 않는다. [그림 5-13]

 

∙ 선행 항공기의 접근 경로 상공을 비행하여 활주로에 접근한다. 그리고 선행 항공기가 착지한 지점을 지나서 착륙한다. [그림 5-14]

바람은 항적 난기류를 피하는데 있어 중요한 요소이다. 왜냐하면 wingtip vortices는 바람의 속도에 따라 편류하기 때문이다. 예를 들어 10노트의 바람은 와류를 1분 안에 약 1,000ft 편류시킨다. 선행 항공기가 존재하는 경우 조종사는 이착륙 지점을 선택할 때 풍향/풍속을 고려해야 한다. 만약 선행 항공기의 이착륙 지점을 확신할 수 없다면 약 3분의 시간이 항적 난기류 소산을 위한 안전 여유를 제공한다. [그림 5-15] wake turbulence에 대한 자세한 내용은 AC 90-23, Aircraft Wake Turbulence를 참조한다.