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Autopilot

자동조종장치(autopilot)란 항공기가 수평 비행이나 특정 course를 유지하도록 만드는 자동 비행 제어 시스템이다. 자동조종장치는 조종사에 의해 설정되거나 무선 항법 신호와 연결될 수 있다. 자동조종장치는 조종사의 신체적 부담과 정신적 부담을 줄여주며 안정성을 높인다. 자동조종장치에서 사용할 수 있는 일반적인 기능은 altitude hold와 heading hold이다.

가장 간단한 시스템은 자이로 자세계와 나침반을 통해 비행 제어 시스템에 연결된 서보 기구(servo)를 제어한다. [그림 6-24] servo의 갯수와 위치는 시스템의 복잡성에 따라 달라진다. 예를 들어 single-axis autopilot은 세로축을 중심으로 항공기를 제어하며 servo는 ailerons를 움직인다. three-axis autopilot은 가로축, 세로축, 그리고 수직 축을 중심으로 항공기를 제어한다. 서로 다른 세 가지 servo가 ailerons, elevator, 그리고 rudder를 움직인다. 더욱 진보된 시스템은 보통 vertical speed mode 및/혹은 indicated airspeed hold mode를 포함한다. 최신 자동조종장치는 flight director를 통해 항법 보조 장치에 연결된다.

또한 자동조종장치는 시스템을 자동으로, 혹은 수동으로 끄기 위한 안전 해제 기능을 갖추고 있다. 이러한 자동조종장치들은 항공기를 제어하기 위해 INS, GPS, 그리고 flight computer와 함께 작동한다. fly-by-wire 시스템에서는 자동조종장치가 통합되어 있다.

또한 자동조종장치는 조종사에 의해 override 될 수 있다(이는 Control Wheel Steering 기능을 의미함). 자동조종장치 시스템들은 저마다 작동 방법이 다르므로 AFM이나 POH에서 작동 방법을 참조하라.

Chapter Summary

flight control system과 공기역학적 특징은 항공기마다 크게 다르므로 조종사는 본인이 비행하는 항공기의 primary/secondary flight control system에 익숙해져야 한다. 이러한 정보의 주요 출처는 AFM, 혹은 POH이다. 또한 다양한 제조업체 웹사이트에서도 추가적인 정보를 얻을 수 있다.

Introduction

이 장은 비행 중인 항공기에 작용하는 힘들을 좌우하는 기본 물리 법칙에 대해 검토한다. 또한 이러한 자연법칙과 힘이 항공기의 성능 특성에 어떤 영향을 미치는지도 살펴본다. 비행기, 헬리콥터, 글라이더, 혹은 열기구를 조종하기 위해선 조종사는 이와 연관된 원리들을 이해해야 한다. 또한 조종사는 이러한 자연법칙을 사용하는, 혹은 대항하는 법을 배워야 한다.

Structure of the Atmosphere

대기란 지구를 둘러싼 공기 봉투이다. 대기는 땅과 물만큼 지구의 많은 부분을 차지한다. 허나 공기는 기체들의 혼합물이라는 점에서 땅이나 물과 다르다. 대기는 질량, 무게, 그리고 정해지지 않은 모양을 가지고 있다.

대기는 78%의 질소, 21%의 산소, 그리고 기타 1% 기체들(예를 들어 아르곤이나 헬륨)로 구성된다. 이 원소들 중 일부는 다른 원소들보다 더 무겁다. 때문에 무거운 원소들(예를 들어 산소)은 지구 표면에 놓이는 반면 가벼운 원소들은 더 높은 고도로 상승한다. 대부분의 산소는 35,000ft 아래에 있다.

Air is a Fluid

대부분의 사람들은 “fluid(유체)”라는 단어를 들었을 때 이를 액체라 생각한다. 허나 기체도 유체이다. 유체는 유체가 담긴 용기의 형태를 띠게 된다. 유체는 보통 변형에 저항하지 않거나 아주 약간만 저항할 수 있다. 이러한 약간의 저항을 점성(viscosity)이라 부른다. 유체는 흐를 수 있는 능력도 가지고 있다. 공기는 액체와 마찬가지로 그것이 담긴 용기의 부피를 채우기 위해 팽창할 것이다. 액체와 기체는 밀도의 차이에도 불구하고 이러한 유체의 고유 특성을 나타낸다. 공기의 유체 특성을 이해하는 것은 비행 원리를 이해하는데 필수적이다.

Viscosity

점성이란 흐름에 저항하도록 만드는 유체의 특성이다. 유체의 각 분자들이 서로 달라붙어있으려는 경향에 의해 유체가 얼마나 저항하는지가 결정된다. 점성이 높은 유체는 두꺼우며 흐름에 저항한다. 반면 점성이 낮은 유체는 얇으며 쉽게 흐른다. 공기는 점성이 낮으며 쉽게 흐른다.

예를 들어 두 개의 동일한 경사로에 기름과 물을 쏟으면 점성의 차이로 인해 서로 다른 속도로 흐른다. 물은 자유롭게 흐르는 것처럼 보이는 반면 기름은 훨씬 더 느리게 흐르는 것처럼 보인다.

이번에는 그리스와 모터오일을 예로 들어보자. 둘은 유사한 액체이지만 그 점성이 다르기 때문에 서로 다른 움직임을 나타낼 것이다. 그리스는 매우 점성이 있다. 특정 시간동안 그리스는 매우 느린 속도로 흐를 것이다. 반면 모터오일은 그리스보다는 점성이 덜하기 때문에 훨씬 쉽게 흐른다.

모든 유체에는 점성이 있고 흐름에 대한 저항을 가진다. 우리는 공기의 점성을 쉽게 관찰할 수 없다. 허나 공기는 유체이며 점성 특징을 가진다. 따라서 공기는 물체의 주위를 흐를 때 어느 정도 저항한다.

Friction

유체가 물체의 주위를 흐를 때 작용하는 또 다른 요인을 마찰(friction)이라 부른다. 마찰이란 어떤 물체나 표면이 다른 물체나 표면의 위를 움직일 때 발생하는 저항이다. 서로 접촉한 두 물질 사이에는 마찰이 존재한다.

마찰의 영향은 이전과 유사한 예시를 통해 증명될 수 있다. 동일한 유체를 동일한 두 개의 경사로에 붓는다면 유체들이 동일한 속도로 흐른다. 허나 만약 하나의 경사로 표면은 거칠고 다른 하나의 경사로 표면은 매끄럽다면 두 경사로를 따라 내려가는 흐름이 크게 달라진다. 유체가 거친 표면의 경사로를 흐르면 저항(마찰)으로 인해 방해를 받는다. 모든 표면은 설령 아무리 매끄러워 보인다 하더라도 유체의 흐름을 방해한다는 것을 기억하라.

날개의 표면도 다른 표면들과 마찬가지로 특정한 거칠기를 가지고 있다. 표면의 거칠기는 저항을 발생시켜서 날개 위를 흐르는 공기의 속도를 늦춘다. [그림 4-1]

공기 분자가 날개의 표면 위를 통과할 때 마찰로 인하여 공기가 표면에 달라붙는다. 날개 표면 근처의 공기 분자는 움직임에 저항해서 0에 가까운 상대 속도를 갖는다. 표면의 거칠기가 공기 분자의 움직임을 방해한다. 날개 표면에 달라붙는 공기 분자들의 층을 경계층(boundary layer)이라 부른다.

여기에 점성으로 인하여 공기 흐름에 추가 저항이 발생한다. 마찰과 점성이 날개 위의 공기 흐름에 저항하기 위해 함께 작용할 때 이를 항력이라 부른다.

Pressure

압력이란 물체 표면에 수직 방향으로 가해지는 힘이다. 보통 압력은 물체의 평방 인치당 파운드(PSI)로 측정된다. 유체에 완전히 잠긴 물체는 전체 표면으로부터 균등하게 압력을 받게 된다. 물체의 한 표면에 가해지는 압력이 다른 표면에 가해지는 압력보다 낮아지면 물체는 압력이 더 낮은 쪽으로 이동할 것이다.

Atmospheric Pressure

압력의 종류는 매우 다양하지만 조종사들은 주로 대기압에 관심을 가진다. 이는 기상 변화의 기본 요소들 중 하나이다. 또한 대기압은 항공기의 부양을 도우며 중요한 계기들 중 몇몇을 작동시킨다. 이러한 계기에는 고도계, 속도계, 수직 속도계, 그리고 manifold pressure gauge가 있다.

공기는 매우 가볍지만 질량을 가지므로 중력의 영향을 받는다. 따라서 공기도 다른 물질들과 마찬가지로 무게에 의한 힘을 가지고 있다. 공기는 유동성 물체이므로 이 힘이 모든 방향에서 동일하게 작용한다. 대기 중의 물체에 공기가 미치는 영향을 대기압이라 부른다. 해수면에서 표준 조건일 때 대기의 무게에 의해 가해지는 평균 압력은 대략 14.70 psi(혹은 1,013.2 mb)이다. 대기의 두께는 유한하므로 고도가 높아질수록 상공의 공기가 적어진다. 때문에 대기의 무게는 18,000ft에서 해수면의 절반이 된다.

대기의 압력은 시간과 위치에 따라 달라진다. 대기압은 계속하여 변화하므로 기준이 만들어졌다. 해수면에서 표준 대기는 섭씨 15도(혹은 화씨 59도), 그리고 29.92＂Hg(혹은 1,013.2 mb)이다. [그림 4-2]

표준 기온 감률이란 온도가 1,000ft 당 약 섭씨 2도(혹은 화씨 3.5도)로 감소하는 경우이다. 이는 36,000ft(대략 섭씨 영하 55도, 혹은 화씨 영하 65도인 지점)까지 적용된다. 이 지점으로부터 80,000ft까지는 온도가 일정하다 간주된다. 표준 기압 감률이란 기압이 1,000ft 당 약 1＂Hg로 감소하는 경우이다. 이는 10,000ft까지 적용된다. [그림 4-3] ICAO(International Civil Aviation Organization)은 이를 전 세계적인 표준으로 제정하였다. 이는 보통 ISA(International Standard Atmosphere)나 ICAO Standard Atmosphere라 불린다. 표준 감률과 다른 온도/기압은 비표준 온도/비표준 기압으로 간주된다.

항공기 성능은 표준 대기와 연관하여 비교 및 평가되므로 모든 항공기 계기들은 표준 대기에 대해 보정된다. 비표준 대기를 제대로 설명하기 위해선 특정 관련 용어들을 정의해야 한다.

Pressure Altitude

기압 고도란 SDP(standard datum plane)로부터의 고도이다. SDP란 기압계로 측정하였을 때 대기의 무게가 29.92＂Hg(1,013.2mb)인 이론상의 층이다. 고도계는 표준 대기에서의 고도를 나타내기 위해 보정된 기압계이다. 만약 고도계가 29.92＂Hg SDP로 설정 되었다면 이는 기압 고도를 나타낸다. 대기압의 변화에 의해 SDP가 해수면보다 낮거나 높을 수 있다. 기압 고도는 비행기 성능을 결정하는 기준이므로 매우 중요하며 18,000ft 이상(국내의 경우 14,000ft 이상)을 운항하는 비행기에게 flight levels를 할당하는데 있어서도 중요하다.

기압 고도는 다음 방법들 중 하나로 결정될 수 있다:

1. 고도계의 기압계 눈금을 29.92로 설정한 다음 지시 고도를 읽는다.

2. 지시 고도에 현재 altimeter setting 수정 값을 적용한다.

Density Altitude

SDP는 이론상의 층이다. 허나 항공기는 비표준 대기를 운영하므로 비표준 대기를 공기역학적 성능과 연관시키기 위해 밀도 고도가 사용된다. 밀도 고도란 표준 대기 상 해수면으로부터 특정 밀도가 발생하는 고도이다. 공기의 밀도는 항공기의 성능에 상당한 영향을 미친다. 왜냐하면 공기 밀도가 낮아지면 다음이 감소하기 때문이다:

• 출력. 엔진이 더 적은 공기를 흡입하기 때문.

• 추력. 공기 밀도가 낮아지면 프로펠러가 효율이 떨어지기 때문.

• 양력. 공기 밀도가 낮아지면 에어포일에 가해지는 힘이 적어지기 때문.

밀도 고도는 기압 고도에서 비표준 온도를 수정한 것이다. 공기의 밀도가 증가하면 항공기의 성능이 증가한다. 반면 공기의 밀도가 낮아지면 항공기의 성능이 감소한다. 공기 밀도의 감소는 높은 밀도 고도를 의미하며 공기 밀도의 증가는 낮은 밀도 고도를 의미한다. 밀도 고도는 항공기 성능을 계산하는데 사용된다. 왜냐하면 표준 대기 조건에서는 각 층의 공기가 특정 밀도를 가지며 기압 고도와 밀도 고도가 동일한 층을 식별하기 때문이다.

밀도 고도를 계산하기 위해서는 기압(기압 고도)과 온도가 고려되어야 한다. 항공기 성능 데이터는 표준 대기 조건에서의 공기 밀도를 기반으로 하므로 이러한 성능 데이터가 고도계가 지시하는 공기 밀도와 다를 수도 있다. 표준보다 높거나 낮은 밀도 조건에서는 고도계로부터 밀도 층을 직접 확인할 수 없다.

먼저 기압 고도를 찾은 다음 이 고도를 비표준 온도 변화에 대해 보정해야 밀도 고도가 결정된다. 밀도는 압력에 비례하고 온도에 반비례하므로 밀도의 변화를 통해 다양한 온도에 대해 특정 기압 고도가 존재할 수 있다. 허나 특정 밀도는 하나의 온도 및 기압 고도에서 발생한다. 공기의 밀도는 항공기와 엔진 성능에 현저한 영향을 미친다. 항공기는 실제 고도와 상관없이 현재의 밀도 고도에서 운항하는 것처럼 작동한다.

공기 밀도는 고도, 온도, 그리고 습도의 영향을 받는다. 높은 밀고 고도는 희박한 공기를, 반면 낮은 밀도 고도는 빽빽한 공기를 나타낸다. 높은 밀도 고도를 발생시키는 조건은 높은 표고, 낮은 대기압, 높은 온도, 그리고 높은 습도이다. 낮은 표고, 높은 대기압, 낮은 온도, 그리고 낮은 습도는 낮은 밀도 고도를 나타낸다.

Effect of Pressure on Density

공기는 기체이므로 압축/팽창될 수 있다. 공기가 압축되면 더 많은 양의 공기가 특정 부피를 차지할 수 있다. 반대로 특정 부피의 공기에 대한 압력이 감소하면 공기가 팽창해서 더 큰 공간을 차지한다. 압력이 감소하면 기존의 공기 기둥은 더 적은 양의 공기를 포함하게 된다. 밀도는 압력에 비례하므로 밀도가 감소한다. 만약 압력이 두 배가 되면 밀도도 두 배가 된다. 단, 이는 온도가 일정한 경우에만 유효하다.

Effect of Temperature on Density

물질의 온도가 높아지면 밀도가 낮아진다. 반대로 온도가 낮아지면 밀도가 증가한다. 따라서 공기의 밀도는 온도에 반비례한다. 단, 이는 압력이 일정한 경우에만 유효하다.

대기에서는 고도가 높아질수록 온도와 압력이 모두 감소한다. 온도와 압력의 감소는 밀도에 상반된 영향을 미친다. 허나 고도 증가에 의하여 압력이 감소하는 것이 더 지배적인 영향을 미친다. 따라서 조종사들은 고도가 높아질수록 밀도가 감소하리라 예상할 수 있다.

Effect of Humidity(Moisture) on Density

앞선 설명들은 완벽하게 건조한 공기에 적용된다. 허나 현실에서는 공기가 완벽하게 건조할 수 없다. 특정 조건에서는 대기 중에 떠있는 소량의 수증기가 거의 무시될 수 있지만 그 외의 조건에서는 습도가 항공기 성능에 중요한 요소가 될 수 있다. 수증기는 공기보다 가볍다. 따라서 습한 공기는 건조한 공기보다 가볍다. 결국 공기의 수분 함량이 증가할수록 공기의 밀도가 낮아져서 밀도 고도가 높아지고 성능이 저하된다. 특정 조건에서 가장 많은 양의 수증기를 포함하는 공기가 가장 가볍다(즉, 가장 밀도가 낮다).

습도(상대습도라고도 불림)는 대기에 포함된 수증기의 양을 나타낸다. 이는 공기가 담을 수 있는 최대 수증기 양에 대해 백분율로 표현된다. 공기가 담을 수 있는 수증기의 양은 온도에 따라 달라진다. 따뜻한 공기는 더 많은 수증기를 담는 반면 차가운 공기는 더 적은 수증기를 담는다. 수증기를 전혀 포함하지 않는 건조 공기는 상대습도가 0%이다. 반면 수증기를 더 이상 담을 수 없는 포화 공기는 상대습도가 100%이다. 습도 하나만으로는 밀도고도와 항공기 성능을 계산하는데 중요한 요소로 간주되지 않지만 이는 여전히 기여 요소이다.

온도가 높아질수록 공기는 더 많은 양의 수증기를 담을 수 있다. 따뜻하고 습한(두 가지 특성 모두 공기를 가볍게 만듦) 공기 덩어리와 차갑고 건조한(두 가지 특성 모두 공기를 무겁게 만듦) 공기 덩어리를 비교해 보면 첫 번째가 두 번째보다 밀도가 낮다. 압력, 온도, 그리고 습도는 항공기 성능에 큰 영향을 미친다. 왜냐하면 이들은 밀도에 영향을 미치기 때문이다.

Theories in the Production of Lift

공기보다 무거운 기계를 타고 비행하기 위해서는 몇 가지 장애물을 극복해야 한다. 이러한 장애물들 중 하나는 이전에 언급하였던 움직임에 대한 저항(즉, 항력)이다. 허나 항공기가 극복해야 할 가장 어려운 장애물은 바로 중력이다. 공기를 통과하여 움직이는 날개는 양력이라 불리는 힘을 발생시킨다. 중력의 힘보다 더 큰 양력이 날개에서 중력의 반대 방향으로 발생해야 항공기가 비행할 수 있게 된다. 양력 발생은 몇 가지 중요한 원리에 기초한다(뉴턴의 운동 법칙과 베르누이의 원리).

Newton's Basic Laws of Motion

양력 발생은 지난 몇 세기 동안 기본 물리 법칙을 바탕으로 발전해왔다. 이러한 법칙들은 양력의 모든 측면에 적용되는 것처럼 보이지만 사실 양력이 어떻게 발생하는지를 완전히 설명하지는 못한다. 예를 들어 대칭 에어포일의 경우에는 에어포일이 대칭임에도 불구하고 상당한 양력을 발생시킨다.

뉴턴의 1법칙: “모든 물체는 외부의 힘에 의해 그 상태가 바뀌지 않는 한 정지 상태, 혹은 일정하게 움직이는 상태를 유지한다.”

이는 어떠한 외부의 힘이 발생하기 전까지는 물체가 움직임을 시작하거나 움직임을 멈추지 않는다는 것을 의미한다. 멈춰있는 항공기는 그 관성이 극복될 수 있을 정도의 강력한 힘이 가해지지 않는 한 정지 상태를 유지한다. 항공기가 움직이기 시작하면 관성에 의해 계속하여 움직이게 되며 항공기에 작용하는 여러 외부 힘들이 그 움직임에 영향을 미친다. 이러한 힘들은 항공기의 움직임을 증가시키거나, 감속시키거나, 혹은 방향을 변화시킬 수 있다.

뉴턴의 2법칙: “힘은 시간 당 운동량의 변화와 같다. 질량이 일정하다면 힘은 질량에 가속도를 곱한 것과 같다.”

물체에 일정한 힘이 작용할 때 그 가속도는 물체의 질량에 반비례하고 힘에 비례한다. 이 법칙은 뉴턴의 제 1법칙을 극복하는데 필요한 요소들을 설명한다. 뉴턴의 제 2법칙은 방향의 변화와 속도의 변화를 모두 다룬다(예를 들어 정지 상태에서의 가속[+ 가속도]과 운동 상태에서의 정지[- 가속도]).

뉴턴의 3법칙: “모든 작용에는 동일한, 그리고 반대쪽으로 향하는 반작용이 있다.”

비행기의 프로펠러는 공기를 뒤로 밀어내며 이로 인해 공기가 프로펠러를 반대 방향(전방)으로 밀어낸다. 제트 비행기의 엔진은 뜨거운 가스를 뒤로 밀어내며 이로 인해 반작용이 엔진을 밀어내 비행기를 앞으로 나아가게 만든다.

Bernoulli's Principle of Differential Pressure

베르누이는 움직이는 유체(액체나 기체)의 압력이 속도에 따라 어떻게 변화하는지를 설명하였다. 베르누이의 원리에 따르면 움직이는 유체의 속도가 증가할수록 유체 내의 압력은 감소한다. 이 원리는 비행기 날개의 굴곡진 윗면을 지나가는 공기에 무슨 일이 일어나는지를 설명한다.

벤투리 튜브를 통해 베르누이의 원리를 실제로 응용할 수 있다. 벤투리 튜브에는 점점 좁아지는 공기 입구와 점점 넓어지는 공기 출구가 있다. 출구의 직경은 입구의 직경과 동일하다. 튜브로 유입되는 공기의 질량은 튜브에서 배출되는 공기의 질량과 정확히 같아야 한다. 모든 지점에서 동일한 시간 동안 동일한 양의 공기가 통과하기 위해선 좁아지는 지점의 공기 속도가 증가해야 한다. 공기의 속도가 빨라지면 압력이 줄어든다. 좁아지는 지점을 통과한 후에는 공기 속도가 느려지고 압력이 증가한다. [그림 4-4]

공기는 유체이므로 이 법칙을 따른다. 이를 통해 비행기 날개가 어떻게, 그리고 왜 양력을 발생시키는지 알 수 있다. 날개가 공기를 통과하여 움직일 때 날개 윗면의 굴곡을 가로지르는 공기가 증속해서 저압 영역을 형성한다.

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.

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.

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.

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.

A Third Dimension

지금까지의 설명은 에어포일 윗면과 아랫면을 가로지르는 흐름에 초점을 맞추었다. 대부분의 양력이 이러한 두 개의 차원에서 형성되긴 하지만 세 번째 차원인 에어포일 끝단도 공기역학적 영향을 가진다. 에어포일 아랫면의 고압 영역은 날개 끝을 중심으로 윗면의 저압 영역으로 이동한다. [그림 4-8] 이러한 움직임이 회전 흐름을 형성하는데 이를 날개 끝 와류(tip vortex)라 부른다. 와류는 에어포일의 뒤쪽으로 흐르면서 downwash를 생성하는데 이는 에어포일의 뒷전쪽으로 연장된다. downwash의 영향을 받는 에어포일 영역에서는 양력이 전반적으로 감소한다. 제조업체는 이러한 영향을 상쇄하기 위해 다양한 방법을 개발하였다. winglets를 날개 끝에 추가하면 이러한 흐름을 줄일 수 있다. winglets는 와류가 형성되는 것을 막는 장애물 역할을 한다. winglets는 에어포일의 위나 아래에 존재할 수 있다. 흐름을 상쇄하기 위한 또 다른 방법으로는 에어포일 끝을 점점 가늘어지게 만드는 것이다. 이는 압력 차이를 줄여서 날개 끝 주변의 공기 흐름을 부드럽게 만든다.

Chapter Summary

현대의 범용 항공 항공기는 고성능으로 간주될 수 있는 특성을 가지고 있다. 따라서 비행 기술의 기초가 되는 원칙을 조종사가 이해하는 것이 점점 더 필요하다. 이 장에서 설명한 원리에 대해 더 자세히 알고자 한다면 www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/bga.html 에서 NASA(National Aeronautics and Space Administration) Beginner’s Guide to Aerodynamics를 참조한다.