항공이야기 - 비행기의 주날개

 

 

선박 기술자도 아닌 것이 항공기 기술자도 아닌 것이 비행기나 배를 옆에서 많이도 보네

쇠덩어리가 물에 뜨는 것, 하늘을 나는 것 모두 신기함 뿐일세~

다 아는 진부한 내용이지만 이곳에 옮기네....

 

 

항공이야기 - 비행기의 주날개

 

비행기를 띄우고 내리는 양력과 저항력 발생

 

새는 날개가 있어서 공중으로 날아오를 수 있고, 항공기 역시 날개가 있기 때문에 창공을 비행할 수 있다. 그러나 항공기의 날개가 하는 역할은 새의 그 것과는 사뭇 다른 원리이다. 항공기 엔진의 추력을 양력으로 바꾸어 계속적인 비행을 가능하게 하는 것은 항공기의 날개가 없으면 불가능한 일이다.

 

항공기의 주날개는 공기보다 무거운 항공기를 공중에 띄우기 위해 필요한 힘인 양력을 발생시키는 역할을 한다. 물론 항공기를 띄우기 위한 목적 만이라면 양력을 발생시키기 위해 반드시 주날개만을 사용할 필요가 없고 엔진을 수직으로 장착하여 그 추력으로 기체를 띄울 수도 있다.

실제적으로 전투기 중에서는 활주로에 구애받지 않고 신속하게 이륙할 목적으로 엔진을 수직으로 세워 부상하는 해리어기 같은 기종도 개발되어 있다.

그러나 항공기는 단지 뜨는 것이 목적이 아니라 경제적이고 효율적인 수송이라는 목적에 부합해야 한다. 이런 수송효율을 고려한다면 항공기의 주날개만큼 효율을 향상시키는 데 적합한 것은 없다.

 

 

 양력과 저항이 비행효율의 요소

 

항공기의 주날개는 위에서 보면 비행 방향을 향하여 좌우로 대칭을 이루고 있으며 이 대칭축 상에 동체가 가로놓여 있다. 주날개에 발생하는 양력은 비행속도, 날개의 곡선을 이루는 익현선(Chord Line), 날개의 두께 등과 밀접한 관계가 있으며 이들이 크면 양력도 커진다.

날개의 모양은 주로 작은 저항과 큰 양력을 얻을 수 있는 단면형이 많이 채택된다.

일반적으로 날개 앞부분, 날개 두께의 비율, 캠버가 커질수록 양력계수는 증가하게 되지만 동시에 저항도 증가하게 되므로 현재 제트 항공기와 같은 고속기에서는 작은 날개를 채택하게 된다. 때문에 저공 비행시에는 기체를 지탱하기 위한 양력이 부족해지므로 이를 보충하기 위한 고양력 장치(High-Lift Device)를 이용한다.

일반적으로 주날개와 양력의 관계를 알기 위해서는 날개 평면 전체에 작용하는 양력을 구해 볼 필요가 있다. 양력은 날개 평면의 모양에 의해 크게 영향을 받는다. 또한 날개의 면적은 항공기의 성능을 좌우하는 중요한 요소 중의 하나이다.

이러한 요소들을 어떻게 조합하느냐에 따라 수많은 익형이 생긴다. 항공기를 설계할 때는 이러한 익형들 중에서 목적과 용도에 부합되는 익형을 선정하게 되는 것이다.

보통 영각(Angle of Attack)이 클수록 양력은 증가하게 되지만 영각이 일정한 수준에 도달하게 되면 양력은 급속하게 감소하는 대신에 반대로 저항이 급증하게 된다. 이러한 현상을 실속(失速)이라고 한다.

이러한 실속현상이 생기게 되면 기체가 진동을 하게 되는데 진동이 시작될 때 회복을 위해 조작을 하게 되면 실속을 피할 수 있다.

 

 

돌풍 만나면 자동으로 속도 증대하게 설계

 

특히 민간 제트항공기의 경우에는 실속성이 아주 양호하기 때문에 돌풍을 만나 실속현상이 발생하게 되면 즉시 자동적으로 기수가 숙여지고 속도가 증대하여 실속을 회복할 수 있도록 공기 역학적인 설계가 되어져 있다.

실속속도는 이륙과 착륙을 결정하는 기준이 되는 중요한 속도이며, 이 속도가 느릴수록 이착륙을 느리게 할 수 있고, 때문에 짧은 활주로에서도 이착륙이 가능하도록 그 성능이 향상되어져 있다.

최근의 민간항공기와 같이 날개의 설계가 세련된 기체에서는 진동의 발생속도와 실속속도의 차이가 작게 일어나기 때문에 조종사가 느끼지 못하는 사이에 실속이 일어나는 경우가 많으며 이를 사전에 방지하기 위해 항공기가 실속속도에 가까운 속도까지 감속했을 때는 자동적으로 경보를 울리게 하는 실속경보장치(Stall Warning System)가 부착되어 있다.

 

 

플랩과 스포일러로 보조효과

 

항공기 수송효율을 위한 두가지 조건, 즉 양력을 가능한 한 크게 하고 저항을 최대한 줄이는 문제를 해결하기 위해 날개의 모양에 대한 연구와 개발이 계속 추진되어 왔으며, 특히 이착륙시에 작은 속도로 큰 양력을 얻을 수 있도록 개선되어져 왔다. 이착륙속도가 느려질 수 있다면 활주로가 짧아도 될 뿐만 아니라 사고 발생 확률도 작아진다는 점에서 안전상으로도 매우 중요한 요소이다.

이착륙시에 양력을 증대시키기 위해 사용되고 있는 고양력장치를 총칭해서 플랩(Flap)이라고 한다.

 

플랩은 주날개의 앞부분에 부착되어 있는 전연플랩(Leading Edge Flap)과 뒷부분에 부착되어 있는 후연플랩(Trailing Edge Flap)으로 나뉘어진다.

이들 플랩은 이착륙시와 같은 저속 비행시에는 펼쳐지고 속도가 빨라지면 줄어들도록 되어 있다. 플랩은 양력저항을 감소시키는 역할을 할 뿐만 아니라 실속하기 쉬운 이착륙시에 영각을 크게 할 수 있기 때문에 작은 속도로도 큰 양력을 얻을 수 있는 역할을 한다.

 

항공기에는 양력을 증가시키는 장치만 있는 것이 아니고 감소시키는 장치도 주익에 부착되어 있다. 이것을 일반적으로 스포일러(Spoiler)라고 부른다.

보통 플랩과 같은 모양을 하고 있지만 플랩과는 반대로 주날개의 윗면에 부착되어 있으며 주로 양력을 감소시키는 역할을 한다.

즉, 착륙시에 스포일러를 약간 위로 펼쳐 올림으로써 양력을 감소시켜 강하속도를 빠르게 하거나 또는 바퀴가 활주로에 닿은 직후에 이것을 위로 크게 올려서 주날개의 양력을 줄임으로써 바퀴에 걸리는 접지력을 증대시켜 바퀴의 브레이크 효과를 높이고 착륙거리를 짧게 하는 역할을 한다.

특히 착륙시에 사용되는 대형의 스포일러는 양력을 감소시키는 것만이 아니라 날개 윗부분의 저항도 증가시켜 브레이크 효과를 생기게 하는 일종의 공기역학 브레이크 역할을 한다.

 

출처 : sky news