비행기 함수로 만들기 (용어 정리 1)

 

 

난 비행기를 설계할 거야 !!

제 어렸을 때 작은 포부였습니다. 

대학교 항공우주공학과 (지방대라 대학교 이름은 생략 ㅋ)에 진학 했을 때에도 제 꿈은 계속 됬습니다.

하지만 지금 되돌아 보면 비행기를 설계한다는 것이 너무 어렵다는 것을 잘 알게 되었습니다.

작은 포부가 아니였던 것이죠.. 

 

그래서 많은 사람들이 비행기의 원리를 설명할때 너무 단순하고 정확하지 않게 설명하는 경우를 많이 봤습니다.

저는 정진센터를 통해서 정확한 내용들을 쉽게 풀어가는데 최선을 다할 것입니다.

(너무 힘든건 사실입니다 ㅠㅠ)

 

 

비행기를 이해하려면 뭐니뭐니해도 날개를 이해해야되겠죠? ㅎ

 

 

 

 

그림 1. 나름대로 만들어본 비행기

 

 

 

 

저는 그림1 처럼 날개가 큰 비행기를 좋아합니다. 뭔가 잘날거 같기도 하고 멋있기도 하거든요 (아님말곸) ㅎㅎ

물론 그림1처럼 날개가 엄청 클 필요는 없습니다. 

하지만 날개가 중요하다는 것은 사실이죠

 

그렇다면 날개는 어떻게 이루어져 있을까요?

 

 

우선 익형이 있습니다. 날개모양? 정도라고 할 수 있는데요 

영어로는  Airfoil 즉, 에어포일이라고 부릅니다.

 

 

 

 

그림 2. 나름대로 만들어본 비행기 익형 (Airfoil) (clark Y)

 

 

 

 

 

그림 2를 보시면 날개를 수직으로 잘랐을때 단면이 보입니다. 

이때 단면의 모양을 익형 즉, Airfoil이라고 합니다. 

 

참고 : http://airfoiltools.com/

(더 많은 airfoil이 궁굼하시다면 이 사이트를 참고해주세요)

 

 

그럼 이 Airfoil을 한번 관찰해 봅시다.

익형의 특징은 어떤 것들이 있을 까요?

 

 

 

 

 

그림 3. Airfoil을 관찰해 보자

 

 

 

 

 

먼저 맨 앞에 앞전(Leading edge)라는 것이 있습니다. 

맨 뒤에는 뒷전(Trailing edge)라는 것이 있습니다.

이 앞전 뒷전은 익형의 맨앞과 맨뒤의 꼭지점이라고 생각하시면 됩니다.

그리고 시위(Chord)라는 것이 있는데 이것은 Airfoil의 앞전과 뒷전을 잇는 직선거리입니다.

보통 익형의 길이를 나타냅니다.

 

그리고 최대 두께(Maximum Thickness)라는 것이 있습니다.

두께? 좀 이상하죠 보통 어떤 그림에 두께라는 표현은 잘 쓰지않으니까요 ㅎㅎ

이 최대두께가 의미하는 것은 익형의 높이를 나타내는데 이는 양력과 깊은 관계가 있습니다.

 

 

 

 

양력이 생성되는 이유는 여러가지가 있습니다. 

흔히 아는 날개 윗면과 아랫면의 압력차이로 부력이 발생한다는 베르누이의 원리가 있고

뉴턴의 작용반작용의 원리로 부딛히는 바람의 반작용도 작용합니다. 

그리고 쿠타-주코브스키의 순환이론(Circlation)도 양력의 원인중 하나입니다.

 

이들 중 베르누이의 원리는 윗속도와 아랫속도의 차이로 양력이 발생한다고 했는데요

이 양력을 크게하려면 익형의 최대두께를 키워서

윗면의 바람과 아랫면의 바람의 속도차이를 만드는 것입니다.

(더 깊은 이야기는 나중에 ~ )

 

 

 

 

 

 

 

 

ㅋㅋㅋㅋ 맞습니다. 뭐 딱히 저걸로 뭘하자는 것인지 ...

하지만 알아두시면 비행기를 설계하는데 기준이 될 수 있습니다.

 

그럼 이제 양력에 대해서 이야기를 해보겠습니다.

 

양력 (Lift) : 비행기를 윗방향으로 띄우는 힘

양력은 말그대로 비행기를 위로 띄우는 힘입니다.

양력이 없으면 비행기는 날수 없고

비행중에 양력이 살아지면 비행기는 추락하는 것입니다. (이를 실속이라고 합니다)

 

양력을 어떻게 예측하고 표기할까요?

 

그림 4. airfoil의 양력계수가 받음각에따라 증가하는 그래프

양력은 무차원계수(단위가 없는 수) ${ C }_{ l }$로 나타낼 수 있습니다.

받음각 (angle of attack)은 앞서 말씀드린 시위와 바람간에 각도입니다.

보통 앞전이 위로 갈 수록 +각도입니다 

 

${ C }_{ { l }_{ \alpha  } }$ 는 무엇일까요?

${ C }_{ l }$ 에 하첨자 알파가 들어있내요 ㅎㅎ

알파는 받음각 (Angle of attack)을 나타냅니다. 

이 표기의 의미는 양력계수 vs 받음각의 그래프에서 양력계수의 기울기를 말합니다.

보통 익형(Airfoil)의 양력곡선은 선형구간과 비선형구간으로 나뉘는데

보통 성형구간이 뚜렷하게 나타납니다.

이 선형구간의 기울기를 ${ C }_{ { l }_{ \alpha  } }$라고 하며

보통 이 선형구간에서 비행기가 설계됩니다

 

${ C }_{ { l }_{ \alpha  } }$를 알고 있다면 받음각별 양력계수를 예측할 수 있고

양력계수를 예측하면 날개의 양력을 예측할 수 있습니다.

그렇기에 이 양력선기울기는 비행기 설계에서 매우 중요합니다. ㅎ

 

 

 

그림 5. airfoil의 받음각에 따른 양력변화

 그림 5를 보시면 받음각에 따라서 airfoil의 압력이 어떻게 변하는 지 보여주며

이 압력의 차이가 곧 양력으로 작용하게 됩니다. 

(빨간색이 저기압 파란색이 고기압)

통상 빨간색이 따뜻하고 파란색이 차가운 이미지라 저렇게 표현한 것 같습니다.

 

그림 6. 받음각에 따라 항력(Drag)의 변화

 

받음각을 높이면 양력만 커지는 거야?

라고 물어보실 수 있습니다.

안타깝게도 비행기가 앞으로 이동하는 속도와 반대로 작용하는

항력(Drag)이라는 힘도 커지게 됩니다.

(그래서 항력보다 양력이 큰 익형을 선택해야 합니다)

 

그림 7.  ${ C }_{ l }$ 과  ${ C }_{ d }$ 의 받음각에 따른 변화 (clark Y익형)

 

Clark Y 익형은 그림6과 같이 양력계수보다 항력계수가 월등히 작습니다.

그래서 나름 괜찮은 익형이죠

받음각(Angle of attack)에따라 10~20도까지는 양력과 항력의 차이가 

커서 또한 사용하기 적합한 익형이라고 말할 수 있습니다.

(이를 양항비가 좋다라고 말합니다)

 

 

그리고 ${ C }_{ m }$도 있습니다. 

이는 위에서 보셨던 그림5, 그림6처럼 비행기의 날개가 회전하는 힘을 나타냅니다.

익형마다 똑같은 속도, 날개면적, 공기밀도가 적용됬을때

생성되는 모멘트(회전하는 힘)이 다르기때문에 이를 예측하고 비교하기 위해서 

모멘트계수 ${ C }_{ m }$를 사용합니다.

 

보통 반시계방향으로 회전하는 모멘트를 +로 정의하고 시계방향으로 회전하는 모멘트는

-로 정의합니다. 

 

그림5,6처럼 앞전이 위로 올라가려는 모멘트는 -모멘트입니다.

 

 그림 8. 속도별 받음각에 대한 ${ C }_{ m }$(모멘트 계수)변화(clark y 익형)

 

위의 그래프처럼 ${ C }_{ m }$는 보통 매우 작은 값을 갖습니다.

항력계수보다 작거나 비슷한 값

그리고 보통 -값을 갖습니다. 

왜냐면 같은 조건이라면 그림5,6처럼 날개의 앞전이 하늘로 올라는 모습이 

더 안정적이기 때문입니다. 

(물론 모멘트가 0인것이 가장 좋습니다.

어떤 환경에서도 부처님처럼 날개가 수평을 유지하기때문이죠)