에어포일의 붙임각과 받음각(고정익과 회전익에서의 붙임각, 받음각 차이)

공기의 흐름과 에어포일의 관계를 알아보기 위해서는 붙임각과 받음각에 대해서 알아야 한다. 이 두 각(角)은 고정익과 회전익에서 다소 차이를 보인다. 두 각의 정의와 함께 고정익과 회전익에서는 어떤 차이를 보이는지 살펴보고, 더 나아가 받음각이 실속을 유발하기도 한다는 것을 짚으려고 한다. 그 다음 글에서는 상대풍에 대해 이야기하려 한다. 헬리콥터 조종사로서, 회전익에서는 상대풍에 대한 이해가 중요하기 때문이다.

 

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그래서 이 포스팅의 일련의 흐름은 다음과 같다.

 

1. 에어포일이란 무엇인가?

- 에어포일의 정의와 종류

에어포일이란?(1/2) 에어포일의 정의와 종류

2. 에어포일이란 무엇인가?

- 에어포일의 구성명칭과 활용사례

에어포일이란?(2/2) 에어포일의 구성명칭과 활용사례

3. 에어포일의 시위선과 평균시위선

에어포일의 시위선과 평균캠버선

4. 에어포일의 붙임각과 받음각(이번 글)

 

5. 상대풍과 받음각의 관계(다음 글)

- 상대풍 → 회전상대풍 → 유도기류 → 회전상대풍

- 받음각의 변화 요인

 

에 대해서 알아보려고 한다. 이 글에서는 불가피하게 상대풍에 대한 언급이 있지만, 간략한 개념 설명으로 그칠 것이다. 그 다음 글에서 상대풍에 대해 심도있게 다루려고 한다.

 

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붙임각(Angle of Incidence)

 

붙임각은 취부각 또는 투사각이라고도 사용되었다. 거울에 빛을 보내면 거울에 반사되는 반사각과, 빛이 부딪히는 입사각은 같다. 이때의 입사각도 영어로는 Angle of Incidence이다.

 

영영사전의 정의를 가져오면 Incidence는 an event, or the rate at which something happens라고 되어 있다. 번역하자면 사건(의 발생), 또는 어떤 일이 일어나는 (발생의) 정도라고 할 수 있겠다. 또 다른 뜻으로는 The falling or hitting of an object or beam of energy, such as light, on a surface라고 되어 있다. 그 예시로 물리에서 Angle of Incidence가 사용된다.

 

물체에 에너지, 사물, 빛과 같은 것들이 부딪히는 것이 Incidence인 것이다.

 

그렇다면 Angle of Incidence는 물체(에어포일)에 공기의 흐름이 부딪히는 각도라고 볼 수 있겠다. 여기에는 어떤 외부적인 요건이 개입하지 않는다. 그 자체로 있는 각을 의미하는 것. 붙임각은 기계적인 각(Mechanical Angle) 또는 피치각(Pitch Angle)이라고도 불린다.

 

고정익에서의 붙임각

 

이름을 살펴보면, 그 의미가 어디에 초점을 맞추었는지 살펴볼 수 있다. ‘붙임각’에서는 고정되어 있다는 의미가 있다. 변화하지 않는다는 것이다. 고정익의 경우 붙임각은 동체의 세로 종축(longitudinal axis)과 에어포일의 시위선(chord line)이 이루는 각을 말한다.

 

 

고정익은 날개가 고정되어 있어, 세로 종축과 코드라인의 각도가 일정하기 때문에 항공기의 자세가 변화한다고 해서 붙임각이 변화하지 않는다.

 

그렇다면 헬리콥터의 경우는 어떨까?

 

회전익에서의 붙임각

 

헬리콥터의 경우는 사실 붙임각이라는 용어는 정확하게 맞아떨어지지 않는다. 조종사가 콜렉티브와 사이클릭을 통해 붙임각을 조절할 수 있기 때문이다. 즉, 에어포일의 피치에 변화를 주는 것이 가능한 것!

 

다음의 그림을 살펴보자.

 

회전익(헬리콥터)에서는 붙임각(Angle of Incidence)를 다음과 같이 정의한다. 에어포일의 코드라인과 에어포일의 진행경로(회전상대풍)이 이루는 각이라고 말이다.

 

고정익과 달리 회전익에서는 이 각을 조절할 수 있으며, 회전익 조종사들은 조종을 할 때, 피치를 더 준다라고 한다. 아마 대다수의 회전익 조종사들은 콜렉티브를 상방압할 때, 로터 블레이드 전체의 피치가 가팔라지는 상상을, 사이클릭을 전후좌우로 조작할 때, 블레이드의 피치가 제각각 꼬이는 상상을 할 것이다.(비행 중에는 그럴 정신이 없지만 말이다.)

 

그렇다면 받음각이란 무엇일까?

 

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받음각(Angle of Attack)

 

영미 명칭에서도 알 수 있듯, 이 받음각은 ‘공격각’이라고도 사용되었다. 이 외의 용어로는 영각, 앙각(仰角, 올림각)이라고도 한다. 하지만 지금은 용어들을 순화하여 받음각이라고 한다.

 

앞의 여러 용어들과는 별개로, 이 각은 공기역학적인 각이라고도 한다. 앞의 붙임각과는 다르게, 항공기의 양력에 직접적인 영향을 주는 각도이기 때문이다.

 

받음각의 정의는 고정익과 회전익에서 약간의 차이를 보인다. 다음은 고정익에서의 정의이다.

 

고정익에서의 받음각

 

고정익에서의 받음각은

에어포일의 시위선과 상대풍 사이의 각도를 의미한다.

 

 

그림에서 알 수 있듯, 고정익은 기수를 조절하면서 받음각을 변화할 수 있다. 날개가 동체에 고정되어 있다보니, 동체의 각도를 조절하면서 공기 흐름을 다르게 받아들이는 것이다.

 

회전익에서의 받음각은 다소 다르다.

 

회전익에서의 받음각

에어포일의 시위선과 합력상대풍 사이의 각도를 의미한다.

 

 

합력상대풍(Resultant relative wind)은 회전상대풍(Rotational relative wind)에 유도기류(Induced flow)가 더해진 것. 회전익은 양력이 발생함에 따라, 양력의 부산물로 유도기류가 발생한다. 유도기류는 항공기를 아래로 낮추려는 힘이다. 메인로터가 회전함에 따라 발생하는 회전상대풍과 공기의 흐름이 유입되면서 생기는 유도기류로 인해 받음각은 변화하게 된다.

 

따라서 회전익의 경우 받음각은 조종사가 변화시키는 붙임각의 변화에 따라 변하며, 유도기류의 증감에 의해서도 받음각은 변화한다.

 

받음각, 양력을 발생시키기만 할까?

 

받음각이 커질수록, 양력은 높아지는 것이 맞지만 일정 각도 이상으로 커지게 되면 실속을 유발한다. 통상적으로 받음각이 17도가 되면, 박리 현상이 일어난다.

 

에어포일 위쪽에 흐르는 공기가 가파른 받음각으로 인해 앞전부터 뒷전까지 매끄럽게 흘러가지 못하고 중간에 떨어져 나가는 것이다. 이를 경계층 박리라 한다. 다음은 받음각과 실속의 관계를 보여주는 그래프이다.

 

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고정익과 회전익은, 결정적으로 에어포일(날개)이 고정되어 있느냐, 움직일 수 있느냐에 그 차이가 있다. 거기에서 오는 항공역학의 차이는 다르게 나타난다. 회전익은 고정익에 비해 불안정할 수밖에 없다. 양력과 추력을 모두 담당하는 에어포일의 받음각은 조종사의 조작에 의해 변화할 수 있고, 외부 요인에 의해서도 수시로 변화하기 때문이다. 더욱이 공기의 방향이 균등하게 작용하는 고정익의 에어포일과 다르게, 회전익의 경우 전진 방향과 퇴진 방향의 블레이드에 작용하는 공기의 방향은 끊임없이 변화한다.

 

다음 글에서는 상대풍, 회전상대풍, 유도기류, 합력상대풍에 대해 알아보려 한다.