에어포일이란?(1/2) 에어포일의 정의와 종류

지식이라는 것은 서로 유기적으로 연관되어 있다. 그래서 한 부분 한 부분을 파고들다보면 결국은 다른 것들을 미리 알았으면 좋았을 걸, 하는 것들과 이 부분을 알아야지만 이해가 되는 경우가 생긴다. 저번에 포스팅한 양력의 발생에 관한 글을 보자. 당시, 나는 양력의 발생을 설명하려 했던 이유는 단순하다. 항공에 대해 이야기하려다보니, 하늘을 뜨는 비행기에 대해 설명해야겠고, 그러면 비행기를 띄우는 양력에 대해 우선 짚고 넘어가야 했기 때문이다.

하지만 설명할 때마다 중간중간 길에 막혔다. 양력을 설명하기 위해서는 에어포일에 대해 설명해야 했고, 이에 대해 설명하기 위해서는 또 한 페이지의 글이 필요할 것 같았기 때문이다. 대략적인 사전적 정의를 전달하는 것은 쉬우나, 항공역학에서 빼놓을 수 없는 요소인 에어포일에 대해 깊게 파고들어야 양력을 이해하기 쉽기 때문이다. 그래서 이번 글에서는 에어포일에 대해 설명하고, 더 좋은 이해를 위해 이전에 올렸던 글들을 링크로 달아 둔다.

[항공 이야기] - 고정익과 회전익

[항공 이야기] - 비행기는 어떻게 뜰까? 베르누이의 원리, 뉴튼의 작용 반작용의 법칙

에어포일의 정의

에어포일은 항공용어사전에서 다음과 같이 정의하고 있다.

공기가 통과함으로써 유용한 반작용 또는 양력을 얻을 수 있도록 고안된 표면. 비행기 날개, 프로펠러 블레이드, 헬리콥터 회전체 등은 에어포일의 한 형태이다.

-'에어포일' 정의, 항공용어 사전, 항공정보포탈시스템(클릭시 이동)

즉, 에어포일은 공기를 흘려보냄으로써 양력을 발생시키는 장치로써 하늘을 나는 비행기에는 없어서는 안되는 필수 요소이다. 양력을 효율적으로 하기 위해서 에어포일은 여러 실험을 거쳐 현재의 모습을 띠게 되었다. 에어포일은 대칭성에 따라 크게 비대칭형과 대칭형으로 나뉘게 된다. 다음의 그림을 살펴보자.

에어포일의 종류

비대칭형과 대칭형 에어포일, 출처: Helicopter Flight Training(클릭시 이동)

보면 직관적으로 알 수 있듯이, 위의 것은 비대칭형이고 아래의 것이 대칭형이다. 전연과 후연을 잇는 시위선을 중심으로 데깔코마니처럼 접히면 대칭형이고, 접혀지지 않는 것은 비대칭형으로 볼 수 있다. 이러한 모양의 특성은 어떤 현상을 불러일으킬까? 대칭형의 경우는 받음각이 생기지 않으면 양력이 발생할 수 없다. 왜냐하면 위로 흐르는 공기의 흐름과 아래로 흐르는 공기의 흐름이 일치하기 때문이다. 작용 반작용으로 설명을 하자면, 둘 모두 반작용으로서의 힘인, 위로 올리려는 힘과 아래로 내리려는 힘이 일치하기 때문에 아무런 양력을 만들어내지 못하기 때문이다.

반면, 비대칭형은 위로 흐르는 공기의 흐름과 아래의 그것이 서로 차이가 난다. 이 말은 곧, 위로 흐르는 공기가 후연에 다다랐을 때 받는 반작용으로서의 양력이 발생하게 된다는 뜻이다. 받음각이 따로 만들어지지 않아도 어느정도의 양력은 발생하며 받음각이 만들어지면 효율적인 양력 발생이 가능하다.

대칭형은 제작이 용이한 데 반해 양력 발생이 효율적이지 못하고, 비대칭형은 양력 발생이 효율적인데 비해 제작은 어렵다는 단점이 있다. 특히 이 에어포일이 헬리콥터의 로터 블레이드로 구현되는 경우, 제작은 더욱더 어려워진다. 왜냐하면 로터 블레이드의 경우 마스트를 중심으로 떨어진 거리에 따라 속도가 달라지기 때문에 의도적으로 '꼬아 놓아야 하기 때문이다.'

로터 블레이드의 부위별 구조, 출처: Helicopter Flight Training(클릭시 이동)

같은 블레이드라고 해도, 익근에서 멀어지면 멀어질수록 속도는 빨라지기 때문에 이렇게 블레이드를 꼬아 놓지 않으면, 즉 받음각을 조절하지 않으면 블레이드 내에서도 속도의 차이가 생겨, 양력의 불균형이 심화될 것이다. 따라서 익근으로 갈 수록, 속도가 느리기 때문에 큰 받음각을 (양력을 키우기 위해), 끝으로 갈수록 속도가 빠르기 때문에 작은 받음각을(양력을 줄이기 위해) 유지하게끔 설계되었다.

사실, 에어포일은 비행기에 있어서 처음과 끝이라고 해도 과언이 아닐 정도로 비행에 있어 필수적인 요소이다. 양력을 발생시킨다는 것은 곧 물체를 띄우게 한다는 것이다. 그렇다면 양력과 반대되는 힘을 발생시키면 물체를 가라앉게 할 수도 있지 않을까? 하늘을 '날아 오르는' 비행기에 양력과 반대되는 힘을 발생시키는 장치로 에어포일로 사용되기도 한다. 다음에 쓸 글에는 에어포일의 부분 명칭들에 대해 알아보고, 에어포일의 적용 사례에 대해 다뤄보도록 하겠다. 명칭을 알아보는 이유는, 양력에 대해 공부를 하게 되면 에어포일의 구성명칭들이 아무런 부가 설명없이 인용될 때가 많기 때문이다. 또한 에어포일은 '양력'을 발생시킨다기 보다 위로 올리려는 힘을 발생시키는 장치이다. 즉, 반대로 아래로 내리려는 힘을 발생시키기 위해서도 에어포일을 사용한다. 다음에는 이 부분에 대해 알아보겠다.