에어포일이란?(2/2) 에어포일의 구성명칭과 활용사례

벌써 올해의 여름도 여차저차 그 끝을 향해 나아가고 있는 것 같다. 여름이면 통과의례처럼 치르는 태풍들도 몇번 지나갔고, 또 몇번 지나갈 것이다. 다행히, 이번에는 태풍에 의한 큰 피해 없이 지나가는 것 같다. 헬리콥터의 경우 운용하는 고도가 낮기 때문에 이런 날씨에 굉장히 민감하다. 또한 최첨단의 장비로 무장된 헬기의 경우 계기비행이 가능하지만, 아날로그식 계기판을 쓰거나 노후화된 헬기는 계기비행이 제한된다. 따라서 헬리콥터는 풍속과 강우, 강설 등의 상황에서는 굉장히 제한적인 항공기이다. 그럼에도, 낮은 고도에서, 낮은 속도로 운용이 가능하고 또 제자리비행과 수직 이착륙이 가능하다는 큰 장점 때문에 여러 일선에서 유용하게 사용되고 있다. 이번 글에서는 저번 글의 연장선으로 에어포일의 구성명칭과 활용사례에 대해 글을 쓰고자 한다. 이와 관련된 이전의 글들을 링크로 달아둔다.

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

[항공 이야기] - 에어포일이란?(1/2) 에어포일의 정의와 종류

에어포일의 구성명칭

에어포일의 구성명칭, 출처: 위키피디아(클릭시 이동)

에어포일의 가장 앞부분은 전연(leading edge), 뒷부분은 후연(trailing edge)라고 부른다.

캠버선(camber line)은 에어포일의 윗면(upper surface)과 아랫면(lower surface)에 내접한 원들을 그렸을 때, 그 원들의 중심을 잇는 선으로써 시위선(chord line)과 캠버선의 차이를 통해 에어포일의 휜 정도를 알 수 있다.

전연과 후연을 일직선으로 연결한 선이 시위선(chord line)이라고 부르며, 이 선을 연장시켰을 때 마주오는 바람, 기류와 만들어진 각을 영각(AOA, Angle of Attack)이라고 한다. 에어포일의 기울기를 위 아래로 바꾸게 되면 이 영각은 달라질 것이다. 영각은 받음각이라고도 쓰며 예전에는 영어를 직역하여 공격각이라고도 불렸다. 영각은 항공기의 비행에 있어 매우 중요한데, 양력의 발생과 직접적인 연관을 맺는 각도이기 때문이다. 그렇다면 영각이 증가하면 양력은 무한정 증가하는 것일까? 그렇지 않다. 영각이 증가하면 양력이 더 증가하는 것도 사실이지만, 일정 각도 이상에서는 오히려 실속(stall)하게 된다.

받음각과 양력의 상관관계, 출처: Inclination effects on lift(클릭 시 이동)

실속하게 되는 원리는 다음과 같다. 양력이란 작용 반작용의 법칙에 의해, 윗면에 흐르는 공기가 아래로 떨어질 때, 그에 대한 반작용으로 항공기가 부양하는 것이라고 했다. 하지만, 받음각이 너무 커져 버리면, 윗면에 흐르는 공기가 아래로 떨어지지 않고 공중으로 분리되어 날아가버린다. 공기 역시 하나의 유체이기 때문에 점성의 특성이 있고, 그리하여 에어포일 윗면에 '끈적'거리면서 흘러가게 되는데 영각이 일정 각도 이상으로 커져버리면 더이상 흐르지 못하고 아예 나가 떨어지는 것이다.

다음은 미항공우주국 NASA의 전신 NACA(National Advisory Committee for Aeronautics)에서 실시한 에어포일 실험 영상이다. 다양한 형태의 에어포일을 통해 에어포일의 위와 아래를 관통하는 공기의 흐름을 시각화했다. 실속 시 발생하는 박리 현상은 3분 20초부터 참고하면 된다.(재생이 안 된다면 한번 더 클릭 후 유튜브로 이동 후 재생하면 된다.)

 

에어포일의 활용사례

사실 에어포일의 활용사례라는 것은 어딘지 앞뒤가 안맞다. 고정익 항공기의 날개와 회전익 항공기의 로터 블레이드 자체가 에어포일로써, 그 자체로 양력을 증가시키는 장치로 사용되는데 이에 대한 활용사례를 찾는다니. 하지만, 이러한 에어포일의 특성을 이용하여 항공기에 양력을 증가시켜주거나 혹은 그 반대로 양력을 줄여주는 식으로 적용되기도 한다. 이 두가지의 측면으로 어떻게 에어포일이 항공기에 더 심도있게 활용되는지 알아보자.

1. 고양력 발생 장치, 고정익 항공기의 플랩(Flap)

고정익 항공기는 에어포일 자체가 항공기에 고정되어 있지만, 플랩을 통해 에어포일의 모양을 어느정도는 바꿀 수 있다. 플랩은 날개의 앞또는 뒤에 연결되어 있는 움직일 수 있는 판을 말하는데, 이 부분을 위와 아래로 움직이면서 양력을 변화시킬 수 있게 했다. 실제로 플랩(Flap)은 위아래로 흔들리다 라는 뜻을 가지고 있다. 에어포일의 앞부분을 바꾸느냐, 뒷부분을 바꾸느냐에 따라 앞전플랩과 뒷전플랩으로 나뉘어지며 플랩은 보통 이착륙시 많이 사용된다. 플랩은 말 그대로 고양력을 발생시키는 장치이다. 받음각에 변화를 주면서 동일한 속도에서 얻는 양력보다 더 많은 양력을 발생시킨다. 상대적으로 적은 속도에서 같은 양력을 발생할 수 있는데, 이런 플랩을 통해 활주로의 길이를 단축할 수 있다.  

고정익 항공기의 플랩, 출처: 위키피디아(클릭시 이동)

2. 조타성 장치, 회전익 항공기의 stabilator

에어포일의 모양을 뒤집어 놓으면 어떻게 될까? 그렇다면 양력이 아닌, 아래로 내리는 힘이 발생하지 않을까? UH-1H의 외관을 보면 synchronized elevator라는 장치가 있다. 에어포일을 뒤집어 놓은 듯한 모양은 항공기를 아래로 가라앉는 힘을 제공한다. 즉, 싸이클릭을 앞으로 밀어, 기수가 숙여지게 되면, 속도는 늘어나지만 항공기는 테일로터 부분이 들려, 안정성이 약해진다. 따라서 어느정도의 테일로터를 가라앉게 하여 항공기의 안정성을 보장해주는 장치이다. UH-60과 AH-64E에서는 horizontal stabilator라는 이름의 장치가 있으며, 그 기능은 UH-1H의 동시성 승강타(synchronized elevator)와 같다.

UH-1H의 동시성 승강타, 출처: cursodeinglesbha

UH-1H의 synchronized elevator. 그림에서 보듯이, 양력을 발생시키는 에어포일을 뒤집어 놓은 듯한 모습을 알 수 있다. 출처: 김인환 著, <UH-1H 작동/비행원리(ver 1.2(2009.12.)>

UH-60의 horizontal stabilator, 출처: b-domke

아파치(AH-64E)의 stabilator, 출처: publicinteligence

이와 같은 맥락으로 고속 주행시 자동차의 안정성을 도와주는 리어 스포일러(rear spoiler) 역시 에어포일의 기능을 활용한 예라고 할 수 있겠다.

에어포일은 여러 실험과 기술의 발전을 통해 개량되고 발전되어 왔다. 그렇다면 에어포일이 항공기에 적용될 때, 이러한 단면의 차이(대칭형, 비대칭형, 혹은 뒤집어 놓은 stabilator 모양)만 주안점을 두어 적용된 것일까? 고정익의 경우 항공기에 부착된 날개가 '어떤' 모양으로 부착되어 있는지에 따라서도 그 성능이 차이가 난다. 이또한 넓은 개념에서는 에어포일의 활용 사례라고 볼 수 있다. 다음 글에서는 고정익에 부착된 날개가 어떻게 변화해왔는가를 살펴 보면서, 그 기능의 차이를 알아보겠다.