TAF(Total Aerodynamic Force, 총 항공역학적인 힘) 그리기, 고정익 TAF, 회전익 TAF

오랜만에 글을 남긴다. 계속 비행을 하느라 정신이 없었던 것도 있지만, 지금까지 내가 공부한 것들을 다시 한번 재 정립해야할 필요가 생긴 것도 있다. 얼마 전 같이 근무하는 동료로부터 비행역학에 대해 이런저런 질문을 받고, 다시 쓰고 싶어진 것도 있다. 이해해서 알고 있는 것과, 설명하는 것은 다르며, 또 설명하는 것과 '가르치는 것'은 다르다. 가장 어려운 것은 '가르치는 것'임을, 그리고 그것은 어렵기도 어렵지만, 함부로 할 수도 없다는 것을 안다.

 

서설이 길었다. 에어포일과 관련해서 알아봐야 하는 것이 바로 TAF(총 항공역학적인 힘)이다. 에어포일에 영향을 미치는 기류의 형태는 직관으로 짐작할 수 있지만, 이것을 실제 TAF를 그림으로써 확인해볼 수 있기 때문이다. 그렇다면 TAF란 무엇이고, 어떻게 그리는 것인지에 대해 알아보자.

 

TAF(Total Aerodynamic Force, 총 항공역학적인 힘)이란?

TAF는 풀어 쓴 바와 같이 총 항공역학적인 힘이다. 에어포일은 공중에서 수많은 힘들이 그 안에서 평형을 이루고 있는데, 이러한 힘들의 총합이 바로 TAF인 것이다. 그렇다면 왜 TAF를 알아봐야 하나. 그것은 바로 에어포일에 어떻게 기류가 형성되어 있고, 이 기류가 에어포일에 어떤 식으로 관여하고 있는지 알 수 있기 때문이다. TAF의 Force에서도 알 수 있듯이, 방향도 고려해주어야 하며, 따라서 TAF를 보게 되면 에어포일이 어떤 방향으로 얼만큼 힘을 받는지를 알 수 있다.

 

위키피디아에서는 TAF를 이렇게 정의하고 있는데 참고할만하여 인용한다.

 

In fluid mechanics, an aerodynamic force is a force exerted on a body by the air (or other gas) in which the body is immersed, and is due to the relative motion between the body and the gas.

 

해석하자면 다음과 같다. 유체역학에서 항공역학적인 힘은 동체가 잠겨 있는 공기(또는 다른 기체)에 의해 동체에 발현된 힘을 뜻하며, 동체와 기체 사이의 상대적인 운동에 의해 일어나는 힘이다.

 

즉, 공중에서 동체에 작용하는 힘을 말하는데, 여기서 우리가 눈 여겨볼 것은 동체에 매달린 에어포일이다. 공중에서 동체를 비행하게 하는데 있어 가장 큰 역할을 하는 것이 바로 에어포일이기 때문이다.

 

TAF 그리기(고정익, 회전익)

이전 글에서도 언급했듯이, 고정익과 회전익 모두 '에어포일'을 갖고 있지만, 이들은 서로 다른 특성을 보인다. 고정익은 동체에 에어포일이 부착되어 고정되어 있고, 회전익은 동체 상부에 에어포일이 끊임없이 회전하고 있기 때문이다. 이 때문에 이전 글에서 에어포일의 붙임각과 받음각을 설명할 때 고정익과 회전익을 구분해서 설명했었다.

 

에어포일의 붙임각과 받음각(고정익과 회전익에서의 붙임각, 받음각 차이)

 

TAF 역시 마찬가지다. 고정이과 회전익에서의 에어포일은 서로 다른 공기역학적 상황에 직면하기 때문에 TAF 역시 구분해서 설명해야겠다. 붙임각과 받음각에서도 얘기했듯이, 상대적으로 회전익의 TAF 그리는 법이 보다 복잡하다.

 

고정익 TAF 그리기

1. 시위선을 그려라.

2. 압력중심점을 찍어라.

3. 상대풍(동체의 flight path vector)을 그려라.

4. 양력을 그려라.

5. 항력을 그려라.

6. TAF를 그려라.

고정익 에어포일의 TAF 그리기

 

가장 중요한 것은 시위선을 그리고, 그 다음에 압력중심점을 찍는 것이다. 여기서 실질적인 힘의 작용이 일어나기 때문이다. 그 이후 항공기의 이동경로, 즉 상대풍을 그린 다음, 상대풍과 90도 방향으로 양력을 그려준다. 이때, 에어포일은 추력에 대한 반작용으로 항력이 발생하므로, 항력 또한 그려준다. 

 

마지막으로 양력과 항력의 벡터합이 바로 우리가 구하고자 하는 TAF(총 항공역학적인 힘)이 되겠다.

 

여기서 번외로 잠시 짚고 넘어가자면, 엄밀히 말하면 이 후 회전익에서의 에어포일의 TAF를 구해야 하므로 조금 더 보충설명하자면 단순히 '상대풍'과 직각으로 양력을 그리면 안된다는 것이다. 비록 위에서 설명할 때는 상대풍을 그린 이후 양력을 그리라고 순서를 잡았지만 여기에서는 조금 더 살펴봐야 하는 것이 있다. 바로, 받음각 개념이다.

 

고정익의 에어포일은 상대풍과 시위선이 이루는 각이 '받음각'이다. 그렇기 때문에, 상대풍과 90도가 되는 방향으로 양력을 그린 것이다. 이제 이해했는가? 엄밀히 말한다면 상대풍의 90도가 양력이 아니라, 시위선과 받음각을 이루는 상대풍의 90도가 양력이라는 것이다. 이해가 잘 안 되도 괜찮다. 다음 절차에서 보다 더 긴밀히 다룰 것이다.

 

 

회전익 TAF 그리기

1. 현재 살펴보고자 하는 에어포일의 모습을 정확히 그려라.

2. 시위선을 그려라. (이후 압력중심점 찍기) 

3. 상대회전풍을 그려라.

4. 유도기류를 그려라.

5. 합력상대풍을 그려라.

6.양력을 그려라.

7. 항력을 그려라.

8. TAF를 그려라

 

고정익에서와 달리 네 가지의 순서가 추가되었다. 굵게 표시한 네 가지가 그것이다. 에어포일이면 에어포일이지 왜 굳이 '에어포일의 모습'이라고 썼을까. 생각할 수도 있다. 그만큼, 회전익에서의 에어포일의 단면은 그 모양새과 위치에 따라 전혀 다른 기류가 형성되기 때문이다. 다음 글에 연재할 <퇴진 블레이드의 영역>에서 살펴볼 내용이지만, 회전익은 동일한 블레이드 내에서도 꼬인 정도가 다르고(그 이유는 예전 글에 달아놓았다. 헬리콥터의 로터 블레이드는 왜 뒤틀려 있을까?(로터 뒤틀림, 각속도와 선속도) 참고) 전진비행을 할 때, 전진 블레이드와 퇴진 블레이드가 구분되면서 무양력 영역이 발생하는데 이때, 블레이드의 에어포일 모습이 천차만별이기 때문이다. 따라서, 회전익에서는 '현재' 살펴보고자 하는 에어포일의 '모습'을 정확히 그려야 할 필요가 있다.

 

그려면 회전익 TAF를 그려보자.

 

회전익 에어포일의 TAF 그리기

 

그림에서 보면 알 수 있듯, 회전익에서는 회전상대풍과 합력상대풍의 개념이 있으며, 받음각이란 합력상대풍과 시위선 사이의 각도를 의미한다. 따라서 양력은 합력상대풍의 90도 방향으로 생성되게 그려야 한다. 

 

다음 글에서는 퇴진 블레이드에서의 양성실속, 양성양력, 무양력 영역에 대해서 살펴보고자 한다.