보배드림

기초 항공역학

항공기는 인류의 과학, 공학기술의 결정체이다. 기술과 각종 시스템이 고도로 집약된 것이 항공기인 것이다. 그 항공기가 어떻게 자유롭게 비행하는지에 대해서 알기 위해선 그 안에 내포되어 있는 수많은 원리와 기술을 이해해야만 한다.
우선 그 첫 번째로 항공에 관련되 기초 지식들을 소개하고자 한다.

비행기를 날 수 있게 하는 원동력은 무엇일까? 아마도 누구나 '날개가 있기 때문이다'라고 대답할 것이다.
그럼 날개에서 어떤 일이 일어나기 때문에 날 수 있을까? 또 날개만 있으면 다 날 수 있을까? 예를 들어 새를 생각해보자. 새는 날개를 가지고 있어서 날 수 있다. 하지만 모든 새가 다 날 수 있는 것이 아니다. 타조를 생각해 보면 다른 새들과 같이 날개를 가지고 날개 짓을 하지만 날지 못한다. 왜 그럴까? 이런 의문들이 풀리게 된다면, 여러분은 비행기가 어떻게 뜨는가에 대해서 조금은 이해하게 된 것이라고 생각한다. 그럼 지금부터 이것들에 대하여 알아보도록 하자.

비행기 주위에 발생하는 힘

비행기가 비행 중에 있을 때 비행기에 작용하는 힘은 크게 4가지로 나룰 수 있다. 그것은 바로 추력, 항력, 중력, 양력이다. 우선 추력은 엔진에 의해 앞으로 나가는 힘, 즉 비행기의 속도를 내는 추진력을 의미한다. 그리고 항력은 비행기가 앞으로 나갈 때 비행기의 자체 모양이나 동체나 날개 그 부착물 등에 의해 앞으로 나가는 것을 방해하는 힘 즉 저항력을 의미한다. 또한 중력은 비행기가 날고 있을 때 비행기의 자중에 의해 지구 중심 방향으로 작용하는 힘이다. 그리고 마지막으로 비행기가 나는데 있어서 가장 중요한 힘인 양력이다. 이것은 바로 비행기를 날 수 있게 하는 원동력이다. 이 4가지 힘들이 날개 단면(airfoil)에 작용한다고 생각했을 때 아래의 그림과 같이 표시된다.

양력이란?

양력이란 앞에서 말한 것과 같이 비행기에서 뜨는 힘을 지칭한다. 위에서도 말한 것과 같이 비행기를 뜨게 하는 힘이 발생되는데 이것이 바로 양력이다. 동체에서도 날개와 같이 양력이 발생될 수도 있지만 그것은 날개에서 발생되는 양력에 비해 아주 적은 부분을 차지하므로 무시 할 수 있다. 그러므로 양력은 날개에서 생기는 것으로 생각한다. 물론 헬리콥터에서는 회전동력에 의해 블레이드 하나 하나에 의해 양력이 발생한다.

에어포일 주위의 공기의 흐름

그러면 왜 날개에서는 양력이 발생할까? 날개를 횡축(항공기에 조종석과 꼬리날개를 이은 선에 연장선이라고 가정하자)을 기준으로 단면을 잘라서 나오는 날개단면의 모양을 에어포일(airfoil)이라 한다. 그림과 같이 공기는 에어포일 주위를 흐른다. 실제 에어포일 주위의 공기 흐름은 공기의 성질에 따라서 아주 복잡하게 형성될 수도 있지만, 여기서 공기는 아주 이상적인 성질을 가지고 생각하자. 즉, 에어포일에 달라붙어서 흐른다고 가정하는 것이다.

이 과정은 동일시간 내에 일어나는 것이므로 윗면의 공기입자는 아랫면의 공기입자보다 같은 시간 내에 더 많은 거리를 이동하게 된 것이다. 다시 말해서 날개단면의 윗면과 아랫면을 직선으로 펼쳤을 때 그 길이는 윗면의 길이가 아랫면의 길이보다 더 길기 때문에(왜냐하면, 에어포일의 형상은 윗면이 더 굴곡져 있으므로) 더 많은 거리를 이동했음을 의미한다. 따라서, 동시에 출발한 공기입자 둘이 같이 날개 뒷전(에어포일 제일 뒷쪽)에서 만나게 되므로, 윗면과 아랫면의 속도를 비교해 보면 같은 시간에 상대적으로 많은 거리를 이동한 윗면의 속도가 아랫면의 속도보다 크게 된다. (왜냐하면 속도=이동거리/시간 이니깐) 그러므로 같은 에어포일 내의 윗면과 아랫면이 상대적인 속도 차를 가지게 된다. 압력과 속도는 반비례하므로(베르누이의 법칙에 의거해서) 에어포일 상에서 속도가 더 빠른 윗면이 더 작은 압력을 갖게 되는 것이다. 결국, 위에서 누르는 압력보다 속도가 더 느린 아랫면에서 올려주는 압력이 더 크게 되므로, 항공기를 날게 하는 힘(양력)을 낼 수 있는 것이다.

날개 상하면의 압력차

압력차가 발생되는 이유는 위아래면의 속도차가 나기 때문일 것이다. 예를 들어 생각해보자. 보통 일상생활에서 쓰이는 종이의 양끝을 잡고, 그 끝의 중간 부분에 여러분들의 아래입술을 종이의 윗면에 대고 바람을 불어보자. (이때 종이가 너무 두껍고 또 무거우면 잘 알 수 없으므로 얇은 종이를 사용하기 바란다.) 이 때 허공에다 바람을 불면 소용이 없고 바람이 종이 윗면을 타고 갈 수 있도록 입술에 댄 종이 부분을 조금 곡면지게 하여 바람을 불어야 한다. 실제로 이렇게 해보면 종이는 아래로 내려가려고 하는 것이 아니라 오히려 위로 뜨려고 할 것이다. 이 이유는 무엇일까? 이것이 바로 비행기가 날 수 있게 하는 원동력이 발생되는 원리이다. 여기서 윗면은 바람으로 인해 속도가 빠르고 아랫면은 정지해 있는 공기이므로 윗면에 비하여 아랫면의 속도가 느린 것이다. 속도가 빠른 종이의 윗면은 속도가 낮은 아랫면보다 상대적으로 낮은 힘이 발생하게 되므로 종이의 상·하면에는 그 만큼의 압력차가 생기는 것이다. 이것이 바로 속도차이에 의해 압력차가 발생되는 것을 보여주는 실질적인 현상이다. 이것을 에어포일에 적용하여 생각해보면 이해가 쉬울 것이다. 여기서 베르누이 방정식을 이용한다면 이해가 좀 더 자세하고 논리적으로 알 수 있을 것이다.

 

양력발생

지금 자신의 손바닥을 가슴 앞에서 마주 대보자.
양쪽에 같은 힘을 주면 아마도 평형상태가 될 것이다. 그러나 여기서 양쪽 손 중 어떤 손이든 간에 힘을 더 많이 주게 되면 힘을 더 많이 주게되는 방향으로 손의 위치가 이동하게 될 것이다.
여기서 힘이 크기가 다르면 힘이 큰 쪽에서 작은 쪽으로 그 둘의 차만큼 힘이 작용한다는 것을 알 수 있을 것이다. 이것을 다시 에어포일에서 생각해보면, 에어포일 위아래에서는 모두 압력이 작용하는데, 크기가 다른 이 압력들은 앞에서와 같이 위아래의 압력차이가 발생하게 된다.
힘은 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 발생하게 되므로 압력이 큰 날개 아래면에서, 압력이 작은 날개 윗면으로 어떤 힘이 발생하게 된다.

힘은 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 발생하게 되므로 압력이 큰 날개 아래면에서, 압력이 작은 날개 윗면으로 어떤 힘이 발생하게 된다. 이 힘이 바로 비행기를 뜨게 해주는 힘인 양력인 것이다. 그러나 날지 못하는 것은 몸무게가 너무 많이 나가서, 즉 양력보다 중력이 크기 때문에 날지 못하는 것이다. 결론적으로 비행기가 날기 위해서는 날개에서 발생되는 양력이 자체 하중보다 많이 발생되어야만 날수 있는 것이다

양력이 발생하는 원리를 이용한 것들

우리는 지금까지 양력이 발생되는 원리를 잠시나마 짚어보았다. 우리 주위를 살펴보면 이러한 양력이 발생되는 원리와 유사한 현상을 주위에서 찾아 볼 수 있다.

우선 야구에서 투수가 공을 던질 때 공이 변화하는 곳을 볼 수 있을 것이다. 이것은 투수가 공을 던질 때 공에 회전이 가해지는데 이때 그림과 같이 공이 회전하고 그 주위를 공기가 지나간다. 그러면 공기의 흐름방향과 같은 방향인 곳은 속도가 빠를 것이고 또 반대방향인 곳은 그 만큼 속도가 작을 것이다. 그러므로 이러한 윗면과 아랫면의 속도에 차이로 압력차이가 발생하고 더 나아가서 힘이 발생하게 되고, 이 힘이 공을 변화하게 만들게 된다. 이것을 마그너스(Magnus) 효과라고 한다. 그리고 이런 공의 회전의 방향을 바꾸어 주게 되면 공의 변화하는 방향을 바꿀 수 있는 것이다. 실제로 이러한 마그너스 효과를 공에 적용하게 된다면 공은 떠오르게 될 것이다. 그러나 앞에서의 타조와 같이 대부분의 경우가 양력이 공의 무게를 이기지 못하므로 이런 경우를 보기 힘든 것이다. 만약 충분한 회전과 빠른 속도가 있다면 가능 할 수 있을 것이다.

또 경주용 자동차를 보면 그러한 원리를 이용한 것이 있다. 그것은 앞과 뒤에 달린 스포일러이다. 그것을 측면에서 자세히 살펴보면 에어포일 단면을 뒤집어 놓은 것 같은 모양일 것이다. 이것은 자동차가 빠르게 달리다보면 공기의 저항 뿐 아니라 양력이 발생하여 자꾸만 뜨려고 하는 현상이 발생하게 되는데 특히 경주용 자동차 같은 경우는 빠르게 달리기 위하여 공기의 저항을 최소화하는 유선형 몸체를 사용하고 또 차체도 가볍고 튼튼한 것으로 사용하기 때문에 그러한 영향이 크게 된다. 그러면 자동차 성능에도 많은 영향을 미치게되므로 이러한 장치를 사용한다. 이것을 사용하게 되면 날개에서 양력이 발생되는 원리와 같이 그와 같은 힘이 방향이 반대방향인 즉 땅 쪽으로 발생하게 된다. 그렇게 함으로서 자동차는 땅에 잘 접촉하여 더 빨리 달리 수 있게 되고, 그 만큼 자기의 성능을 발휘할 수 있게 된다.

그 외에도 많은 실질적인 예들이 우리 주위에 많이 있다. 그런 것들을 자신들이 스스로 찾아보는 것도 재미있을 것이다.

그러나 서두에서 말한 것과 같이 비행기의 날개에 양력이 발생된다고 해서 언제나 날게 되는 것은 아니다. 이 양력이 하중보다 크도록 발생되어야만 비행기는 뜨게 되는 것이다. 즉 다시 정리하면 비행기의 엔진에서 나오는 추력이 앞으로 움직이면서 받게 되는 저항, 즉 항력보다 크게 되고, 이 추력에 의해 발생하는 양력이 비행기의 하중, 즉 중량을 이겨야만 비행기는 날게 되는 것이다. 그리고 참고로 우리가 앞에서 생각해왔던 윗면은 곡면이고 아랫면은 평평한 에어포일을 아주 기본적인 모양이다. 에어포일 단면은 수많은 종류가 있고, 또 그에 따라 비행특성이 다 다르다. 지금은 여러 가지 모양의 에어포일을 연구하여 각각의 목적에 맞는 특성을 가진 고성능의 에어포일이 많이 개발되었다. 그 각각의 에어포일의 모양에 따라 날개 주위에 공기 흐름이나 양력, 항력의 발생되는 크기도 각각 다르지만 ss양력이 발생되는 원리는 변함이 없다. 아마 지금도 더 많은 양력을 발생시킬 수 있는 고성능의 에어포일이 계속 연구되고 있을 것이다.

받음각

이렇게 공기의 에너지 때문에 판이 수직 상방으로 들려지는 힘을 양력(揚力 : Lift))이라고 하고, 판을 뒤로 미는 것과 같이 후방으로 작용하는 힘을 항력(抗力 : Drag)이라고 부른다. 이 경우 판이 무게에 의해서 아래 방향으로 떨어지려는 힘이 작용하게 되는데, 이 힘은 중력(重力 : Gravity)이라고 부른다. 그래서 이 중력은 수직 위로 들어올리려고 하는 양력과 반대되는 힘으로서 작용하게 된다.

그리고 판이 항력에 의해 뒤로 밀리지 않게 전진방향으로 잡아주는 힘도 판에 작용하게 되는데 이 힘을 추력(推進 : Thrust)이라고 하고, 역시 항력과 반대되는 역할을 하게 된다.

판을 약간 기울이면 이렇게 4가지 힘이 종합적으로 발생하게 되는 것이다. 이 경우 받음각은 바람의 방향에 대해서 기울인 판의 각도를 말한다. 아랫쪽 그림에서 보면 평행으로 불어오는 바람의 방향에 대해서 약 30도 정도 판을 기울인 모습이므로 이 판의 받음각은 30도라고 말할 수 있다.

주의할 것은 받음각은 항공기와 지평선 사이의 각이 아니라, 항공기 주날개의 시위선(Chord Line)과 상대풍(Relative wind) 사이의 각을 말하는 것이란 점이다.

 

출처:초경량비행동호회 게시글