에어포일 관상학 개론 [시위선, 평균 캠버선, 받음각, 등등]

http://blog.naver.com/p47d/130089587413

 

 

비행기가 띄우는 힘은 염동력이나 피아노줄이라고 여전히 소리죽여 주장하고 있는 엑슁입니다. 그러나 이 비주류 학설은 아직도 받아들여지지 않고 있으니 좀 더 많은 이들이 공감하는 내용을 주절거려 볼까 합니다.

 

염동력이라면 역시 이 친구지요. 절대가련 칠드런의 카오루. 그러고 보니 작중에서도 몇 번 염동력으로 비행기를 들었다놨다 했군요....그나저나 요즈음 아저씨 컨셉에서 자꾸 사춘기 소녀가 되어가서 이 아저씨는 슬프답니다. 아저씨인편이 캐릭터적인 면에서 더 좋은데 말이죠. -ㅅ-

(출처 : http://sgcafe.com/cosplay-grouping/73166-interest-check-zettai-karen-children-photoshoot-only.html)

 

비행기를 띄우는 힘은 다들 아시다시피 양력입니다. 한자로 띄우는 힘이란 뜻이지요. 영어로는 Lift.

 

뻘소리 하나 : 학교 다닐 때 교수님 한 분이 미국 유학중에 토목과에서 항공과로 전향하신 뒤로 계속 NASA에 근무하시다가 다시 한국으로 돌아오신 분이 계셨는데, 이분이 수업중에 ‘Lift가 근데 한국 말로 뭐죠?’라고 물으시더군요. 우리말을 못하시는 것은 아닌데(우리나라에서 대학까지 나오신 분) 항공우주를 미국에서 배우기 시작하신 분이라 항공관련 용어는 우리말로는 잘 모르시더만요...

 

이 힘의 정체가 무엇인지에 대해서는 뭐 압력이 어쩌고 운동량이 어쩌고 다양한 방식으로 설명이 가능합니다만, 여하간에 확실한 것은 날개에서 생긴다는 점입니다. 더 정확히는 ‘주변에 공기가 흐르고 있는 날개’에서 생기지요. 여기서 중요한 것은 날개 주변에 공기가 흘러야 한다는 점입니다. 가만히 있는 날개는 그냥 돼지날개지요.

 

게다가 이 공기 흐름의 속도가 빨라지면 빨라질수록 양력도 많이 발생합니다. 반대로 말하자면 속도가 느리면 느릴수록 양력 발생량이 적으므로 항공기가 뜰 수 없지요. 예, 그래서 비행기는 활주로에서 가속을 해서 일정속도 이상이 되어야만 자기 몸 하나 건사할 정도의 양력을 만들어낼 수 있게 됩니다(거기다가 각종 보조장치의 도움을 받기도 하지만..이 이야기는 다음 기회에). 바람이 불어와주지 않으니 스스로 바람을 가르며 달려나가서 양력을 만들어낼 수 밖에요. 하지만 바람이 불어와주면 매우 땡쓰인 상황이 됩니다.

 

이를테면 시속 300km/h를 달려야 비행기를 띄울 만한 양력이 생기는 상황에서, 10km/h 속도의 맞바람이 불어와준다면 비행기는290km/h의 속도로 달려도 날개 입장에서는 300km/h의 맞바람이 불어오는 격이 되니까요. 이 때문에 대부분의 경우, 항공기는 맞바람을 받으며 이륙합니다(착륙 때도 마찬가지).

 

그럼 이 날개는 어떻게 양력을 만들어 내는가 하니 공기의 방향을 아래쪽으로 바꾸어서입니다. 그러기 위해서 날개는 대부분 특정한 단면형상을 가지고 있지요.

 

이를 날개단면 형상, 혹은 에어포일(airfoil, 영국친구들은 aerofoil이라 부른다는 듯)이라고 합니다. 어원이 정확히 어찌되는지 모르겠는데foil이란 단어에 잎사귀 모양 장식이란 뜻이 있다니, 이것이 아닐까 싶습니다만....(그리고 foil에는 얇은 금속판이라는 뜻도 있지요. 이를테면 알루미늄 호일(포일)...)

 

 

 

번역하자면...

Thickness : 두께

Camber : 캠버(...)

Mean Camber Line : 평균캠버선

Chord : 시위

Chord Line : 시위선

Seling 3021은 이 에어포일의 이름이며, 두께비 12%인 에어포일이라 합니다.

http://www.aerosente.com/tom-martins-guide-to-aeronautical-terminology-and-equations.html

 

현재 주로 항공기들이 쓰고 있는 에어포일은 대부분의 앞은 둥그스름하고 뒤는 뾰족한 유선형입니다. 여기에 사용 목적등에 따라 어느 정도 등이 구부러져있지요. 여기서 둥그스름한 날개 앞쪽을 날개앞전(Leading Edge, 약자로 L.E.)라고 부르고 날개 뒤쪽은 날개뒷전(Trailing Edge, 약자로 T.E.)라고 부릅니다.

 

보통 에어포일의 앞쪽 끝에서 뒤쪽 끝까지를 잇는 직선을 시위(Chord)라고 합니다. 활 시위의 그 시위지요. 에어포일을 하나의 활로 보면,이 시위라는 가상의 선은 마치 활 시위처럼 생기다 보니 이런 이름이 붙은 듯합니다.

 

그리고 에어포일이 굽어 있는 것을 캠버(Camber)라고 합니다. 영어사전 찾아보면 가운데가 레알 돋아있는 불룩한 형상을 말한다고 하지요. 특히 에어포일 중심을 잇는 선을 평균캠버선(Mean Camber Line)이라 부릅니다. 이 캠버형상은 에어포일의 특성을 결정짓는 중요한 역할을 하지요.

 

그리고 받음각. 받음각은 영어로 Angle of Attack이라 부르며 약자로 AoA라고 쓰거나 그리스어 문자인 알파(α)로 표기하기도 합니다. 날개가 받는 바람의 각도라고나 할까요? 과거 서적에는 한자로 영각(迎角: 맞이할 영), 앙각(仰角: 올림각이란 뜻)이란 표현을 쓰기도 했으며Angle of Attack을 그대로 직역하여 공격각이라 쓴 책자도 있습니다. 왠지 무시무시한 용어가 탄생하는 군요(하긴 저 AoA라는 단어를 처음 접한 영어권 학생들도 무시무시하게 느껴졌을 듯 합니다만).

 

받음각은 날개에 있어서 매우 중요한데, 이것이 커지면 커질수록 양력이 늘어나기 때문입니다. 쉽게 생각하면 받음각이 커질 수록 공기는 더 많이, 더 급격하게 아래로 굽어 흘러야 하기 때문이지요.

  

 

 

 

 

 

받음각을 이해하는데 도움이 될 만한 그림들.... 첫 번째 사진의 콩코드 여객기는 '착륙'중입니다. 즉 고개를 치켜들고 있지만 비행방향은 위로 떠오르는 방향이 아니라 활주로로 내려앉는 방향이되지요. 그러면 날개 입장에서는 맞바람이 아래에서 불어오는 격이 됩니다. 즉 날개는 바람방향에 평행하지 않고 일정각도를 이루게 되지요. 이것이 바로 받음각입니다.

 

두번째 그림이 이 받음각을 설명하는 내용입니다. 날개는 지금 위를 향하고 있는 것이 아니라 앞을 향해 나가고 있고, 바람은 날개 입장에서 보자면 아래에서 불어오게 되지요. 이때 날개와 바람이 이루는 각도가 바로 받음각(Angle of Attack)입니다.

(출처 : http://www.langleyflyingschool.com/Pages/Aerodynamics%20and%20Theory%20of%20Flight.html)

(출처 : http://www.flightglobal.com/blogs/flight-international/2009/04/concorde-in-the-flight-archive.html)

 

자, 그럼 아까 캠버도 그렇고 이 받음각도 그렇고, 어째서 ‘공기는 에어포일 주변에서 아래로 굽어 흐르면서 양력을 만들어내는가...?‘에 대한 설명은 저번에 제가 써놓은 링크로 대신합니다. 다시 쓰기 귀찮.....(http://blog.naver.com/p47d/130087208389)

 

어떤 에어포일이 크고 아름답고 좋은 에어포일인가. 뭐 이건 결국 상황에 따라, 사용목적에 따라 천차만별로 달라집니다. 그러다 보니 에어포일의 종류도 각 상황에 맞도록 새로 개발되어왔고, 그 결과 에어포일의 종류가 어마무지 다양합니다.

 

이 에어포일이란 것에 대해 체계적인 실험이 이뤄진 것은 19세기 말엽의 일로, 몇 몇 선구자들이 간단한 풍동을 만들어 실험해 가면서 ‘비행을 제대로 하려면 에어포일이 짱 중요함.’이란 사실을 알아냈지요. 초창기의 에어포일은, 뭐 에어포일이란 명칭이 무색할 정도로 그냥 둥글게 휜 뼈대에 천하나 씌워놓은 형태였습니다. 초등학교 때 많이 날리던 고무동력기의 날개랑 별반 다를 바 없지요.

 

뻘소리 : 고무동력기 이야기가 나와서 하는 말이지만, 저는 학창시절에 고무동력기 대회에는 꼬박꼬박 참가했는데 항상 결과는 이뭐병이었습니다. 보통 태반은 시험비행(을 가장한 재미있는 비행기 날리기 놀이)중에 어딘가에 부딪혀서 망가지기 일쑤였지요. 제일 흔한 손상은 역시 날개 찢어지기. 남는 종이와 풀로 BDR (Battla Damage Repair : 전투 손상 복구, 참고로 진짜 전투기들도 전시에 구멍나면 응급땜방으로 다른 금속판 덧댄 다음 리베팅해버립니다). 해보면 비행성능은 늘어난 무게탓에 엉망이 되죠. 아니면 항공기의 수명한계를 고려치 않은 무리한 운행(즉 쉬는시간 마다 나가서 날려보기) 때문에 정작 시합 직전에 프로펠러 감다가 고무줄이 끊어진다던지... -_-

 

 

사실 이 당시 에어포일들이 휘어 있기는 오라지게 많이 휘어 있으면서도(즉 캠버가 크면서도) 얇기는 매우 얇게된 이유는 제작상의 편의나 그런 문제도 있었지만 잘못된 실험방법의 문제가 컸습니다. 당시나 지금이나 이런 날개 실험에는 풍동을 사용했는데, 이 당시 실험자들이 레이놀즈수에 대해 잘 몰랐던 것이 화근이지요. 레이놀즈수라는 것은 쉽게 생각하면 유체(공기건 물이건)의 점도를 나타내는 수치인데, 당시 실험에 사용했던 느린 풍동 + 작은 모형은 레이놀즈 수(Reynolds Number)가 매우 작아지는 역할을 했습니다. 이런 상황에서는 두께가 얇고 캠버가 큰 에어포일일 수록 효율적이라는 결과가 나오지요.

 

하지만 현실은 달랐습니다. 실제 비행하는 (그래도 모형 보다는) 빠르고 크기도 큰 글라이더/비행기는 레이놀즈수가 더 커지기 마련이고,저 실험결과는 잘 맞지 않지요. 이 이상과 현실이 다른 현시창인 상황은 대략 라이트 형제가 최초로 비행하고 나서 한 10년은 이어졌습니다.

 

결국 실제비행기를 가지고 이래저래 몰아보던 사람들은 실제 비행기에는 두꺼운 날개가 더 좋다는 것을 깨닫게 됩니다. 그래서 단면이 더 두꺼운 에어포일들이 등장하기 시작했지요.

 

 

 

에어포일 변천사. 대략 1910년경 이후부터 두꺼운 에어포일이 슬금슬금 등장합니다. 이렇게 두꺼운 에어포일이 등장하기 시작한 이유는, 처음에는 날개 밖에 얽기섥기 쳐져있는 날개구조 보강용 지지대와 철사들을 전부 없애고(항력, 즉 공기저항 감소가 목적) 날개 내부의 구조물로만 강도를 유지하려다 보니 두꺼운 날개를 만들기 시작했다고 합니다. 그런데 이런 두꺼운 날개가 사실 얇은 날개보다 더 좋더라...라는 것을 관계자들이 경험적으로 알게되었다나요. X인지 된장인지는 찍어 먹어보는 것이 제일 확실...

(출처 : http://adg.stanford.edu/aa241/airfoils/airfoilhistory.html)

 

 

 

 

 

당장 라이트형제의 비행기만 봐도 이 두께의 변천을 알 수 있습니다. 1903년 최초 비행시 썼던 항공기, '플라이어'의 날개는 매우 얇았지만(위쪽 사진), 1911년에 라이트형제가 만든 항공기는 날개 두께가 더 두꺼워졌습니다. 다만 날개 밖에 있는 보강재와 와이어들은 여전히 있군요..(사진 위쪽 것은 박물관의 모형, 아래 것은 레플리카)

(출처 : http://www.museumofflight.org/aircraft/wright-1903-flyer-replica)

(출처 : http://www.richard-seaman.com/Wallpaper/Aircraft/Civil/Replica1911WrightFlyer.jpg)

 

 

에어포일의 ‘두껍다’ ‘얇다’는 보통 에어포일의 두께비로 표현합니다. 시위선에 비하여 최대두께가 얼마나 두꺼운가로 나타내는 비율이지요. 보통 경비행기처럼 느린 비행기는 한 10~15%정도의 두께비를 갖는 에어포일을 많이 씁니다. 이정도면 에어포일중에는 상당히 두꺼운 축에 속하지요.

 

에어포일이 두꺼우면 여러모로 좋습니다. 먼저 구조적으로 가볍게 만들기 좋지요. ‘두꺼운데 왜 가볍냐?’라고 생각하실지도 모르지만, 일정 하중을 버티는 구조물을 만들 때는 폭이 넓을수록 좋습니다. 이를테면, 빨대 두 개를 딱 붙였을 때보다 빨대 두 개를 구부리는 방향에 대해서 한 1cm 벌려 놓았을 때가 더 잘 안구부러지지요(같은 이유로 공사장에서 쓰는 철골, 즉 I빔이 위 아래 두꺼운 뼈대가 지나가고 그 사이 간격을 유지해주는 얇은 판이 있는 것입니다). 즉 날개가 두꺼워질수록, 일정 하중을 버티는 날개를 만들 때 더 적은 구조적 보강으로도 동일한 강도를 유지할 수 있게 되는 셈입니다. 반면 날개가 얇으면 더 많은 구조적 보강이 필요하므로 실제로는 같은 정도의 힘에 버티려면 날개가 얇아질 수록 오히려 무게는 무거워지지요.

 

더불어 에어포일이 두꺼우면 안에 연료를 집어넣기 좋습니다. 대부분의 비행기는 날개에 연료를 집어넣고 다닙니다. 그런데 두꺼워서 내부 공간이 많이 남아돌면 당연히 연료도 더 많이 넣을 수 있지요.

 

이렇게 두꺼우면 몸에 좋고 맛도 좋은 에어포일이지만, 오히려 이게 비행기의 발목을 잡을 때가 있습니다. 바로 고속비행시지요.

아시다시피 에어포일 위쪽은 주변보다 공기가 더 빠르게 가속됩니다. 그러다 보니 비행기의 속도는 한 마하 0.6인데 날개 위쪽 공기는 마하1.0을 넘어버리는 경우도 생기지요. 이렇게 되면 날개 위에서 충격파가 발생, 항력이 급격히 증가하게 됩니다. 문제는 날개가 두꺼우면 두꺼울수록 더 발리 충격파가 발생한다는 점입니다. 이를테면 다른 건 똑같고 두께만 다른 에어포일이 있을 때, 두꺼운 날개는 마하 0.6에서 충격파가 발생하지만 얇은 날개는 마하 0.8에서 충격파가 발생하는 경우가 생긴다는 점이지요. 보통 이런 상황이 되면 두꺼운 날개를 가진 항공기는 마하 0.6이 최대속도가 되어버리고, 얇은 날개의 항공기는 마하 0.8이 최대속도가 되어버립니다.

 

그럼 비행기의 자체 속도가 마하 1.0을 넘어 초음속 비행을 하고 있는 상황이라면? 이 경우에는 아예 날개 앞에서 충격파가 발생합니다. 하지만 이때도 두꺼운 날개는 더 큰 항력을 만들어 냅니다. 고속 비행시에는 “두께 섭취는 몸을 무겁게 할 뿐.” 이랄까요....

 

 

  

초음속 전투기인 F-16과, 저속 공격기인 A-10의 날개 비교. F-16의 날개 두께비는 4%(사용 에어포일은 NACA64A204). A-10의 날개 두께비는 날개 뿌리쪽이 16%(NACA6716), 날개바깥족은 13%(NACA6713)입니다. 즉 날개 앞뒤 폭, 즉 시위길이가1m인 날개라고 가정하면 F-16의 경우에는 최대두께가 4cm, A-10은 16cm가 된다는 셈이지요... A-10의 경우 날개뿌리쪽이 더 두꺼운 이유는, 날개뿌리가 가장 힘을 많이 받는 부분이므로 튼튼하게 만들필요성도 있고, 또 이 부분은 보통 연료탱크가 들어가므로 더 크게 만들어서 조금이라도 더 많은 연료를 넣기 위해서이기도 합니다.

(출처 : http://calnikont.com/extrastuff/airplanes.html)