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항공기/항공지식(전문)

에어포일(Airfoil)

by SPECIAL 호기심심풀이 2020. 7. 13.
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에어포일(Airfoil)


에어포일이란 공기가 이동하는 곳을 통하여 공기로부터 양력을 얻도록 설계된 표면


공기 저항을 양력으로 변환하는 어떤 부분이라도 에어포일이라고 말할 수 있다.


날개의 상단 표면위로 흐르는 공기는 날개 아래로 흐르는 공기와 동일한 시간 내에 날개의 끝단에 도달해야 한다. 이를 위해 상단 표면 위로 지나가는 공기는 그것이 상단 면을 따라 이동해야 하는 더 긴 거리 때문에 아래보다 더 빠른 속도로 이동한다. 이 때 베르누이 원리에 따라 증가된 속도는 표면에 상응하는 압력을 감소시킨다. 그래서 아래와 윗면의 압력차로 인해 공기의 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하려고 날개를 위쪽으로 밀어내게 된다.


양력은 받음각, 날개면적, 속도, 공기의 밀도를 증가시키거나 에어포일의 형태를 변형하여 증가될 수 있다. 항공기의 날개에 발생하는 양력이 중력과 같을 때 항공기는 수평비행을 유지한다.





에어포일의 형태(Shape of the Airfoil)


날개는 날개 뿌리로부터 날개 끝까지 경사, 꼬임, 후퇴 여러가지의 에어포일 단면을 갖게 된다. 날개의 공기역학적 특성은 날개 길이를 따라 각각 단면의 작용에 의해 결정된다. 그 결과로 에어포일의 모양은 난류 또는 표면 마찰의 양을 결정하여 날개의 효율에 영향을 미친다. 난류와 표면 마찰은 최대 두께에 대한 에어포일 시위(chord)의 비율이라고 정의된 종횡비의 영향을 주로 받는다.


만약 날개가 높은 종횡비를 갖는다면, 그것은 아주 얇은 날개이다. 두꺼운 날개는 낮은 종횡비를 갖는다. 높은 종횡비를 가지고 있는 날개는 많은 양의 표면 마찰을 일으키고, 낮은 종횡비를 가지고 있는 날개는 많은 양의 난류를 일으킨다. 그래서 최상의 날개는 난류와 표면마찰 모두를 최소로 유지하도록 절충된 형태이다.



날개의 효율은 양항비(lift to drag ratio: L/D)로 결정된다. 양항비는 받음각에 따라 변하지만 특정한 받음각에 대해 최대값을 갖는다. 이 각도에서 날개는 최대효율을 갖는다. 에어포일의 모양은 날개가 가장 효율적인 곳에서 받음각을 결정하는 요소이다. 가장 효율적인 에어포일은 날개의 전면에서 뒤쪽으로 약 1/3지점에서 최대 두께를 갖는다.


고양력 날개와 고양력 장치는 에어포일을 형상화시켜 바람직한 효과를 만들어내도록 개발되었다. 날개캠버(camber)가 증가하면 에어포일에 의해 발생한 양력도 증가한다. 캠버는 시위선(chord line) 면 위쪽과 아래쪽에 에어포일의 만곡을 말한다. 상부 캠버는 윗면을 말하고, 하부 캠버는 아랫면, 그리고 평균 캠버는 단면의 평균선을 말한다.




붙임각(Angle of Incidence)


항공기의 세로축과 이루는 날개시위의 각도를 붙임각이라고 부른다. 대부분의 경우에 붙임각은 고정된 각도이다. 날개의 앞전이 뒷전보다 높을 때, 붙임각은 양의 값이라고 말한다.





받음각(Angle of Attack - AOA)


그림에서 보는 것과 같이, 에어포일의 시위 또는 날개단면은 앞전과 뒷전까지 단면을 거쳐 지나가는 가상의 직선이다.



시위선은 궁극적으로 AOA를 형성하는 각도의 한 면을 제공한다. 각도의 다른 쪽은 상대기류의 방향을 나타내는 선으로 형성된다. 그래서 받음각은 날개의 시위선과 상대풍의 방향 사이의 각도로 정의된다. 붙임각과 혼동하지 말아야 한다.


에어포일 또는 날개면의 각 부분에는 작은 힘이 존재한다. 이것은 이 지점에서 앞쪽 또는 뒤쪽으로 다른 지역에 작용하는 어떤 힘과는 크기와 방향이 다르다. 수학적으로 이들 작은 힘을 모두 더하는 것은 가능하며 그합을 합성력. 즉, 양력이라고 말한다.


이 합성력은 크기, 방향 그리고 위치를 갖고 있으므로 벡터로 나타낼 수 있다. 에어포일의 시위선과 합성력선의 교차 지점은 압력중심이라고 한다. 압력중심은 받음각이 변화할 때 에어포일 시위를 따라 이동한다. 대부분 비행범위에 걸쳐서 압력중심은 받음각이 증가할 때 앞쪽방향으로 그리고 받음각이 감소할 때 뒤쪽방향으로 이동한다.


받음각은 항공기 자세가 변할 때 변화한다. 적절하게 설계된 에어포일에서 양력은 받음각이 증가되었을 때 증가한다. 받음각에 의해 양력이 증가할 때 항력도 증가한다.


받음각이 최대양력의 각도로 증가할 때, 박리점에 도달하며 이것을 임계각이라고 하는데 임계각에 도달했을 때 공기는 에어포일의 상단면 위로 원활하게 흐르지 못하고 박리와 소용돌이가 발생한다. 이 현상이 발생할 때, 양력의 양은 감소하고 항력은 과도하게 증가한다. 이로인해서 실속이 발생한다. 그러므로 박리점이 되는 각도가 실속각이 된다.





경계층(Boundary Layer)


경계층은 경계면 바로 가까이에 있는 유체의 층이다. 항공기에서 경계틍은 항공기의 표면에 가장 가까운 공기흐름이다. 고성능 항공기를 설계하기 위해서는 경계틍의 작용을 제어하여 압력항력과 표면마찰항력을 최소화하도록 상당한 주의를 기울인다.



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