각 평면날개의 특징
실속
먼저 실속에 대해 알아 보겠습니다.
실속은 공기의 흐름이 날개의 모양을 따라 흐르지 못하고 분리되었을 때 일어납니다.
실속이 일어나면 가장 큰 특징은 양력이 사라집니다.그리고 항력의 증가가 일어 납니다. 만약에 이러한 항력을 보상할만큼의 추력이 제공되지 못한다면 비행기는 감속되어 충분한 양력이 발생하지 않습니다.
날개 전체로 볼때 날개의 뿌리부분에서 실속이 일어나는것이 이상적입니다.
만약 한쪽 날개 끝에서 실속이 생길시 그부분에서는 양력이 없어 지므로 날개가 밑으로 떨어 집니다.(즉 롤링 모멘트가 발생 합니다.)
그러면 날개의 유효 받음각은 더욱 증가 하므로 실속이 심화 됩니다.(거기다 날개의 롤링모멘트의 제어를 담당하는 에어로론은 주로 날개끝에 있으므로 조종면까지 실속영력에 들어가게 되면 자세의 회복도 힘들어 집니다.)
반대로 올라가는 날개끝에서는 유효 받음각이 감소하면서 날개끝의 실속을 막아 주게 됩니다.
그리고 실속 발생시 항력도 발생 시킴으로 실속이 생긴 날개가 뒤로 갈려고 하는 요잉모멘트도 발생 시킵니다.(이 역시 항력이 생긴 날개쪽은 속도가 느려짐으로 실속의 심화가 발생합니다.)
이 롤링모멘트와 요잉모멘트로 인해 위험한 스핀에 빠질수가 있습니다.
그로 인해 실속은 날개 뿌리쪽에서 발생하는것이 긍정적입니다.
(더욱더 자세한 실속에 대한거는 김상룡님의 [항공이론] 3. 비행이론편 Part.2 - 실속은 왜 일어나는가?를 봐주세요~)
1.직선익(Rectangular Wing)
직선익은 날개 끝에서가 내려흐름이 가장 큽니다.
전에도 이야기 했듯이 이 내려흐름은 날개 앞으로 오는 공기의 유동까지 바꿔 놓습니다.
그로 인해 날개 전체의 붙임각이 같더라도 날개 끝이 가장 유효 받음각이 작습니다.
즉 날개뿌리보다는 날개 끝이 유효 받음각이 작음으로 주로 실속은 날개 뿌리에서부터 시작됩니다.
이런 안전한 실속특성때문에 아마추어 조종사들이 조종하는 경비행기들은 주로 직선익입니다.
그리고 직선익이 제작이 쉽고 가격도 저렴합니다.
2.후퇴익(Swep Wing)
비행기가 음속에 가까워지면 공기흐름이 초음속 형태로 변합니다.
저속 흐름과 초음속 흐름의 항공역학적 특성이 많이 틀려 조종 및 안정에 관계된 특성이 급격하게 변화합니다.
이러한 문제발생을 줄이기 위해 날개를 뒤로 제치거나, 또는 앞으로 제치게 됩니다.
후퇴익의 효과(장점)
날개에 공기흐름의 속도를 두 개의 성분으로 나누어 보겠습니다.
하나는 날개축에 수직인 성분이고 하나는 날개축에 평행한 성분입니다.
만약 후퇴각이 충분하다면 비행기가 음속보다 빨리 비행해도 수직성분은 음속보다 작을수가 있습니다.
실제 날개에 수직성분만이 양력발생에 기여하므로 비행기는 초음속으로 비행하여도 날개의 특성은 아음속이 됩니다.
그러므로 앞에서 말했던 조종 및 안정에 관계된 특성이 급격하게 변화하는것을 방지 할수 있습니다.
덤으로 후퇴각이 있을시 상반각효과로 안정성이 좋아지는 효과도 볼수 있습니다.(후에 카이리형이 설명할것임 응응)
후퇴익의 단점
날개의 항력은 수직, 수평 성분 양쪽 영향을 받습니다.즉 아음속에서 비행할경우 후퇴익은 같은 면적의 직선익보다 양력은 적고 항력은 비슷합니다.
그로 인해 후퇴익이 없는 날개와 동일 양력을 위해서는 크기와 무게 증가합니다.
A지점에서의 와류는 B지점에서 시작되는 같은 강도의 안쪽흐름에 미치는 것보다 강한 흐름을 날개 끝에 미치게 됩니다.
그로 인해 날개끝에서는 올려 흐름이 생깁니다.
그로 인해 날개끝이 안쪽보다 유효받음각이 높게 됩니다. 즉 날개 끝이 먼저 실속에 걸리게 됩니다.
거기다 날개끝이 실속에 걸리게 되면 날개끝은 양력이 없으므로 날개 전체의 양력 중심이 앞으로 이동하게 됩니다.
이는 비행기 기수를 들리게 하는 피칭모맨트를 형성하고 비행기의 기수가 들리므로 비행기 전체의 실속은 더욱 심화 됩니다.
일반 제트 항공기에 사용되는 윙팁실속방지대책으로는
1.공기역학적 와쉬 아웃(Aerodynamic Wash out): 날개 끝과 날개 뿌리쪽에 상대적으로 실속각이 다른 에어포일을 사용
2.기하학적 와쉬 아웃(Geometric ): 날개에 구조적으로 뒤틀림을 주어 날개끝을 실속에 대한 여유를 준다.
3.경계층 팬스(Boundary Layer Fence): 큰 받음각일때의 공기 흐름이 윙팁이 방향으로 흐르는 것을 막는 작용과 경계층이 두꺼워지는 것을 막고 윙팁 실속을 박는 효과가 있습니다.
4.날개의 앞부분에 판이나 또는 개이빨(Dog teeth)모양의 압전을 만들어 큰 받음각시 소용돌이를 발생시켜 곙계층을 없에는 방법 입니다.
5.날개끝에 슬랫이나 슬롯등의 고양력 장치를 설치한다.
F-4E 의 경우 경계층 팬스, 개이빨, 슬랫을 장착하고 있습니다.
일반 여객기는 보통 초음속이 아닌 주로 천음속에서 비행하나 후퇴각을 가지고 있습니다.
비록 비행기는 천음속에서 비행하나 날개의 윗부분은 초음속영역에 빠지게 됩나다.(순환에 의해 날개의 윗부분이 더빨라 지기 때문이죠)
그래서 천음속에서 비행하는 비행기도 후퇴각을 가지고 있습니다.
3.삼각익(Delta Wing)
근본적으로 큰 테이퍼경향을 가진 후퇴익입니다.
비행기의 속도가 높아서 후퇴각을 너무 크게 하면 날개 뿌리부분에서 스파(Spar)의 장착이 어렵게 되고 접이식 매인 랜딩기어의 장착도 어렵게 되지만 삼각형 날개는 이들 난점을 해소하게 됩니다.그리고 많은 연료의 탑재도 가능 합니다.
저속에서 윈추형앞전 와류 형성으로 날개끝 실속이 없구 양력의 증가도 이룰수 있습니다.
카나드의 장착시 카나드에 의해 원추형 와류를 형성 합니다.
단점
저속에서 작은 가로세로비, 큰테이퍼, 삼각평면의 뒷제침은 빈약한 양한비 만들어 이,착륙시 높은 받음각이 필요하고 조종시계를 확보를 위해 동체 앞부분을 꺽는 식등의 대책이 필요 합니다.
A-4스카이 호크와 같이 수평 꼬리 날개나 카나드를 가지고 있으면 플랩을 내릴때 풍압 중심이 후퇴해도 모멘트의 균형을 이를수 있으나 수평 꼬리 날개나 카나드가 없으면 이 균형이 곤란하여 강력한 플랩의 이용이 어렵습니다.
그외
4.테이퍼형(Tapered Wing)과 유선형(Elliptical Wing)
테이퍼의 날개는 안쪽의 날개 코드 길이 및 두께가 커지므로 압력 차이는 날개뿌리가 가장 커지고 날개끝에서의 올려 흐름에 의해 날개끝에서 실속이 일어나기 쉽습니다.
타원형 날개는 내리 흐름이 일정하므로 실속도 균일하게 일어 납니다. 타원형 날개는 실속각에 이르기까지 국주적인 실속이 일어 나지는 않지만 한번 실속이 일어나면 날개 전체에 실속영력이 넓어지고 실속으로부터의 회복이 느려지는 결점도 있습니다.
5.전진익기(Foward Swep Wing)
기능은 후퇴익이랑 같습니다.
날개가 초름속이 되는것을 늦쳐 줍니다.
하지만 큰 받음 각에서는 날개 아랫면의 흐름이 안쪽으로 기울고 날개끝 실속이 방지 됩니다.(후퇴익의 단점과는 반대가 되지요.)
하지만 날개 뿌리 쪽에서 실속이 일어 나므로 실속이 발생하면 양력중심이 앞으로 이동하며 기수가 들려 실속을 심화 시키게 됩니다.
이를 방지하기 위해 날개뿌리쪽에 LEX를 설치하여 날개부리에서의 실속을 방지 합니다.
전직익기가 지금까지 잘 사용 안된 이유는 날개의 구조적 강도때문이었으나 요즘 신소재의 발전으로 강성의 유지가 가능합니다.
(저희 교수님의 정보제공(?)으로는 신소재를 이용하여 고받음각시 오히려 날개끝이 앞으로 내리려는 하는것도 가능하다고 합니다.)
6.가변익(variable wings)
폭 넓은 속도 범위에서 운용이 가능해야 한다면 가장 좋은 방법은 날개의 후퇴각을 조정할수 있도록 한는겁니다.
또한 비행중 돌풍 등을 만났을때 받음각의 변화가 상대적으로 작아 저공에서의 고속비행시 유리 합니다.
하지만 날개에서 생기는 하중을 날개의 힌지에서만 부담 해야 하므로 구조의 강도를 위해 무개의 증가와 정비의 불편 가격의 증가가 어쩔수 없습니다.
항공설계의 발전으로 가변익을 사용하지 않아도 폭 넓은 속도 범위에서 운용이 가능한 비행기가 설계 가능합니다.(혹자는 가변익은 이제 뒤 떨어진 설계라고도 하더군요.. 전 아니에요-_-;)
7.쌍엽기 혹은 다엽기
복엽기는 총 날개명적과 가로세로비가 같은 단엽기와 동일한 양의 양력을 발생합니다. 그러나 쌍엽기가 날개길이가 더 작으므로 기동성이 커집니다.
이로 인해 민첩한 기동이 가능하여 많은 곡예기에 사용 가능 합니다.
하지만 날개가 아래 위로 있기 때문에 각 날개에서 생기는 순환들이 간섭이 일어나므로 거리가 가까우면 같은 면적, 같은 가로세로비 같은 에어포일을 사용하는 날개보다 양력은 작습니다.
만약 스타워즈에 나오는 X-Wing 같은 경우 지구에서 날때에는 날개의 뿌리부분에서의 양력은 아주 작습니다.
알기쉬운 항공기의 개념, 저자 문기수, 1997
항공기 어떻게 나는가, 저자 R.H. Barnard&D.R.philpott, 1997
비행원리, 저자 조용욱 서욱, 2000
AIRLINERS.NET
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실속
먼저 실속에 대해 알아 보겠습니다.
실속은 공기의 흐름이 날개의 모양을 따라 흐르지 못하고 분리되었을 때 일어납니다.
실속이 일어나면 가장 큰 특징은 양력이 사라집니다.그리고 항력의 증가가 일어 납니다. 만약에 이러한 항력을 보상할만큼의 추력이 제공되지 못한다면 비행기는 감속되어 충분한 양력이 발생하지 않습니다.
날개 전체로 볼때 날개의 뿌리부분에서 실속이 일어나는것이 이상적입니다.
만약 한쪽 날개 끝에서 실속이 생길시 그부분에서는 양력이 없어 지므로 날개가 밑으로 떨어 집니다.(즉 롤링 모멘트가 발생 합니다.)
그러면 날개의 유효 받음각은 더욱 증가 하므로 실속이 심화 됩니다.(거기다 날개의 롤링모멘트의 제어를 담당하는 에어로론은 주로 날개끝에 있으므로 조종면까지 실속영력에 들어가게 되면 자세의 회복도 힘들어 집니다.)
반대로 올라가는 날개끝에서는 유효 받음각이 감소하면서 날개끝의 실속을 막아 주게 됩니다.
그리고 실속 발생시 항력도 발생 시킴으로 실속이 생긴 날개가 뒤로 갈려고 하는 요잉모멘트도 발생 시킵니다.(이 역시 항력이 생긴 날개쪽은 속도가 느려짐으로 실속의 심화가 발생합니다.)
이 롤링모멘트와 요잉모멘트로 인해 위험한 스핀에 빠질수가 있습니다.
그로 인해 실속은 날개 뿌리쪽에서 발생하는것이 긍정적입니다.
(더욱더 자세한 실속에 대한거는 김상룡님의 [항공이론] 3. 비행이론편 Part.2 - 실속은 왜 일어나는가?를 봐주세요~)
1.직선익(Rectangular Wing)
직선익은 날개 끝에서가 내려흐름이 가장 큽니다.
전에도 이야기 했듯이 이 내려흐름은 날개 앞으로 오는 공기의 유동까지 바꿔 놓습니다.
그로 인해 날개 전체의 붙임각이 같더라도 날개 끝이 가장 유효 받음각이 작습니다.
즉 날개뿌리보다는 날개 끝이 유효 받음각이 작음으로 주로 실속은 날개 뿌리에서부터 시작됩니다.
이런 안전한 실속특성때문에 아마추어 조종사들이 조종하는 경비행기들은 주로 직선익입니다.
그리고 직선익이 제작이 쉽고 가격도 저렴합니다.
2.후퇴익(Swep Wing)
비행기가 음속에 가까워지면 공기흐름이 초음속 형태로 변합니다.
저속 흐름과 초음속 흐름의 항공역학적 특성이 많이 틀려 조종 및 안정에 관계된 특성이 급격하게 변화합니다.
이러한 문제발생을 줄이기 위해 날개를 뒤로 제치거나, 또는 앞으로 제치게 됩니다.
후퇴익의 효과(장점)
날개에 공기흐름의 속도를 두 개의 성분으로 나누어 보겠습니다.
하나는 날개축에 수직인 성분이고 하나는 날개축에 평행한 성분입니다.
만약 후퇴각이 충분하다면 비행기가 음속보다 빨리 비행해도 수직성분은 음속보다 작을수가 있습니다.
실제 날개에 수직성분만이 양력발생에 기여하므로 비행기는 초음속으로 비행하여도 날개의 특성은 아음속이 됩니다.
그러므로 앞에서 말했던 조종 및 안정에 관계된 특성이 급격하게 변화하는것을 방지 할수 있습니다.
덤으로 후퇴각이 있을시 상반각효과로 안정성이 좋아지는 효과도 볼수 있습니다.(후에 카이리형이 설명할것임 응응)
후퇴익의 단점
날개의 항력은 수직, 수평 성분 양쪽 영향을 받습니다.즉 아음속에서 비행할경우 후퇴익은 같은 면적의 직선익보다 양력은 적고 항력은 비슷합니다.
그로 인해 후퇴익이 없는 날개와 동일 양력을 위해서는 크기와 무게 증가합니다.
A지점에서의 와류는 B지점에서 시작되는 같은 강도의 안쪽흐름에 미치는 것보다 강한 흐름을 날개 끝에 미치게 됩니다.
그로 인해 날개끝에서는 올려 흐름이 생깁니다.
그로 인해 날개끝이 안쪽보다 유효받음각이 높게 됩니다. 즉 날개 끝이 먼저 실속에 걸리게 됩니다.
거기다 날개끝이 실속에 걸리게 되면 날개끝은 양력이 없으므로 날개 전체의 양력 중심이 앞으로 이동하게 됩니다.
이는 비행기 기수를 들리게 하는 피칭모맨트를 형성하고 비행기의 기수가 들리므로 비행기 전체의 실속은 더욱 심화 됩니다.
일반 제트 항공기에 사용되는 윙팁실속방지대책으로는
1.공기역학적 와쉬 아웃(Aerodynamic Wash out): 날개 끝과 날개 뿌리쪽에 상대적으로 실속각이 다른 에어포일을 사용
2.기하학적 와쉬 아웃(Geometric ): 날개에 구조적으로 뒤틀림을 주어 날개끝을 실속에 대한 여유를 준다.
3.경계층 팬스(Boundary Layer Fence): 큰 받음각일때의 공기 흐름이 윙팁이 방향으로 흐르는 것을 막는 작용과 경계층이 두꺼워지는 것을 막고 윙팁 실속을 박는 효과가 있습니다.
4.날개의 앞부분에 판이나 또는 개이빨(Dog teeth)모양의 압전을 만들어 큰 받음각시 소용돌이를 발생시켜 곙계층을 없에는 방법 입니다.
5.날개끝에 슬랫이나 슬롯등의 고양력 장치를 설치한다.
F-4E 의 경우 경계층 팬스, 개이빨, 슬랫을 장착하고 있습니다.
일반 여객기는 보통 초음속이 아닌 주로 천음속에서 비행하나 후퇴각을 가지고 있습니다.
비록 비행기는 천음속에서 비행하나 날개의 윗부분은 초음속영역에 빠지게 됩나다.(순환에 의해 날개의 윗부분이 더빨라 지기 때문이죠)
그래서 천음속에서 비행하는 비행기도 후퇴각을 가지고 있습니다.
3.삼각익(Delta Wing)
근본적으로 큰 테이퍼경향을 가진 후퇴익입니다.
비행기의 속도가 높아서 후퇴각을 너무 크게 하면 날개 뿌리부분에서 스파(Spar)의 장착이 어렵게 되고 접이식 매인 랜딩기어의 장착도 어렵게 되지만 삼각형 날개는 이들 난점을 해소하게 됩니다.그리고 많은 연료의 탑재도 가능 합니다.
저속에서 윈추형앞전 와류 형성으로 날개끝 실속이 없구 양력의 증가도 이룰수 있습니다.
카나드의 장착시 카나드에 의해 원추형 와류를 형성 합니다.
단점
저속에서 작은 가로세로비, 큰테이퍼, 삼각평면의 뒷제침은 빈약한 양한비 만들어 이,착륙시 높은 받음각이 필요하고 조종시계를 확보를 위해 동체 앞부분을 꺽는 식등의 대책이 필요 합니다.
A-4스카이 호크와 같이 수평 꼬리 날개나 카나드를 가지고 있으면 플랩을 내릴때 풍압 중심이 후퇴해도 모멘트의 균형을 이를수 있으나 수평 꼬리 날개나 카나드가 없으면 이 균형이 곤란하여 강력한 플랩의 이용이 어렵습니다.
그외
4.테이퍼형(Tapered Wing)과 유선형(Elliptical Wing)
테이퍼의 날개는 안쪽의 날개 코드 길이 및 두께가 커지므로 압력 차이는 날개뿌리가 가장 커지고 날개끝에서의 올려 흐름에 의해 날개끝에서 실속이 일어나기 쉽습니다.
타원형 날개는 내리 흐름이 일정하므로 실속도 균일하게 일어 납니다. 타원형 날개는 실속각에 이르기까지 국주적인 실속이 일어 나지는 않지만 한번 실속이 일어나면 날개 전체에 실속영력이 넓어지고 실속으로부터의 회복이 느려지는 결점도 있습니다.
5.전진익기(Foward Swep Wing)
기능은 후퇴익이랑 같습니다.
날개가 초름속이 되는것을 늦쳐 줍니다.
하지만 큰 받음 각에서는 날개 아랫면의 흐름이 안쪽으로 기울고 날개끝 실속이 방지 됩니다.(후퇴익의 단점과는 반대가 되지요.)
하지만 날개 뿌리 쪽에서 실속이 일어 나므로 실속이 발생하면 양력중심이 앞으로 이동하며 기수가 들려 실속을 심화 시키게 됩니다.
이를 방지하기 위해 날개뿌리쪽에 LEX를 설치하여 날개부리에서의 실속을 방지 합니다.
전직익기가 지금까지 잘 사용 안된 이유는 날개의 구조적 강도때문이었으나 요즘 신소재의 발전으로 강성의 유지가 가능합니다.
(저희 교수님의 정보제공(?)으로는 신소재를 이용하여 고받음각시 오히려 날개끝이 앞으로 내리려는 하는것도 가능하다고 합니다.)
6.가변익(variable wings)
폭 넓은 속도 범위에서 운용이 가능해야 한다면 가장 좋은 방법은 날개의 후퇴각을 조정할수 있도록 한는겁니다.
또한 비행중 돌풍 등을 만났을때 받음각의 변화가 상대적으로 작아 저공에서의 고속비행시 유리 합니다.
하지만 날개에서 생기는 하중을 날개의 힌지에서만 부담 해야 하므로 구조의 강도를 위해 무개의 증가와 정비의 불편 가격의 증가가 어쩔수 없습니다.
항공설계의 발전으로 가변익을 사용하지 않아도 폭 넓은 속도 범위에서 운용이 가능한 비행기가 설계 가능합니다.(혹자는 가변익은 이제 뒤 떨어진 설계라고도 하더군요.. 전 아니에요-_-;)
7.쌍엽기 혹은 다엽기
복엽기는 총 날개명적과 가로세로비가 같은 단엽기와 동일한 양의 양력을 발생합니다. 그러나 쌍엽기가 날개길이가 더 작으므로 기동성이 커집니다.
이로 인해 민첩한 기동이 가능하여 많은 곡예기에 사용 가능 합니다.
하지만 날개가 아래 위로 있기 때문에 각 날개에서 생기는 순환들이 간섭이 일어나므로 거리가 가까우면 같은 면적, 같은 가로세로비 같은 에어포일을 사용하는 날개보다 양력은 작습니다.
만약 스타워즈에 나오는 X-Wing 같은 경우 지구에서 날때에는 날개의 뿌리부분에서의 양력은 아주 작습니다.
알기쉬운 항공기의 개념, 저자 문기수, 1997
항공기 어떻게 나는가, 저자 R.H. Barnard&D.R.philpott, 1997
비행원리, 저자 조용욱 서욱, 2000
AIRLINERS.NET
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(아...오늘은 풀독올라서 쓰라려 죽겠다 T-T)