항력(drag)
항력은 항공기의 추진력에 반대로 작용하는 힘으로 항력에는 유해 항력(parasite drag)과 유도 항력 (induced drag)이 있다.
(1) 유해 항력(parasite drag) 또는 기생항력
유해항력은 항공기의 양력 발생 부분을 제외한 항공기 외부 형태에 의한 공기의 항력이다. 예를 들면 동체의 안테나, 착륙 장치, 지지대, 등 항공기의 외부 형태에 따라 크기가 달라진다. 때문에 항공기의 외부 형태는 공기의 저항을 최소화 할 수 있도록 고안된다.
유해 항력은 속도의 제곱에 비례하여 증가하기 때문에 속도가 2배가 되면 유해항력은 4배가 된다.
(2) 유도 항력(induced drag)
유도 항력은 유해 항력과 달리 풍판에서 발생되는 양력 발생에 따른 부가물로 발생한다. 항공기 속도가 증가함에 따라 영각이 작아지고 영각이 작아짐에 따라 유도 항력은 작아진다. 반대로 항공기 속도가 감소하면 항공기 무게를 지탱하기 위한 양력이 증가하여야 하며 이에 따라 보다 큰 영각이 요구되고 유도 항력은 증가 한다.
(그림1-16)은 속도와 항력의 관계를 보여주고 있으며 두 항력이 일치하는 점의 속도가 총항력이 최소가 되고 최대 활공 거리(maximum glide distance)를 얻을 수 있는 속도가 된다.
(그림에서 a)지점의 속도보다 증가되면 유해 항력이 증가함에 따라 총항력은 증가하고 a지점보다 속도가 감소하면 유도 항력이 증가하여 총항력은 증가한다.
(그림3-17) 항력과 속도의 관계
①마찰항력(friction drag)
물체의 표면을 공기가 흐를 때 공기의 점성으로 인하여 물체 표면에 마찰력이 작용한다. 이러한 마찰력에 의해 발생한 항력을 마찰 항력 이라고 하는데 항공기의 날개가 거칠 수록 마찰항력이 커진다.
②압력항력(pressure drag) 또는 형태항력(form drag)
유선형과 같이 유선이 물체의 표면에 따라서 층류를 이룰 때에는 크게 발생하지 않으나 공과 같이 뒷 부분이 잘린 형태라든지 날개의 받음각이 커질때, 기류가 물체에서 이탈하여 난류가 되어, 압력이 부압이 되어 물체를 뒤로 잡아 당기게 되는 현상이 일어난다. 이러한 현상으로 발생된 항력을 압력항력이라고 한다.
(그림3-18) 흐름의 이탈에 의한 압력항력
③유도항력(induced drag) 또는 야기항력
날개 길이가 유한한 3차원 날개로서 양력에 따라 유도되는 항력이다. 날개에서 양력이 발생되는 것은 윗면은 부압이, 아랫면은 정압이 되기 때문인데, 날개 끝에서는 압력이 높은 밑면의 공기가 압력이 낮은 윗면으로 유입되면서 날개끝 소용돌이(wing tip vortex)로 된다. 날개끝 소용돌이가 생기면 날개에 따라 흐르는 기류가 그 영향을 받아서 조금 밑으로 흐르게 되어 그 흐름에 직각인 양력의 방향이 비행기의 진행 방향에 대하여 약간 뒤로 기울기 때문에, 양력에 뒤방향의 성분이 생긴다. 이것이 항력의 작용을 하기 때문에 유도항력 이라고 한다.
(그림3-19) 유도 항력의 발생
날개 이론에 의하면 3차원 날개의 유도 항력 계수는 양력 계수의 제곱에 비례하며 날개의 가로 세로비(aspect ratio)에 반비례한다. 그러므로 가로 세로비가 클수록 유도항력이 작아짐을 알 수 있다. 또한 가로 세로비가 크면 그만큼 날개끝 소용돌이의 영향이 감소된다. 그런데 어떤 비행기라도 가로 세로 비를 크게하면 좋을 것 같으나 가로 세로비가 큰 날개(가늘고 긴 날개)는 양력으로 인하여 날개 길이 방향으로 굽어지는 힘을 크게 받으므로 구조적으로 문제가 생기기 때문에 유도 항력을 감소시키기 위해서는 구조적인 문제점 (날개무게)을 고려하여 가로 세로비를 결정한다. 전투기는 비교적 작은 양력 계수로 날도록 설계했기 때문에 유도 항력 같은 것은 중요치 않으나, 이것에 반해서 글라이더(glider)는 0.7~0.9정도의 큰 양력 계수를 사용하므로 유도 항력이 전체 항력중에서 큰 비중을 차지하기 때문에 되도록 큰 가로 세로비의 날개를 사용한다.
失速(실속 ; stall)
날개의 윗면을 흐르는 공기가 표면으로부터 박리되어 일어나는 현상으로 그 결과 급속하게 양력이 줄게되고 항력이 증가하게 된다. 한 항공기에서 실속은 속도, 비행자세, 무게에 불구하고 항상 일정한 영각에서 일어난다.
失速[실속]이란 우리말이 아닌 일본식 한문으로 실속, 즉 속도를 잃어버린 상태를 나타내지만, 실제로는 임계 양각을 초과 함으로써 생긴 실각 상태이다. 실각 상태의 속도는 항공기의 무게, 외장, 그리고 기동 상태에 따라 변한다.
2012년 08월 16일
E-West Air Cafe[네이버]에서 복사하여
유체역학과 유체기계 부분 재 복습합니다.
대한민국의 Yacht항인 경기 화성의 전곡항 앞에 M-Boat에서 신영섭 올림.