에어포일(Airfoil)

에어포일이란 ? 

에어포일이란 공기가 이동하는 곳을 통하여 공기로부터 양력을 얻도록 설계된 표면이다. 그래서 에어포일은 양력으로 공기저항을 전환하는 항공기의 모든 부위를 에어포일이라고 주장할 수도 있다. 하지만, 일반적인 날개의 단면이 에어포일의 전형적인 예로 에어포일의 상단과 하단을 흐르는 공기의 속력 차가 발생하고 베르누이의 원리에 따라 압력 차가 생긴다. (상단의 속력이 하단보다 빠르므로 하단의 압력이 더 커지게 된다) 그래서 더 저압의 방향인 위쪽으로 날개를 밀고 나가는 압력 차이가 날개의 윗면과 아랫면 사이에서 발생한다. 양력은 받음각(AOA, angle-of-attack), 날개면적, 공기의 밀도 또는 에어포일의 형태를 변형하여 증가시킬 수 있다. 항공기의 날개에 양력이 중력과 같을 때, 항공기는 수평비행을 유지한다.

 

에어포일의 형태

개개의 에어포일 2차원 단면 형상은 3차원의 전체적인 날개 또는 항공기의 특성과 다소 차이가 있다. 날개는 날개 시작부부터 날개 끝까지의 형상에 따라 경사(taper), 꼬임(twist), 또는 후퇴(sweepback) 등 여러 가지의 에어포일 형태를 갖는다. 날개의 공기역학적 특성은 날개 길이에 따른 각 단면의 작용에 의해 결정된다. 그 결과로 날개의 효율에 영향을 미치는, 에어포일의 모양은 그것이 만들어내는 난류 또는 표면 마찰의 양을 결정한다. 난류와 표면 마찰은 최대 두께의 에어포일 시위(chord)의 비율(ratio)이라고 정의된 종횡비(fineness ratio)의 영향을 받는다. 만약 날개가 높은 종횡비를 갖는다면, 그것은 아주 얇은 날개이다. 두꺼운 날개는 낮은 종횡비를 갖고, 높은 종횡비를 가지고 있는 날개는 많은 양의 표면 마찰을 일으킨다. 반면 낮은 종횡비를 가지고 있는 날개는 많은 양의 난류를 일으킨다. 따라서 최상의 날개는 최소의 난류와 표면마찰을 발생시키는 형태이다.

날개의 효율은 양항비에 의해 결정된다. 양항비는 받음각에 따라 변하지만 특정 받음각에서 최댓값을 갖고, 이 각도에서 날개는 최대효율을 발생시킨다. 에어포일의 모양은 날개의 받음각을 결정하는 요소이다. 통상 에어포일의 전면에서 뒤쪽으로 약 1/3 지점에서 에어포일은 최대 두께를 갖는다. 고양력 날개와 고양력 장치는 효과적인 에어포일의 형태를 위해 개발되었다. 에어포일에 의해 발생한 양력은 날개 캠버(camber)에 따라 증가한다. 여기서 캠버는 시위선 면의 위쪽과 아래쪽에 에어포일의 만곡을 말한다. 상부 캠버는 윗면을 말하고, 하부 캠버는 아랫면, 그리고 평균 캠버는 단면의 평균선을 말한다. 캠버는 시위선에서 출발이 밖을 향할 때 양의 값이고 그것이 안을 향할 때 음의 값이다.

 

붙임각(Angle of Incidence)

그림 2-4에서 보여준 것과 같이, 항공기의 세로축과 이루는 날개시위의 각도를 입사각(angle of incidence), 또는 날개 붙임각(angle of wing setting) 이라고 부른다. 대부분의 경우에 붙임각은 고정된 붙박이 각도이다. 날개의 앞전(leading edge)이 뒷전(trailing edge)보다 더 높을 때, 붙임각은 양의 값이라고 말한다. 붙임각은 앞전이 날개의 뒷전보다 더 낮을 때 음의 값이다. 

 

받음각 (Angle of Attack(AOA))

받음각(AOA, Angle of Attack)과 에어포일의 효과를 검토하기 전에, 시위(chord)와 압력 중심(CP, center of pressure)이 무엇인지 살펴보자. 에어포일의 시위(chord) 또는 날개단면은 앞과 뒤를 연결한 가상의 직선이다. 각도의 다른 쪽은 상대 기류의 방향을 나타내는 선으로 형성된다. 그래서 받음각은 날개의 시위선과 불어오는 바람의 방향 사이 각도로 정의되고 이것은 날개의 시위선과 항공기의 세로축 사이의 각도이다. 받음각은 붙임각과 혼동하지 말아야 한다. 에어포일 또는 날개 면의 각 부분에서는 작은 힘이 존재한다. 이것은 각 지점에서 앞쪽으로, 또는 뒤쪽으로 다른 부위에 작용하는 어떤 힘으로부터 서로 다른 크기와 방향을 가진다. 수학적으로 이들 작은 힘을 모두 더하는 것은 가능한 것이고 그 합을 양력이라고 한다. 이 합력은 크기, 방향 그리고 위치가 있으므로 벡터로 나타낼 수 있다. 에어포일의 시위선과 합력 선의 교차 지점을 압력 중심이라고 한다. 압력 중심은 받음각이 변화할 때 에어포일 시위를 따라 이동한다. 대부분의 비행 시 압력 중심은 받음각이 증가할 때 앞쪽으로 그리고 받음각이 감소할 때 뒤쪽으로 이동한다. 받음각은 항공기 자세가 변할 때 변화한다. 적절하게 설계된 에어포일에서 양력은 받음각이 증대할 때 증가한다. 받음각이 양의 받음각으로 점차 증가 때 양력 성분은 어떤 지점까지 급격히 증가하고 그다음은 급격히 줄어든. 이 작용 내내 항력 성분은 처음에 서서히 증가하고, 이후 양력이 줄어들면 급격히 증가한다. 받음각이 최대 양력의 각도로 증가할 때 박리점(burble point)에 도달하고 이것을 임계각(critical angle)이라고 한다. 임계각에 도달할 때 공기는 에어포일의 상단면 위를 원활하게 흐르지 못하고 박리와 소용돌이가 발생한다. 이것은 공기가 날개의 상부캠버에서 이탈하는 것을 의미하고 그 이전에 감소 압력의 영역은 이러한 박리 공기로 채워진다. 이 현상이 발생할 때 양력의 양은 감소하고 항력은 과하게 증가한다. 중력은 자체에 가해지고 항공기의 기수는 떨어진다. 이것이 실속이다. 그러므로 박리점은 실속각이다.