추력과 항력(Thrust and Drag)

  모든 항공기는 비행 시 중력, 양력, 항력, 추력이라는 4가지 힘의 크기와 방향에 따라 움직인다.

 

1) 중력

지구 내측으로 항공기를 끌어당기는 힘인 중력은 항공기 자체, 승무원, 연료, 화물과 같이 항공기에 적용되는 모든 중량에 대해 아래 방향으로 작용하는 힘이다.

2) 양력

양력은 항공기에 수직으로 작용하고 항공기를 위로 밀어 올리는 힘이다.

3) 추력

항공기를 앞으로 나아가게 하는 힘인 추력은 항력을 이겨내는 동력장치에 의해 발생한다.

4) 항력

항공기를 진행의 반대 방향으로 잡아당기는 제동을 가하는 힘인 항력은 뒤로 작용하는 견제력이고 날개, 동체 및 돌출된 구조물에 의해 발생한다.

 

  항공기에 작용하는 이 4가지 힘은 오직 항공기가 직선의 수평 정속 비행을 수행할 때 균형을 이룬다. 양력과 항력은 상대 바람과 항공기 사이의 관계에 의해 발생한다. 양력은 항상 상대 바람에 직각으로 작용하고, 항력은 상대 바람에 평행하게 작용한다. 이들 힘은 실제로 날개에 합성 양력(resultant lift)을 만들어내는 성분이다. 중력은 양력과 일정한 관계가 있고, 추력은 항력과 일정한 관계가 있다. 이들 관계는 간단하게 보이지만, 비행의 공기역학을 이해하기 위해서는 매우 중요한 것이다. 앞서 서술한 것처럼, 양력은 상대 바람에 직각을 이루는 날개 위 방향의 힘이고 항공기의 중력에 반작용한다. 이 중력은 무게중심이라고 부르는 지점에서 아래 방향으로 작용하고 무게중심은 항공기의 모든 중력을 집중시키도록 고려된 가상의 점이다.

  날개 면적은 동체에 의해 보이지 않은 부분까지 포함하고 하단부로 투영된 면적이다. 다른 변수가 동일할 때 날개 면적이 2배가 되면 이에 비례해서 날개에 의해 발생하는 양력, 항력도 2배가 된다. 양력을 만들어내는 물체 위에서 공기의 상대 운동은 항력을 동시에 발생시킨다. 항력은 공기를 통과하여 움직이는 물체에 작용하는 공기의 저항력이다. 만약 항공기가 수평 항로에서 비행하고 있다면, 양력은 그것을 지탱하기 위해 항공기의 수직으로 작용하는 반면에 항력은 항공기를 붙들기 위해 수평으로 작용한다.

  항공기 총 항력의 값은 수많은 부분에 의해 구성되지만 여기서는 3가지를 고려하는데, 유해항력 (parasite drag), 형상항력(profile drag) 그리고 유도항력(induced drag)이다. 유해항력은 수많은 다른 항력의 조합으로 구성되고 항공기 비행 중에 노출된 물체의 공기 저항에 의해 만들어지며 돌출된 물체가 많을수록 유해항력은 커진다. 유해항력은 항공기의 매끄럽지 않고 거친 표면 형상에 의해서도 발생한다. 형상항력은 에어포일의 유해항력으로 볼 수 있고 유해항력의 여러 성분은 형상항력과 유사한 성질을 가지고 있다. 양력을 만들어내는 에어포일의 작용 또한 유도항력의 원인이 된다. 날개 위로 작용하는 압력은 대기압보다 작고, 날개 아래로 작용하는 압력은 대기압과 같거나 더 크다. 유체는 고압에서 저압으로 이동하기 때문에 날개의 바깥 방향과 날개 끝 부위의 상단 방향으로 공기 이동이 일어나면서 와류(vortex)가 발생한다. 이러한 공기의 흐름은 날개 뒤의 안쪽 부분에서도 유사하게 와류를 형성한다. 이러한 와류를 만들어낸 난류로 인해 항력이 커지고 이는 유도항력을 구성한다. 또한, 유도항력은 받음각이 더 커지면 증가하는데 이것은 받음각이 증가할 때 날개의 쪽과 바닥 사이의 압력 차이가 더 벌어지기 때문에 일어난다. 이는 더 많은 난류와 더 많은 유도항력의 발생 원인이 된다.

   앞서 언급한 바와 같이 무게중심은 항공기의 모든 무게가 집중되는 가상의 점이다. 만약 항공기가 자신의 정확한 무게중심에서 지탱된다면, 그것은 그 위치에서 균형이 잡혀있다고 볼 수 있다. 항공기 설계 과정에서는 무게중심이 어디까지 이동할 수 있을지를 고려하여 설계해야 한다. 또한 비행 평형 상태를 위해 복원 모멘트가 발생할 수 있도록 설계해야 한다. 통상적으로 압력 중심의 앞에 무게중심을 설정한다.

  비행 중 항공기의 자세를 변경할 때는 언제나 3개의 축(axis) 중 1개 또는 그 이상에 대하여 회전해야 한다. 항공기의 중심을 거쳐 지나가는 가상선으로 3개의 축이 있다고 한다면, 이 3개의 축 모두는 교차하는 곳의 중심에서 각각 다른 2개의 축 수직이다. 기수에서 꼬리까지 동체를 통과한 세로로 연장된 축을 세로축(longitudinal axis)이라고 부른다. 그리고 한쪽 날개 끝에서 다른 쪽 날개 끝까지 가로로 연장한 축은 가로축 (lateral axis), 또는 피치축(pitch axis)이다. 항공기 위쪽에서 바닥까지 중심을 거쳐 지나간 축은 수직축(vertical axis) 또는 요축(yaw axis)이라고 부른다. 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw)는 3개의 조종면(control surface)에 의해 조종된다. 롤은 날개 뒤에 위치한 에일러론(aileron)에 의해 조종되고, 피치(pitch)는 수평꼬리날개 후방 부분에 위치한 엘리베이터(elevator)에 의해 조종된다. 요는 수직 꼬리 날개의 후방 부분인 러더(rudder)에 의해 조종된다.