[항공역학] 풍압중심, 공력중심, 항공기 날개 종류

■ 풍압중심(center of pressure, c.p)

• 날개에 있어서 양력과 항력의 합성력이 실제로 작용하는 점
• 받음각(양력계수)가 커지면 c.p의 앞으로, 작아지면 c.p의 뒤쪽으로 이동
• 항공역학적인 해석에 사용이 불편함

■ 공력중심(aerodynamic center, a.c)

• 받음각이 변하더라도 그 점에 관한 키놀이(pitching) 모멘트 값이 변하지 않는 점
• 받음각이 변하더라도 공력중심 위치가 거의 변화하지 않은 점

$\frac{dM_{a.c}}{d\alpha }=0, \frac{dC_{M_{a.c}}}{d\alpha }=0$ 인 점

 

※ 공력 중심 구하는 식

 

$\frac{a\cdot c}{c}=\frac{1}{n}-\frac{C_{M_{c/n}}-C_{M_{0}}}{C_{L}cos\alpha -C_{D}sin\alpha }$

 

※ 무양력 키놀이 모멘트 계수

• 양력이 발생하지 않을 때의 키놀이 모멘트 계수
• 항상 동일하고 일정한 값
• 위치에 관계없이 임의점에서 측정한 키놀이 모멘트 값
• 공력중심에 관한 키놀이 모멘트 계수와 동일한 값

■ 평균기하학적시위(Mean Geometric Chord, MGC)

• 날개를 기하학적으로 대표하는 시위, 날개 면적중심을 포함하는 시위
• MGC에 날개 스팬의 길이를 곱하면 날개의 면적을 구할 수 있는 시위

■ 평균공력시위(Mean Aerodynamic Chord, MAC)

• 날개의 공기력 분포를 대표할 수 있는 시위
• 항공기 무게중심을 대표하는 기본단위로 쓰임
• MAC에 발생하는 공기력에 날개 스팬 길이를 곱하면 날개 전체에 작용하는 공기력을 구할 수 있는 시

■ 날개 평면형상

(1) 사각날개(Rectangular Wing)

• 날개 끝 시위길이 = 날개 뿌리 시위길이
• 날개 끝에서 하향흐름 속도가 더 커서 유도항력이 더 크다
• 유효받음각 (날개끝 < 날개뿌리)
• 날개 끝 부분 실속이 늦게 들어가므로 비행안정성과 조종성 우수
• 저속항공기 설계에 주로 사용

(2) 타원날개(Eliptical Wing)

• 날개 스팬 전체에 대한 양력분포가 균일
• 스팬효율계수(e)가 1에 가까워 가장 큼
• 가장 작은 유도항력 발생(유도항력계수는 스팬효율계수에 반비례)
• 아음속으로 비행하는 항공기에서 가장 이상적인 날개형상
• 단점 : 앞전, 뒷전 구성이 어렵고 날개의 내구성이 좋지 않다

(3) 테이퍼날개(Taper Wing)

• 구조적인 특성(날개무게, 강성특성)이 매우 좋으며, 유도항력을 감소시킬 수 있다
• 날개 끝 시위가 작아 레이놀즈수가 감소하여 날개뿌리시위에서 최대양력계수가 감소되어 날개 끝 실속이 먼저 일어남
• 실속 직전 최대양력 발생 → 완전 실속으로 진행되는 징후를 감지하기 어려움 → 가로안정성과 조종성이 나쁨
• 테이퍼비가 작음 → 날개 무게↓ → 날개 끝 실속 경향이 더 커짐

테이퍼비=$\lambda =\frac{C_{t}}{C_{r}}$

 

(4) 후퇴날개(Swept back Wing)

출처 : USAF at wikimedia.org

• 대부분 고속 항공기에 사용
• 장점 : 천음속에서 임계마하수를 증가, 초음속에서 조파항력을 감소, 항력발산마하수 증가, 단 아음속에서 임계마하수에 도달하면 항력급증
• 후퇴각을 갖게 되는 경우, 앞전에 대한 수직방향에 유동성분에 의해서만 영향을 받음
• 후퇴각(뒤젖힘각, swept back angle) : 날개의 c/4를 지나는 직선과 날개의 가로축이 이루는 각
• 단점 : 날개 끝 실속 발생, 가로불안정 초래, 날개 끝 도움날개 기능 마비, 조종성 상실 및 나선 불안정

※ 후퇴날개 날개 끝 실속 방지 방법

• 워시 아웃(wash out) 형상 : 날개 끝으로 갈수록 날개단면의 받음각을 감소시킴, 날개 끝으로 갈수록 임계마하수 증가

<wash out>

• 바깥쪽 와동발생장치(vortex generator) : 날개표면에 수직으로 가로세로비가 작은 조그만 날개 장착, 경계층에 에너지를 공급하여 경계층 박리지연

<vortex generator>

• 톱날 앞전(saw tooth leading edge) 형태 : 바깥쪽 날개는 앞쪽 날개보다 앞쪽으로 당겨 설치 → 스팬방향으로 압력차이 제거

<saw tooth leading edge>

• 경계층 펜스(boundary fence) 부착 : 앞전 or 뒷전에 설치해 스팬방향의 유동차단 → 날개 끝 경계층 두꺼워지는 것 방지

• 가변날개(variable wing) : 천음속 or 초음속에서 작은 가로세로비로 조파항력 감소, 아음속에서는 큰 가로세로비로 유도항력 감소해 전체항력 감소(가변형 날개 장착)

• 전진날개(forward swept wing) : 후퇴날개와 특성이 유사하나 날개 끝 실속을 방지하여 가로안정성과 조종성 ↑, 날개 뿌리의 과도한 부하로 구조적으로 취약함

<forward swept wing>

(5) 삼각날개(Delta Wing)

• 초음속으로 비행하는 항공기에 적합
• 양력곡선의 기울기가 작다 : 작은 받음각 → 작은 양력계수 but 고속비행 시 필요한 양력 얻을 수 있음

※ 삼각날개의 종류

※ 원추 와동 양력(Conical Vortex Life)

• 양력계수가 작은 삼각날개 → 저속에서 큰 받음각으로 비행 → 날개 앞전에서 유동박리현상 발생 → 발생된 후류의 낮은 압력으로 발생시키는 압력
• 원추와동은 압력이 매우 낮아 주변의 수증기를 응축 → 응축된 수증기 발생 → 전투기의 경우, 원추 와동 양력을 발생시키기 위해 앞전 스트레이크(L/E strake) 부착

<Conical Vortex Life / LE strake>