Airfoil

공기저항 혹은 바람저항(Air or Wind Resistance)

 

일반적으로 공기저항(air resistance)의 효과는 저속에서는 공기의 밀도가 낮기 때문에 그렇게 중요한 것이 아닙니다. 고속에서는 공기저항을 만드는 압력과 소용돌이는 중요하게 됩니다. 이것은 30노트나 그 이상의 속도에서 발생합니다. 그 영향은 유선형으로하면 감소될 수 있습니다. 다시 한번 타협안이 제시되지만 다른 특질들이 유선형과정에서 희생되어서는 안됩니다.

 

바람저항(wind resistance)은 세일보트가 장착한 의장(standing rigging)의 저항에 역시 영향을 줍니다. 이것은 가끔 막대형 의장(rod rigging)과 싸우기도 합니다. 바람저항이 세일보트를 해치는 또 다른 영역은 마스트와 세일사이의 경계면입니다. 가끔씩 돛대(mast)의 후단에서 난기류가 생성되어 세일에서의 매끄러운 흐름을 방해하여 세일의 효율을 떨어뜨립니다. 원재(spar)단면의 유선형은 어느정도 도움을 줄 수 있으며 어떤 쌍동선(catamaran)과 얼음보트(ice boats)에서 원재(spar)는 공기의 흐름에 보다 잘 정렬되도록하기 위하여 회전이 허용되기도 합니다. 동일한 관점에서 많은 경주용 쌍동선(catamaran)은 원재(spar)와 같은 길고 가는 날개를 달기도 하였는데 이것은 원재가 세일면적(sail area)의 큰 부분을 차지하도록하는 것입니다. 그리고 어떤 경우에는 원재(spar)와 돛(sail)의 결합이 고정날개(solid wing)로 대체되기도 합니다

 

또 다른 바람의 문제점은 풍압면(windage)인데 그 속에서 보트는 너무 큰 전면 면적(frontal area)에 의해 뒤로 끌어당겨집니다. 풍압면은 역시 조정과 침로유지(seakeeping)에 중요한 역할을 합니다. 너무 큰 측면적은 "billboard"(광고판) 효과를 가져오는데 보트가 가로로 불어오는 바람 때문에 옆으로 밀려가게됩니다. 여기에는 확실이 낮은 반면영상(silhouette)이 도움이 됩니다.

에어포일(Airfoil)에 대하여

비행기 날개.... 부분임돠

날개(Wing)의 단면을 에어포일(Airfoil)이라고 하며 공기보다 무거운 비행기를 보다 빠르게 비행시키기 위해서는 양력(Lift)이 크고 항력(Drag)이 작은 에러포일(Airfoil)이 요구된다.
양력(Lift)을 크게 하려면 에어포일(Airfoil)의 윗면(Upper Surface)을 둥글게 하고 아랫면(Lower Surface)을 오목하게 만든다.
이러한 형태를 켐버(Camber)를 가졌다고 한다. 또 항력(Drag)을 적게 하기 위해서는 앞을 둥글게 해 주고 뒤를 뾰족하게 하여 "유선형"으로 만드는 것이다.

물론 초음속기의 에어포일(Airfoil)은 윗면과 아랫면이 대칭으로 만들어져서 켐버(Camber)가 없는 형태가 있기도 하지만 대부분의 날개(Wing)는 켐버(Camber)가 있으며 이로인해 날개(Wing)의 윗면과 아랫면을 타고 흐르는 공기의 속도차이에 의해 생기는 압력의 차이로 인해 비행기가 위로 뜰 수 있게 되는 것이다.

에어포일(Airfoil)에 관한 용어들을 보면 다음과 같다.

　

• Leading Edge
  : 날개의 앞부분 으로서 "앞전" 이라고 부르며 둥그런 모양을 한다.
• Trailing Edge
  : 날개의 뒷부분 으로서 "뒷전" 이라고 부르며 끝이 뾰족한 모양을 한다.
• Chord
  : 날개의 앞전(Leading Edge)과 뒷전(Trailing Edge)을 이은 직선으로서 "시위" 라고 부른다.
• Upper Camber
  : "시위선(Chord Line)"에서부터 날개(Wing) 윗면까지의 거리를 말한다.
• Lower Camber
  : "시위선(Chord Line)"에서부터 날개(Wing) 아랫면까지의 거리를 말한다.
• Mean Camber Line
  : Upper Camber와 Lower Camber의 "평균직선"이며, 이것은 날개(Wing) "두께의 중심선" 이기도 하다.
• Camber

 

비행기 동체의 역학적 원리

자연에서 응용한 원리로 거대한 자연과 맞선다

항공기의 동체는 왜 둥근 모양일까? 단지 공기의 저항을 최소화하기 위한 이유만일까? 라이트 형제시대의 사각형 모습이 현재의 둥글고 가는 모습으로 바뀐 이유는 무엇일까?
항공기 동체의 변화에는 계란 껍질의 내압성을 응용한 재미있는 역학의 원리가 숨겨져 있다.

항공기는 크게 동체, 날개, 꼬리날개, 동력장치,착륙장치로 구성돼 있다. 이 가운데 동체는 승객이 탑승하거나 화물을 탑재할 수 있는 공간을 말한다. 일반적으로 항공기의 동체는 크게 트러스(Truss) 구조와 모노코크(Monocoque) 구조로 나뉜다. 

초기 항공기의 동체는 모두 트러스 구조였다. 어린이들이 가지고 노는 연이나 모형 비행기처럼 주날개와 꼬리날개를 나무기둥에 얽어 매거나, 또는 현재의 스포츠기에서 볼 수 있는 것처럼 강철 파이프를 용접하여 틀을 짜서 만들고 그 위에 천이나 얇은 금속판을 입히는 형식의 동체를 하고 있었다.
비행기에 가해지는 모든 무게나 힘을 트러스를 구성하고 있는 나무 골조나 철골 골조가 받아 견디도록 되어 있는 것이다. 따라서 동체에 입힌 두꺼운 천, 곧 외판은 단순히 비행기의 겉모양을 갖추기 위한 것에 지나지 않는다. 이 트러스 구조는 비행기의 무게를 가볍게 하는데 그 목적이 있었고 공기의 저항을 줄여 속도를 빠르게 하는 것은 이차적인 문제였다.

계란 껍질의 내압성 원리 응용

그 뒤 엔진의 출력이 증대되어 속도가 점차 빨라지면서 동체에 가해지는 무게도 점차 커지자 이러한 단순한 구조로는 감당할 수 없게 되었다. 그래서 1912년 무렵부터 동체는 둥근 유선형으로 바뀐다. 무게를 늘이지 않고도 강도를 높여 외부로부터 가해지는 모든 무게나 힘을 계란 껍질 모양을 한 외판이 받도록 하는 구조로 바뀌었다. 이것이 바로 모노코크 구조의 동체이다.
  모노코크는 희랍어의 모노(Mono)와 프랑스어의 코크(Coque)를 합친 말로 모노는 하나를, 코크는 계란과 같은 빈 껍데기를 의미한다. 집을 지을 때 기둥이나 대들보가 힘을 받게 하려면 많은 기둥과 대들보가 필요하고 또한 굵어야 하지만 집이나 건물의 벽 전체가 힘을 받게 하면 기둥이 필요 없을 뿐 아니라 건축자재도 적게 든다. 계란은 아주 얇은 껍질로 외각을 이루고 있으면서 적당한 강도를 유지하고 있다. 그러면서 외각에는 기둥, 즉 골격이 전혀 없다.

외부 저항 분산하는 유선형 구조

  이러한 계란 껍질의 원리는 터널의 구조에도 응용된다. 수 킬로미터에 달하는 터널이 기둥 하나 없이도 버틸 수 있는 것은 계란의 껍데기가 가지는 역학구조를 응용한 것이기 때문이다. 항공기의 동체도 모든 외부의 힘이나 무게는 기체의 뼈대와 외판이 받게 되어 있다.   그런데 이 외판의 두께가 생각보다 매우 얇다는 것을 알면 놀라지 않을 수 없다. B-747동체의 외판은 그 두께가 위치에 따라 다소 두꺼운 곳도 있지만 가장 얇은 곳은 1.6밀리미터밖에 되지 않는다. 그 안쪽으로 두께 1.5센티미터의 방음 단열재가 있고 그 안에 다시 내장용 패널이 붙어 있지만 강도를 뒷받침하는 외판은 아주 얇다. 이것은 마치 계란 껍질이 얇은 것과 그 원리가 같으며 항공기의 동체에 모노코크 구조를 사용하는 이유도 이러한 특징 때문이다.

수직·수평 보강재 사용 동체 강화 

  모노코크 구조가 트러스 구조보다 유리한 점 또 하나는 기체에 가해지는 외부의 힘을 될 수 있는대로 널리 분산하여 균등하게 받을 수 있도록 하는데 있다. 비행 중에는 여러 가지 힘이 가해지는데 기체의 이곳 저곳에서 부딪혀 오는 외부의 무게나 힘을 모노코크 구조가 가장 효율적으로 견딜 수 있다.
  오늘날 속도가 더 빨라지고 항공기의 규모가 커지면서 동체를 더욱 강하게 만들기 위해 수직 및 수평 보강재를 사용한 동체가 등장하였다. 이것이 1930년대에 실용화돼 현대 항공기 대부분의 동체 구조를 이루고 있는 세미 모노코크 구조이다. 이것은 모노코크 구조의 동체를 수직·수평 보강재를 사용하여 약간 보강한 구조를 말한다. 　

순간 파열력 분산 특수내장재 설계

  항공기의 동체는 그 재질과 구조가 무엇보다 안전에 최우선적으로 부응하도록 설계돼 있다. 1만 미터 이상의 고도로 비행하는 경우, 대기의 기압은 불과 0.2기압인데 객실 안의 기압은 지상과 거의 비슷한 0.8기압을 유지하고 있다. 이러한 상태로 비행하고 있는 항공기 동체의 외판은 내부로부터 외부로 약 1평방미터당 6톤에 가까운 힘을 받으면서 비행하고 있는 것이다. 그렇기 때문에 어떤 이유로 창이 깨지거나 동체 벽에 구멍이 나면, 기내의 공기가 순식간에 밖으로 빨려나가면서 기내의 물품과 승객들이 함께 빨려 나갈 수도 있다. 이러한 상태를 예상하고 방지하기 위해 항공기의 동체는 안전 제일의 페일 세이프(Fail Safe) 구조를 하고 있다. 즉 균열이 더 이상 확대되지 않도록 순간적으로 파열력을 분산시키는 구조의 특수 내장재가 외판을 지지하도록 설계되어 있는 것이다.

  수 만개의 부품으로 이루어지는 최첨단의 항공기도 그 기본적인 원리는 자연에서 응용되어진 것이 대부분이다. 최첨단의 기술로 이루어진 항공기가 결국 맞부딪치게 되는 것은 거대한 자연이기 때문이다.