본문내용
1. 에어포일의 구조와 특성
1.1. 에어포일의 각 부분 명칭 및 설명
에어포일이란 비행기 날개를 수직으로 자른 단면을 칭하며 날개 단면이라고 한다. 에어포일의 위 표면을 윗면이라 하고 아래표면을 아랫면이라고 한다. 에어포일의 둥근 앞부분을 앞전, 에어포일의 귀 끝 부분을 뒷전이라고 하는데 보통 뒷전은 날카롭게 되어 있다. 에어포일의 앞전은 뒷전에서부터 거리가 가장 먼 점으로 보통 정의되며 이 앞전과 뒷전을 연결한 선을 시위라 하고, 앞전에서 뒷전까지의 거리를 시위 길이라 한다. 윗면과 아랫면의 높이 차이 또는 윗면과 아랫면에 내접하는 원을 그렸을 때 이 원의 직경을 에어포일의 두께라 한다. 앞전에서부터 최대 두께 위치까지의 거리를 최대 두께 위치라 한다. 아랫면과 윗면의 중심점 또는 윗면과 아랫면에 내접하는 원을 그렸을 때 이 원의 중심점들을 연결한 선을 평균 캠버선이라고 한다. 시위 선과 평균 캠버 선과의 높이 차를 캠버라고 한다.
1.2. NACA 4자리 에어포일 표기법
NACA 4자리 에어포일 표기법은 시위 길이를 기준으로 에어포일의 크기를 나타낸다. NACA 뒤에 4자리 숫자를 붙인 형태로 표시하는데, 첫째 자리는 최대 캠버가 시위길이의 몇%인지를 나타낸다. 둘째 자리는 시위길이의 몇 십% 위치에 최대 캠버가 위치한다는 의미이다. 마지막 두 자리는 최대 두께가 시위 길이의 몇 %인지를 나타낸다. 예를 들어 NACA 2315는 최대 캠버가 시위 길이의 2%, 최대 캠버 위치가 시위길이의 30%, 최대 두께가 시위길이의 15%인 에어포일을 의미한다.
1.3. 베르누이 방정식과 베르누이 이론
베르누이 방정식은 비압축성 유체의 유동에 대한 에너지 보존 법칙을 나타낸 것으로, 유체의 속도와 압력 및 높이의 관계를 설명한다. 이 방정식은 다음과 같이 표현된다:
1/2ρV^2 + ρgh + P = 일정한 상수
여기서 ρ는 유체의 밀도, V는 유체의 속도, g는 중력가속도, h는 높이, P는 압력을 나타낸다.
베르누이 이론이란 이 방정식을 기반으로 한 이론으로, 점성과 압축성이 없는 이상적인 유체의 유동 특성을 설명한 것이다. 이 이론에 따르면, 유체의 속도가 증가하면 압력은 감소하고, 반대로 속도가 감소하면 압력이 증가한다.
이는 비행기 날개와 관련하여 매우 중요한데, 날개 윗면의 유체 속도가 빨라져 압력이 낮아지고 날개 아랫면의 압력이 높아져 양력이 발생하게 된다. 이러한 베르누이 원리는 비행기가 뜨는 원리를 설명하는 데 핵심적이다.
1.4. 유도항력의 발생 원인
유도항력의 발생 원인은 다음과 같다.
비행기가 뜰 때 필요한 양력은 비행기 날개의 윗면과 아랫면의 양력차로 인해 생긴다. 하지만 날개의 길이가 유한하기 때문에 날개 끝에서는 공기가 밑면으로부터 윗면으로 휘감아 돌아가는 날개 끝 와류가 생긴다. 이 와류로 인해 날개 뒷전에 비행방향에 대하여 아래 방향으로 유도된 흐름인 내려씻음 흐름이 생긴다. 반대로 앞전에는 위 방향으로 유도된 흐름인 올려씻음 흐름이 생긴다. 이로 인해 수직 방향의 속도 성분인 유도 속도가 발생한다. 따라서 날개에 생기는 힘도 유도된 힘의 영향을 받는다. 양력은 날개를 향해 들어오는 수직인 방향의 힘이므로 내려씻음 속도로 인해 양력 성분이 뒤로 기울여 지는데 이때 양력 성분을 공기의 흐름의 방향에서 보면 항력 성분이 되므로 이를 유도 항력이라 한다.
2. 항공기 주요 조종장치
2.1. 에일러론
에일러론은 항공기 주날개 후방부 바깥쪽에 위치한 조종면이다. 에일러론은 항공기의 기울임을 통한 롤링 움직임을 조종하는 역할을 한다. 파일럿이 조종간을 왼쪽으로 젖히면 왼쪽 에일러론이 올라가고 오른쪽 에일러론은 내려가면서 오른쪽 날개의 양력이 상대적으로 더 높아져 항공기는 왼쪽으로 롤링하게 된다. 에일러론은 플랩보다 날개의 바깥쪽에 장착되는데, 이는 기체를 회전시키기 위한 회전모멘트를 발생시키는데 기체의 중심축에서부터 멀리 떨어져 있는 곳에서 모멘트를 발생시키는 것이 유리하기 때문이다. 반면 플랩은 이착륙 시 추가적인 양력이 필요한 경우에 사용되므로 방향전환을 할 때처럼 회전모멘트를 얻을 필요가 없어 날개의 안쪽에 장착되어 있다.
2.2. 엘리베이터
엘리베이터는 항공기 수평꼬리날개에 있는 조종면으로, 항공기의 상하움직임(Pitching)을 통해 상승, 하강할 때 사용된다. 조종사가 엘리베이터를 올리면 아래쪽으로 누르는 힘이 커져서 꼬리쪽이 내려가게 되고, 기수는 반대로 올라가게 된다. 반대로 엘리베이터를 내리면 기수가 내려간다. 초음속 비행기의 경우 엘리베이터와 수평꼬리날개의 경계부분에서 공기저항이 커져 이를 해결하기 위해 수평꼬리날개와 엘리베이터를 결합해 피칭 조종을 할 때 수평꼬리날개 전체가 움직이기도 하는데, 이를 스태빌레이터라고 한다.
2.3. 러더
러더(Rudder)는 항공기의 수직꼬리날개에 있는 조종면으로, 항공기의 좌우 움직임을 통해 좌우 방향을 조종하는 역할을 한다.
방향타를 우측으로 꺾었을 때(반시계방향으로 돌렸을 때) 방향타를 위에서 봤을 때 방향타의 좌측면 방향으로 양력이 발생한다. 이때 방향타의 우측면의 유속이 더 느리므로 압력이 증가하게 된다. 이를 통해 요잉 조종을 할 수 있으며, 자동차의 방향전환과 비슷하게 생각할 수 있다.
하지만 몇 가지 차이점이 있는데, 첫째는 방향타를 움직여 요잉을 시작하면 동체 자체도 항력을 발생시킨다는 것이다. 둘째는 동체가 만들어낸 추가적인 항력 때문에 바깥밀림(kick) 현상이 발생한다는 것이다.
따라서 러더는 항공기의 좌우 방향 조종에 필수적인 조종면으로, 요잉 운동을 통해 항공기의 방향을 전환...
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