[소소한책읽기] 항공기 비행원리

항공기의 비행원리

 

항공기의 조종성

조종성이란

항공기의 평형 상태를 변화시키거나 원하는 평형상태를 맞출 수 있는 능력과 가속운동과 같은 불평형 상태를 만들어 낼 수 있는 능력

 

항공기는 공기력에 의해 비행하고 자세나 비행 상태를 변화시킬 때도 공기력을 이용한다

비행의 날개는 양력을 발생함으로써 동체를 공중에 떠오르게 하는 역할을 한다

항공기의 비행원리는 요yaw, 피치pitch, 롤roll 등 3개의 회전각에 따라 정해진다

항공기의 개발과정은 날개의 발전에 따라 이뤄졌다고 해도 과언이 아닐 정도로 날개는 매우 중요한 부품이다.

날개의 기술 발전의 에어포일의 개발과 날개 평면의 개선으로 성능이 향상되면서 달성됐다.

비행기의 날개를 수직으로 자른 단면을 에어포일, 날개단면이라고 하고, 날개골이라고 하기도 한다

에어포일은 유선형으로 되어 있어 공기 중에서 운동하며 날개에 양력lift, 항력drag 등을 발생시킨다. 양력은 커지고 항력은 줄어들도록 만든다.

에어포일의 구성

항공기의 3가지 축은 가로축, 세로축, 수직축 등이다.

가로축 : 항공기의 양 날개 끝을 연결한 선을 말하며 자세가 높아지고 낮아지는 운동과 관련된다. 항공기의 기수가 위, 아래로 움직이는 것을 피칭이라고 한다

세로축 : 항공기의 앞 부분에서 꼬리 부분을 연결한 선으로 항공기의 왼쪽, 오른쪽으로 구르는 듯한 움직임인 롤링과 연관된다.

수직축은 항공기의 중심 부분을 아래에서 위로 통과하는 선을 말한다. 항공기가 좌우로 회전하는 요잉과 관련된다.

 

안정성 : 정적안전성, 동적안전성

정적안전성 – 항공기가 평형상태에서 외란이 가해졌을 때 다시 중심으로 돌아오려는 힘

동적안정성 – 항공기가 평형상태에서 외란이 가해졌을 때 진동이 발생해 진폭이 감쇠되면서 안정되는 힘

 

항공기의 안정성 : 가로안정성, 세로안정성, 방향안전성

가로안정성 : 세로축을 중심으로 한 좌우안정으로 롤안정성, 주날개가 역할 수행

세로안정성 : 가로축을 중심으로 한 상하운동에 대한 안정으로 피치안정성, 수평꼬리날개가 구현

방향안정성 : 수직축을 중심으로 한 좌우안정으로 요안정성, 수직꼬리날개가 담당

양력과 항력계수

양력은 유체의 밀도에 비례

양력계수는 날개에 작용하는 힘에 의해 부양되는 정도를 수치화한 것이다. 날개 길이가 무한이 길고 단면이 동일한 에어포일로 만들어진 날개를 공기흐름에 넣고 받음각을 변화시키면서 날개에 작용하는 힘을 양력과 항력 성분으로 나누어 측정해 얻은 값을 말한다

양력계수에 영향을 미치는 요소

챔버, 날개의 두께, 앞전(leading edge) 반경

항공기에 작용하는 4가지 힘 : 추력Thrust, 항력Drag, 중력Weight, 양력lift

추력 : 항공기를 앞으로 나아가게 하는 힘, 항공기 엔진 힘에 의해 전진하는 에너지로 엔진 출력에 따라 달라진다

항력 : 공기흐름의 속도방향과 같은 방향으로 작용하는 힘, 유해항력과 유도항력이 있다.

유해항력 – 항공기 기체 표면에 공기의 마찰력이 발생해 생기는 항력, 형상항력, 마찰항력, 간섭항력

유도항력 – 날개를 통과하는 공기의 흐름이 날개의 끝단에서 발생하는 와류계 항력

중력 : 항공기 전체 무게를 말하며 힘은 항공기의 위치나 자세와 관계없이 지구 중심으로 향한다

양력 : 공기흐름의 속도방향에 수직한 방향으로 작용하는 힘

고양력장치

이착륙 때와 같은 필요한 경우에만 양력을 크게 하는 공기역학적인 특수장치를 날개에 설치하는데 이를 고양력장치라고 한다

플랩, 경계층제어, 동력형 고양력장치 등이 있다

 

플랩 : 날개의 앞전이나 뒷전에 움직일 수 있는 작은 날개 모양의 장치

앞전플랩 – 크루거 플랩, 슬로트 날개, 고정/가종 슬랫, 분출 플랩, 제트 플랩

뒷전플랩 – 평면 플랩, 스플리트 플랩, 잽 플랩, 슬로트 플랩, 플라워 플랩

 

속도 구분 아음속 subsonic speed : 마하 0.8 이하 천음속 transonic speed : 마하 0.8 ~ 1.2 초음속 supersonic speed : 마하 1.2 ~ 5.0 극초음속 hypersonic speed : 마하 5.0 이상

 

비행기의 최대 속도 : 전영역의 고도에서 항공기가 낼 수 있는 최대의 속도

비행기의 실속 속도 : 항공기가 실속상태에 들어갈 때의 속도

비행의 종류

등속수평비행, 상승비행, 활공비행, 선회비행, 실속비행

등속수평비행 : 일정한 고도와 속도로 비행하는 것

추력, 항력, 중력, 양력 등이 평행을 이루게 된다.

등속수평 비행에서 최대속도는 이용마력곡선과 필요마력곡선이 만나는 점

항공기가 일정한 속도를 유지하며 공중을 날기 위해서는 항력을 이겨내는 추력이 필요하다

 

필요추력 – 항공기가 일정한 속도로 공중을 날기 위해서는 항력을 이겨내야 하는 추력이 필요하고 이것이 필요추력thrust required

항공기에 요구되는 마력 – 정격마력, 순항마력, 이용마력, 필요마력, 여유마력

여유마력 – 필요마력이 항공기에 장착된 기관에서 발생하는 이용마력의 차이

필요마력 – 항공기가 일정 비행속도를 유지하는데 요구되는 마력

이용마력 power available – 추진력으로 이용될 수 있는 기관의 동력

순항마력 – 경제마력이라고도 하며 비연료 소모율이 가장 낮은 상태에서 기관출력을 말한다

정격마력 – 시간제한 없이 계속 작동이 가능한 최대동력, METC마력이라고 한다

 

상승비행 – 비행기가 상승하는 것

상승할 때 항력이 필요할 뿐 아니라 상승각에 따른 중력도 극복해야 한다.

 

활공비행 – 활주로에 착륙하거나 불시착하기 위해 고도를 낮추지만 동력기관을 작동하지 않고 비행하는 상태, 무동력 하강비행, 활공이라고 한다

활공각 – 항공기가 착륙하기 위해 활공을 하는데 비행경로와 수평면이 이루는 각

활공비 – 항공기가 전진하는 거리와 강하하는 고도의 비율

 

선회비행 : 고도를 일정하게 유지하고 수평으로 비행하는 것, 비행속도의 변화가 없다.

일정한 선회반경을 유지하기 위해서는 원심력과 구심력이 서로 평형을 이뤄야 한다.

고도를 유지하기 위해서는 구심력과 중력의 힘과 같은 양의 양력이 필요하다

 

실속비행 : 비행 중에 받음각을 증가시키면 날개 윗면에 흐름의 떨어짐이 발생해 양력이 급격히 감소해 실속하게 된다

실속stall 속도를 잃는다.

실속이 일어나는 이유는 속도의 감소, 받음각의 초과

항공기의 항속거리range : 적재한 연료를 사용해 비행할 수 있는 거리

항속시간 : 한 번의 연료로 비행할 수 잇는 시간

 

이륙할 때

정풍을 받으면 이륙거리와 이륙시간이 짧이진다

배풍을 받으면 이륙거리와 이륙시간이 길어진다

맞바람을 맞으면서 이륙하게 되면 지상 활주로가 짧아도 이륙할 수 있는 속도에 도달할 수 잇다

 

이륙활주거리 = 이륙거리

비행기가 이륙 후 안전고도 상공을 지날 때까지 수평거리

 

항공기의 착륙

정해진 최소 고도를 지나는 위치부터 착지하고 정지할 때까지를 말한다

 

착륙활주거리 = 착륙거리

비행기가 고도 150미터 지점에서 정지하는 지점까지 필요한 수평거리

역추진 장치 : 착륙할 때 추력의 방향을 바꿔 속력을 빠르게 줄여 착륙할 때 필요한 활주거리를 짧게 만드는 장치

항공기의 지면효과 ground effect

지표면 근처에 비행 중인 항공기에 대해 지표면의 간섭으로 인한 현상

지면효과는 이륙 직전 부양하는 순간이나 착륙 직전 접지 할 때 인지하게 된다

 

지면효과를 벗어난 항공기의 특징

안전성이 감소하여 순간적인 기수 상승현상이 발생하므로 유의

유도항력이 증가하므로 플로팅을 방지하기 위해 추력 증가가 필요

지시속도가 증가

동일한 양력계수를 유지하기 위해 받음각 증가

항공기의 날개

전진익 : 날개의 끝이 앞을 향하고 있는 날개로 날개에 가해지는 힘이 날개 전체에 골고루 분산되기 때문에 양력이 증가한다 후퇴익에 비해 최저 비행속도가 낮으며 이착륙 거리도 짧다

후퇴익 : 강도가 약하나 고속비행에 적합하지만 받음각이 커질 경우 충격파가 발생해 실속 위험이 높다

 

항공기의 프로펠러

허브라고 부르는 중심축과 2개 이상의 날개로 구성된다

프로펠러는 엔진에서 만든 힘을 받아 비행기가 앞으로 나아갈 수 잇는 추력을 발생한다.

고정피치프로펠러, 가변피치프로펠러

고정피치프로펠러 – 날개가 허브에 고정돼 피치각이 바뀌지 않는다

가변피치프로펠러 – 프로펠러 날개의 피치를 자유롭게 변화시켜 원하는 위치에 기계적으로 고정할 수 있다

프로펠러 날개의 수에 따라 2엽식, 3엽식, 4엽식

프로펠러 재질 : 금속(알루미늄, 스테인레스강), 복합소재, 목재

피치의 종류 : 기하학적 피치, 유효피치

기하학적 피치 – 프로펠러가 1회전할 때 앞으로 전진할 수 있는 이론적 거리

유효 피치 – 프로펠러가 1회전할 때 비행기가 공기 중에서 실제로 이동한 거리

 

출처 : 드론학 개론