1. 비행기 날개 주위에 시계방향으로 회전하는 순환와류가 생성된다고 알고 있습니다. 그것이 항력 때문이라고 하던데 항력에 의해서 비행기 날개 주위에 순환와류가 형성되는 이유가 뭔가요?
아마도 순환와류가 아니고 Bound Vortex(속박와류)일꺼에요
코타-쥬코브스키(Kutta-Joukowsky)의 양력이라고도 합니다.
속박와류란 날개골로 봤을 때 앞전이 왼쪽, 뒷전이 오른쪽인 그림을 두고 설명했을 때
윗면으로 흐르는 흐름과 아랫면으로 흐르는 흐름을 구분해서 생각해야 해요
일단 날개 주의의 공기 흐름을 V라고 하면 윗면과 아랫면은 똑같이 V의 속도로 공기가 흐릅니다.
문제는 윗면에서는 아랫면보다 상대적인 속도인 (+) u 가 발생하고 반대로 아랫면은 (-)u가 발생합니다.
눈에 확연하게 차이 나지 않지만 결과론적으로 윗면의 공기 흐름의 속도는 V + u 이고
아랫면은 V - u의 입니다. 따라서 시계방향의 흐름이 날개골에서 생기는거죠
날개의 형태에 따라 속박와류와 기타 와류들이 발생하는데요
2. [이 부분에서는 글라이더의 비행을 생각해주세요 (23000원 정도)]비행기 날개 주위에 순환와류가 생겨 있고, 글라이더는 바람을 타고 비행하고 있습니다. [<-] 비행기의 방향이 왼쪽으로 가고있고, [<-] 바람도 왼쪽으로 불고 있습니다. 그러면 순환와류 즉, 글라이더 날개 윗전의 오른쪽으로 가는 순환와류 [->] 는(시계방향으로 순환와류가 생기니까 오른쪽으로 공기가 흐르겠죠?) 바람과 서로 상쇄되고, 글라이더 날개 밑전의 순환와류[<-] 는 바람이 순환와류를 강화시켜서 밀도가 낮아지겠죠. 결론은 비행기 날개 윗전의 밀도가 아래쪽보다 높음으로 인해서, 비행기는 추락하는 것이 정상입니다. 그러나 실험결과는 그렇지 않죠. 왜 그렇죠?
아마도 날개에서 양력이 발생하는 이유인 속도에 답이 있다고 생각되는데요
예를 들어 글라이더를 그냥 손에서 바닥으로 떨어뜨린다면 그냥 추락하죠
글라이더를 날릴땐 사람의 힘에 의해 날리게 되고 날개에 속도 V가 생기기 때문에 양력이 발생하고 날게되죠
그 힘이 떨어질 때쯤이면 추락하겠지만 정풍이 계속 불어준다면 계속 바람을 타고 날겠죠
하지만 배풍이 불어도 바로 추락하지 않는 이유는 글라이더이기 때문이라고 생각되네요
바람을 잘 타게 만들어졌고 다시 설명하면 양력발생이 쉽도록 만들어졌기 때문이죠
어느 정도 상공에 있는 글라이더라면 떨어지는 과정에서도 약간의 양력이 발생되지요
떨어지는 방향으로 속도가 붙으면 당연히 날개는 또 양력을 발생할 테니까요
그러다가 다시 정풍을 만나면 또 뜨고 그러겠죠
이런거 아닐까요??
3. 비행기의 수평꼬리날개는 말그대로 비행기가 수평비행하도록 도와준다고 알고 있습니다. 왜 그런지 설명해주세요.
비행기의 후미동체에 있는 수직/수평 꼬리날개는 윗면과 아랫면의 굴곡차이가 별로 없어요
수평꼬리 날개를 이용해서 항공기 후미 방향을 위/아래로 움직여서 항공기가 상승/하강비행하게 하죠
수평비행을 도와주는 장치는 horizontal stabilizer라고 하는 장치인데
수평꼬리날개는 두개의 조각으로 되어 있고 상승/하강 비행시에는 Elevator를 움직여서 상승/하강조종을 합니다. 아래 홈피에 들어가시면 항공기에서 Elevator의 역할에 대해 그림과 함께 설명이 되어있으니 참고하시고요
http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/elv.html
horizontal stabilizer는 수평 꼬리날개 전체를 움직여서 수평/상승/하강조작을 도와주거나 조종합니다.
민항기의 경우는 컴퓨터가 자동으로 조작하여 상승/하강/수평비행을 유지해야 할 때
조종사가 컨트롤 칼럼을 계속 조종하지 않고도 그 비행상태를 유지할 때 사용하고
전투기의 경우 Elevator를 움직이는 것보다 수평꼬리날개자체를 움직이는 게 큰 기동을 쉽게 할 수 있게 때문에
민항기와는 반대로 조종하는데 사용합니다.
horizontal stabilizer는 Elevator만 생각해보면 이해가 됩니다.
4. 비행기의 수평꼬리날개는 앞쪽의 앞날개를 통과한 기류의 영향을 받나요? 앞날개의 기류의 영향을 받는다면 어떻게 기류가 흘러가는지 설명해주세요.
수평꼬리날개는 엔진후류의 영향을 받지만 주날개의 기류에 영향을 받진 않습니다.
5. 수직꼬리날개가 비행기의 좌, 우 방향을 결정하는 원리는 무엇인가요?
수직꼬리날개는 배의 키라고 생각하시면 쉽게 이해됩니다.
배가 좌현으로 틀고자 할 때 키는 (/) 모양이되고 배의 후미를 (→)으로 움직여 배의 머리를 좌현으로 틀죠
항공기도 같습니다. 일단 수직꼬리날개는 날개골이긴하지만 주날개처럼 굴곡차이가 있는게 아닙니다.
배와 같이 항공기의 헤딩을 좌측으로 하려한다면 수직꼬리날개의 Rudder를
| (↑ 전방)
/ (Rudder)☜요렇게 하면 항공기의 후미동체는 (→)방향으로 움직이게 되고 항공기의 헤딩은 좌측으로 움직입니다.
결과론적으로 수직꼬리날개의 Camber가 커져서 위의 그림상 오른쪽으로 양력이 발생하여
항공기의 후미동체가 (→)방향으로 움직이는 모멘트를 발생합니다. 수평꼬리날개도 마찬가지입니다.
6. 베르누이의 원리가 맞다고 생각하시면 배면비행, 종이비행기가 나는 원리를 베르누이의 원리를 적용해서 설명해주세요.
배면비행도 마찬가지입니다. 배면비행시 수평꼬리날개를 ____ / 올려서 수평꼬리날개 아랫면에서 양력이 발생하여 후미동체를 아래로 움직이는 모멘트가 발생되고 반대로 전방동체는 위로 올라가는 힘을 받게 됩니다.
만약 위와 같은 조작(혹은 반대방향)을 지속적으로 하지 않는다면 항공기가 수평비행하는 것을 유지하기 힘듭니다. 주날개에선 계속 아래방향으로 양력을 발생시키기 때문이죠
종이비행기는 잘 모르겠네요 하지만 종이비행기도 날개의 형태와 관련이 있습니다.
7. 유도항력 때문에 윙렛을 비행기 날개 끝쪽에 설치한다고 알고 있습니다. 유도항력을 줄일려는 이유가 무엇이지요? 기체가 흔들리기 때문인가요? 설명해주세요
먼저 날개 아래로 흐르는 흐름의 힘이 위로 흐르는 힘보다 강합니다. 실험에 의해 나온 것이구요
항공기가 점점 고속비행을 하려고 하다 보니 날개의 형태도 많이 바뀌게 되었습니다.
직사각형에서 삼각형, 뒷젓힘날개, 앞젓힘날개 등으로 말이죠
민항기의 경우 삼각형날개이면서 뒷젓힘날개의 형태를 띄고 있는데요
날개골을 봤을 때 동체 가까이 있는 날개골이 동체에서 멀리 있는 날개골보다 큽니다.
크다는 얘긴 날개의 앞전과 뒷전과의 길이가 길다는 얘기고요
위와 같이 동체에서 날개끝방향으로 흐르는 흐름이 생깁니다.
그리고 날개에선 여러가지 와류들이 발생하는데 속박와류, 날개끝 와류, 출발와류 등이 있습니다.
속박와류는 위에서 설명했고 날개끝 와류(Wing Tip Vortex)는 날개 윗면은 부압(-)이고 아랫면은 정압(+)이기 때문에 날개의 앞전이던 뒷전이던 아무곳으로나 위로 올라오려는 흐름이 생기는데 그로 인해
항공기 주변의 흐름까지 바꿔버립니다. 이건 Down Wash(내리흐름)라고 하고
(그림 1)
(그림 2)
그림 1과 그림 2가 함께 발생하면서 아래와 같이 주변 흐름까지 변화시킵니다.
유도항력은 Down Wash로 인해 발생되는 항력인데 날개골 위로 흐르는 흐름 때문에
→ 방향으로 흐르던 공기는 날개위를 지나면서 ↘방향으로 바뀌게 되고 이현상이 모여 Down Wash가 됩니다.
그래서 날개에서 받음각의 변화가 생기는데 이때의 변화는 아주 작습니다.
윙팁 설명하려다 장황하게 길어졌는데요 저는 위에 내용 이해하느라 좀 고생했는데 아직도 많이 어려워요
윙팁 혹은 윙렛은.... 날개 전체로 봤을 때 동체주변에서 양력발생이 제일 크고 윙팁으로 갈 수록 양력이 0에 가까워지고 또한 날개 아랫면의 정압(+)들이 자꾸 윗면으로 올라오려하고, 또한 Down Wash로 인해
그나마 양력발생하는 것마저 못하게 해벼리는걸 막기위해 날개골모양으로한 조그마한 날개를 세워서 장착하는거에요 결국에 양력을 더 발생시키려고 그러는거죠
유도항력은 날개에 양력을 발생시키기 위해 꼭필요한 필요악이죠
양력이 발생하는 동시에 항력도 발생하니깐요 형상항력이나 마찰항력같이 유도항력도 어쩔 수 없이 발생되는 항력의 하나이구요
B777의 경우 날개를 완전 컴퓨터로 제작해서 윙렛이 필요없는 최적의 날개를 제작했기 때문에 구지 윙렛이 필요없다고 하네요 윙렛의 장착으로 인해 항속거리가 길어지는데 초기 B767항공기나 B757, 737항공기에 윙렛을 장착하는 경우도 있죠
최근에 B777-300ER의 경우 윙팁부분을 조금 변형했는데 기존의 뒷젓힘각보다 조금 더 뒷젓힘각을 주고
윙렛만한 조그마한 날개를 세워서 장착하는게 아니고 기존의 날개와 같이 장착하는 형태를 띄고 있습니다.
B787의 경우 확연히 세워져 있게 보이는 윙렛이 아니라 부드러운 곡선으로 세운것과 같은 형태를 띄는 것까지 발전했구요
쉽게 쉽게 설명하려 했지만 워낙 비행원리가 어려운부분이라 이해하기 어려운 부분이 있을 수도 있는데요
속박와류나 날개끝 와류, 출발와류, Down Wash 등은 구글등에서 비행원리 로 검색하면 학교에서 사용하는 교육자료들이 잘 나와있으니깐요 모르시면 검색도 해보시구요
질문도 하시구요 아는데까지 알려드릴께요