1. 타원형 날개, 사각형 날개, 테이퍼형 날개
유도 항력(Indeced Drag)이라는 개념을 먼저 설명하겠습니다.
양력이라는 특성에 생기는 반대급부로 생기는 항력을 유도항력, 즉 양력의 발생에 의해 유도되는 항력이라고 합니다.
이론적인 해석에 의하면 양력발생에 의해 수반되는 유도항력이 최소가 되기 위해서는 타원형의 날개가 가장 좋은 성능을 가진다고 할 수 있습니다.
하지만 타원형의 날개 모양은 제작의 측면에서 볼 때도 난점이 있으며 구조적 관점에서 볼 때도 이상적이라고 할 수 없습니다.
제작에 있어서 '곡선'은 언제나 힘든 작업이며 구조 설계자의 입장에서는 날개 중앙에 양력이 집중되어 날개 길이 방향으로의 휨 모멘트를 작게 하는 것이 바람직하게 됩니다.
이러한 과정에서 직선 테이퍼형(날개 끝단으로 갈수록 날개의 폭인
시위길이 Chord가 줄어드는 모양)이 좋은 절충형을 제시해 주고 또한
제작상의 간편함도 제공합니다.
이렇게 항공기의 설계시는 모든 사항을 종합하여 고려해야 한다는 중요성을 인식해야만 하며, 고립된 하나의 면만 가지고 최적화해서는
안됩니다. 실속(Stall:공기의 흐름이 날개의 모양을 따라 흐르지 못하고 분리되어 양력이 소멸되는 현상)이라는 특성을 놓고 볼 때는 직사각형 날개도 장점을 가지게 됩니다.
직사각형 날개의 경우 날개의 뿌리부분에서부터 실속이 진행되기 때문에 날개 바깥쪽에 위치해 있는 조종면이 에일러론의 조종 효율을
좋게 합니다. 즉, 날개가 실속영역에 들어가더라도 정상적인 조종이
가능하디는 말이 됩니다. 이러한 직사각형 날개의 상대적으로 안전한
실속 특성은 경비행기를 조종하는 아마추어 조종사들에게 선호됩니다.
또한 , 제작의 측면에서 볼때도 타원형 날개나 테이퍼형 날개의 경우
날개길이 방향으로 모두 크기가 다른 리브(날개의 유선형 익형을 유지해 주는 부분)를 만들어야 하지만 직사각형 날개는 날개 길이 방향으로 모두 같은 모양의 리브를 사용하게 되므로 상대적으로 간단한
작업이 됩니다.
2.전진익과 후퇴익
날개를 앞으로 또는 뒤로 일정한 각으로 제친 형태를 전진익, 후퇴익이라고 말합니다. 이런 형태는 고속비행시의 특성 때문에 나오는 것입니다.
공기중을 비행할 때 받게 되는 공기의 흐름을 두 가지 성분으로 분해할 수 있습니다. 하나는 날개의 앞전(Leading edge)과 수직한 방향의
성분, 또 하나는 날개의 길이방향 성분입니다. 실제 공기 흐름의 속도보다 수직한 방향의 성분이 조금 작아지게 됩니다. 바로 이런 효과를
노린 것입니다.
음속 가까이 속도가 증가하게 되면 충격파(Shock Wave)라는 현상이
생기게 됩니다. 빠른 제트기가 지나가고 나면 큰 굉음이 들리는 것도
이러한 현상입니다. 이 충격파는 항공기에 급격한 항력의 증가를 가져오게 되므로 이러한 현상을 피하는 것이 공기역학자들의 관심이 됩니다.
이론적으로 충격파가 발생하는 속도는 날개위를 지나는 실제의 공기속도보다는 날개에 수직한 방향의 속도에 의해 결정됩니다. 따라서,
날개를 제침으로써 실제로 아주 높은 속도로 날고 있지만 고속유동의
충격파 현상을 다소 지연시킨 수 있게 되는 것이지요. 공기역학적으로 볼 때는 전진익 형태를 가지든 후퇴익 형태를 가지든 그 효과는 같게 됩니다.
그렇다면 왜 후퇴익 형태가 일반적인가 하는 의문이 생길 겁니다.
그것은 과거 항공기 구조 재료가 발달하지 못했을 때 전진익 형태를
취하기 위해 요구되는 구조적인 강도 때문이었습니다. 근래 들어서는
복합 재료라고 하는, 강도에 있어서의 방향성을 줄 수 있는 많은 소재의 개발로 전진익기의 연구도 활발히 진행되고 있습니다.
심지어는 한쪽날개는 전진익, 또 다른 한쪽은 후퇴익의 모양을 가지는 사선날개(Oblique Wing)라는 개념도 시도되고 있습니다.
전진, 후퇴익을 적용하는 또다른 이유로는 무게중심의 이동효과도 고려해볼 수 있습니다. 날개를 앞, 뒤로 제치는 효과에 의해 적절한 위치로 무게중심을 이동시키는 결과를 얻을 수도 있기 때문입니다.
이런 후퇴익의 착상은 비행기가 출현한 지난 몇십 년이나 지난 2차 대천을 전후해서 독일 과학자들에 의해 등장하게 되었습니다.
오로지 겉모양을 날렵하고 멋있게 하기 위해 후퇴익을 사용한다면 큰
실수가 될 것입니다. 왜냐하면 후퇴익은 오직 음속 근처나 음속보다
조금 빨리 비행하는 항공기의 설계시에 장점을 가지기 때문입니다.
오히려 저속을 비행하는 항공기에 있어서는 같은 속도, 같은 날개면적에서 후퇴각이 없는 날개보다 양력의 크기가 감소하게 됩니다. 결과적으로 후퇴각이 없는 날개와 동일한 양력을 발생하기 위해서는 더욱 큰 날개, 더욱 무거운 날개가 된다는 것입니다.
고속 항공기의 경우라 할 지라도 이착륙시는 저속으로 비행하기 때문에 전진, 후퇴익은 문제가 될 수밖에 없습니다. 비행영역의 대부분을
차지하는 순항시의 경제성을 택할 것인가, 대부분의 사고가 발생하는
이착륙시의 안전을 택할 것인가? 저속과 초음속 유동 양쪽 모두에서
좋은 효율을 가지는 날개를 설계하기란 쉽지가 않습니다.
이런 설계자의 고민이 바로 가변익을 고안하게 된 것입니다. 여러분이 잘 아시는 F-14와 같은 전투기는 고속 순항시는 날개를 뒤로 제쳐
후퇴익의 장점을 잘 활용하고 이착륙시에는 날개를 최대한 직선으로
만들어 저속특성을 좋게 하는 것입니다.
3. 삼각익
삼각익은 근본적으로 큰 테이퍼 경향을 가지는 후퇴익의 형상입니다.
발칸(Vulcan) 폭격기나 콩코드 여객기, 미라주 시리즈 등에서 볼 수
있는 형태입니다.
이런 형태가 나오게 된것은 구조적인 이점 때문입니다.
음속의 90%인 마하수 0.9 이하의 속도영역에서 비행하도록 설계된 아음속 여객기의 경우 약 25도에서 30도 정도의 후퇴각을 가지게 되지만 마하수 2 이상의 초음속으로 비행하려면 이론적으로 60도가 넘는 많은 후퇴각이 필요하게 됩니다.
속도영역이 증가할수록 더 많은 후퇴각이 필요하게 되는 것입니다.
후퇴각이 그 정도로 커지게 되면 충분한 구조적 강도를 가지는 날개를 설계하기가 어려워집니다. 날개뿌리에서부터의 길이가 길어질수록 구조적으로 약해지게 되는 이유이기도 합니다.
바로 이러한 이유로 삼각익이 공기역학적으로는 양력대 항력의 비가
빈약한 단점을 안고 있지만 쓰이게 되는 이유입니다.
또 하나의 장점이라면 넓은 날개의 부피를 가지므로 많은 연료를 탑재할 수 있다는 것입니다. 대부분의 연료를 날개속의 빈 공간에 탑재하는 항공기의 경우에 있어서는 항속거리를 길게 할 수 있다는 점은 큰 매력일 수밖에 없습니다.
자료출처(http://myhome.netsgo.com/saber5)