비행과 항공 역학(Aerodynamic of Flight)

비행 중 항공기에 작용하는 4가지 힘 (Forces Acting on the Aircraft)

 

비행 중인 항공기에는 추력과 항력, 양력과 무게의 힘이 작용한다. 이 힘에 대해서 알고 그 힘을 엔진 출력과 조종면을 통해서 조절하는 법을 이해하는 것이 비행에 있어 필수적이다. 이 단원에서는 어떻게 추력과 항력, 양력과 무게, 하중계수 등을 어떻게 조절할지에 대해 기술한다.

 

추력(Thrust)

항공기 엔진, 혹은 프로펠러, 또는 회전날개에서 발생하는 힘으로 항공기를 앞으로 전진시키는 힘이다. 이는 항력과 반대방향으로 작용하며 일반적으로 항공기의 세로축과 평행하게 작용한다.

 

항력(Drag)

날개와 회전날개, 그리고 동체나 다른 돌출된 부분은 공기흐름에 대한 저항을 발생시키고, 힘(저항)은 뒤로 향하여 항공기의 전진을 방해하는 힘이 된다. 항력은 일반적으로 추력에 반대되고, 상대풍(Relative Wind)과 평행하게 작용한다.

 

양력(Lift)

항공기의 날개(에어포일)가 공기 중을 통과하면서 발생되는 힘이다. 양력은 항공기 비행경로(상대풍)에 대해 수직으로 작용하고 양력의 중심위치는 받음각의 크기에 따라 변한다. 수평 비행에서 양력과 중력은 반대방향으로 작용한다.

 

무게(Weight)

무게는 항공기 자체의 무게, 승무원, 연료, 화물 등의 무게를 합한 것이다. 무게는 중력에 의해 항공기를 아래로 끌어당기는 힘이다. 이는 양력과 반대로 작용하며, 항공기 무게중심(Center of Gravity, CG)을 통하여 지구중심을 향해 작용한다.

 

비 가속 직진수평비행에서는 양력과 무게, 추력과 항력은 서로 균형을 이룬다. 이는 이들 4가지 힘이 모두 똑같다는 말이 아니다. 이는 서로 영향을 주는 반대방향(Vector)이 되는 힘들끼리 동일하다는 뜻이다. 추력(Thrust)과 항력(Drag), 양력(Lift)과 중량(Weight)의 힘 벡터는 동일한 값을 나타낸다. 비 가속 수평비행에서 위로 향하는 힘(단지 양력만은 아님)들의 합은 아래방향으로 향하는 힘(단지 무게만이 아님)의 합과 같다.

비 가속 직진수평비행에서 "추력은 항력과 같고, 양력은 무게와 같다."는 다음의 비행 상황에서는 다르게 생각하여야 한다. 즉, 상승을 하거나 저속비행을 할 때 항공기 기수가 들림(받음각의 증가)으로써, 추력의 일부는 위를 향하여 양력처럼 작용하고 양력은 뒤를 향하여 항력(유도항력)처럼 작용한다는 것을 알아야 한다. 저속 수평비행에서는 추력이 위를 향하는 힘으로 작용은 하나 수평비행이기 때문에 무게는 항력으로 작용하지 않는다. 

활공을 할 때에는 무게의 벡터가 나뉘어 그중 하나는 비행경로의 앞에 위치하여 추력처럼 작용한다. 항공기의 비행경로가 수평이 아닌 상태에서는 양력, 항력, 추력, 무게들이 작용하는 힘의 벡터는 두 개의 분력으로 나뉜다.

 

다른 중요한 개념으로는 받음각(Angle of attack, AOA)이 있다. 받음각은 항공기의 시위선과 상대풍이 이루는 각도를 의미한다.

이전에는 이러한 개념들은 상당히 많은 서적과 메뉴얼 등에서 누락되어 있었다. 이는 위의 개념들이 중요하지 않아서가 아니라, 공기역학자의 전문적인 부분이 많아 고려되고 조종사에게는 비행조작에 필요한 주요 사항만을 설명하기 위하여 배제되었기 때문이다. 활공과 상승, 수평비행에 대해서만 한정해 정확히 말하자면 양력이 위로 작용하고 중력이 아래로 작용한다는 것은 엄연한 사실이다.

 

추력(Thrust)

- 항공기를 움직이려면 추력을 항력보다 크게 하여야 한다. 속도의 증.감속 없이 일정한 속도를 유지하기 위해서는 추력과 항력이 같아야 한다. 만일 수평비행상태에서 엔진출력을 줄이면, 추력은 항력보다는 작아지게 되고 항공기는 감속하게 된다. 추력이 작아지면 항공기는 계속 감속하게 되는데, 속도가 줄어들면 항력도 같이 감소하게 된다. 항공기 추력과 항력이 같아지는 속도까지 감속하게 된다.

항공기가 움직이려면, 추력은 항력을 초과하여야하며 추력과 항력이 같아질 때까지 가속하게 된다.

직진 수평비행은 넓은 범위의 속도에서 이루어진다. 조종사는 받음각과 추력을 이용해 다른 속도에서도 수평비행 상태로 만들 수 있다. 여기서 중요한 것은 양력은 받음각과 속도에 의해 매우 다양한 값이 나온다는 것이다. 저속의 높은 받음각이 만드는 양력과 고속의 낮은 받음각이 만드는 양력이 같을 수 있다.

만일 저속비행 상태라면 양력과 무게의 균형을 유지시키기 위해 받음각을 증가시켜야 한다. 추력이 감소하면 항공기의 속도가 감소할 것이고 이에 따라 양력이 감소하여 항공기는 하강할 것이다. 이에 고도를 유지하기 위해서는 양력과 중량이 다시 같아지도록 받음각을 증가시켜야 한다. 항공기가 더 느려진다면 더 많은 받음각이 필요하다.

속도가 변하여도 받음각의 조절로 양력과 무게를 같에 유지시켜 줄 수 있다. 항공기의 속도는 조종사가 의도적으로 특정한 속도에 맞추려고 하지 않는한 추력과 항력이 같아지는 지점까지 가.감속된다.

직진 수평 저속비행은 우리에게 4가지 힘의 균형과 관계된 흥미로운 점을 보여준다. 항공기가 기수가 들린 자세에서는 추력의 수직분력이 양력으로 전환되어 양력으로서 효과를 내게 된다. 이때 날개에 걸리는 하중은 예상했던 것보다 덜한 경향을 보인다.

수평비행에서 추력을 증가시키면 속도는 증가하고, 양력 또한 증가한다. 항공기는 받음각을 조절해 양력과 무게의 균형을 맞추지 않으면 항공기는 상승하려 한다. 이때는 받음각을 줄여서 증가하는 양력을 무게와 균형을 이루도록 하여야 한다. 받음각을 너무 많이 줄이면 항공기는 강하하게 되고 받음각을 너무 천천히 줄이면 항공기는 고도유지를 못하고 상승하게 된다.

항공기의 속도가 추력에 의해 변화되고 속도의 변화는 양력의 크기를 변화시키므로 일정한 고도를 유지하기 위해서는 받음각을 조절해야 한다. 고속의 상태에서는 심지어 음의 받음각이 필요하기도 한다. 

속도를 줄였다면 받음각을 증가시켜야 하는데 추가적인 받음각 상승은 실속으로 이어지는 임계받음각까지 갈 수도 있다. 그러므로 저속에서 출력을 조정할 때 임계받음각을 초과하지 않도록 주의할 필요가 있다. 항공기에 받음각 지시계가 장착되어 있다면 임계받음각에 근접하는 것을 확인할 수 있다.

몇몇 항공기는 받음각 대신 추력의 방향을 바꿀 수 있다. 이는 엔진의 각도를 바꿔주거나 배기가스의 방향을 바꾸는 것으로 가능하다.

 

양력(Lift)

조종사는 조종간을 앞뒤로 움직여 받음각을 변화시킴으로써, 양력을 조절할 수 있다. 모든 요소가 일정하다면 받음각이 증가할 때, 양력도 같이 증가한다. 항공기가 최대의 받음각에 도달하면 양력이 급격히 줄어들기 시작하는데, 이를 실속받음각, 즉, 임계받음각(Critical AOA)이라고 한다. 양력계수가 임계받음각에 도달할 때까지는 증가하고, 임계받음각을 초과하면 급격하게 양력이 감소되는 것을 볼 수 있다.

양력의 크기는 항공기의 속도 제곱에 비례한다. 예를들면, 받음각과 다른 요소들(양력계수, 공기밀도, 날개면적)이 일정하면 200노트의 항공기는 100노트의 항공기보다 4배의 양력을 발생시킨다.

위의 양력공식은 속도가 2배가 되면 양력은 4배가 된다는 것을 수학적 예를 통해 뒷받침하고 있다. 결론은, 속도는 양력 생성의 중요한 요인이다. 양력 방정식에서 양력은 공기밀도, 속도, 날개의 면적, 그리고 양력계수를 통해서 결정된다.

이 공식을 살펴보면 수평 비행에서 일정한 받음각을 유지한 채 속도를 증속시키면 고도를 유지할 수 없다는 것을 알 수 있다. 항공기는 속도가 증가하는만큼 양력이 증가되어 상승하게 된다. 수평비행을 하기 위해서는 속도가 증가하더라도 양력은 일정해야 하므로, 기수를 내려 받음각을 감소시킴으로써 해결할 수 있다. 반대로 항공기를 감속시킬 때는 속도가 줄어들어 양력이 감소하므로 받음각을 늘려서 양력을 유지하여야한다. 실속을 피하려면 받음각을 얼마까지 증가시킬 것인지 제한을 두어야 한다.

다른 모든 요소가 일정하다면, 받음각이 변하여도 고도가 변하지 않도록 하기 위해서는 속도를 조절하여야 한다. 플랩 등의 다른 고양력 장치가 없다는 가정 하에 임계받음각 또는 실속받음각 직전에서 양력을 증가시키는 법은 속도를 증가시키는 것이다.

양력과 항력은 또한 공기밀도의 영향을 크게 받는다. 이 밀도는 여러 요인의 영향을 받는데, 이는 기압, 기온, 습도이다. 1만8,000피트 에서의 대기압은 해수면의 절반 수준이다. 즉, 고고도에서 비행하려면 항공기는 더 많은 진대기속도(True Airspeed, TAS)가 필요하게 된다.

더운 공기는 찬 공기보다 밀도가 낮고, 습한 공기는 건조한 공기보다 밀도가 낮으므로 같은 양력을 발생시키기 위해서 덥고 습한 날씨에서는 건조하고 시원한 날씨보다 더 큰 진대기속도가 필요하다. 공기밀도가 줄어든 상태에서 양력의 크기를 일정하게 유지하려면 통상 조종사가 직접 조종할 수 있는 속도나 받음각을 증가시킨다.

양력은 날개의 크기에도 비례한다. 다른 요인이 일정하다고 가정했을 때 200평방피트의 날개는 100평방피트의 날개보다 2배의 양력을 제공한다.

조종사는 양력의 크기를 변화시킬 때 속도와 받음각으로 조절할 수 있다. 물론 고도를 맞춤으로써 공기밀도를 맞출 수 있고 고양력장치 등을 이용해서 날개의 면적을 조절할 수 있으나, 속도와 받음각을 변화시키는 것이 일반적이다.

 

양력과 항력의 비(Lift/Drag Ratio)

항공기의 양력-항력비율(Lift-to-Drag Ratio, L/D)은 항공기 날개 또는 에어포일에서 발생되는 양력과 항력의 비율을 의미한다. 이 양항비는 항공기 에어포일의 효율성을 의미한다. 더 큰 양항비를 갖는 항공기는 낮은 양항비를 가진 항공기보다 더 효율적이다.

양력과 항력값이 일정한 비 가속비행 상태에서 특정 받음각에 대한 양력계수와 항력계수를 계산해낼 수 있다.

양력계수는 차원(길이, 넓이, 부피 등)이 없는 것이며 양력몸체(양력을 만드는 몸체)에 발생하는 양력, 양력몸체 주위 유체흐름의 동압 그리고 양력몸체에 해당하는 면적과 관련되어 있다. 

항력계수 또한 차원이 없는 것이며, 공기와 같은 유체환경 하에서 물체의 항력을 정량화하는데 사용되며, 항상 특정 표면면적에 관련된다.

양항비는 양력공식을 항력공식으로 나눈 것인데 각 변수가 서로 상쇄되고, 계수만이 남아 결국 양력계수를 항력계수로 나눈 값이 된다.

일반적으로 낮은 받음각에서 항력계수는 낮고, 받음각이 조금 변화하더라도 변하는 항력계수의 양은 크지 않다. 높은 받음각에서는 받음각의 작은 변화라도 큰 항력계수의 변화를 일으킨다. 받음각의 변화와 마찬가지로, 에어포일의 형상도 양력 생산에 영향을 끼친다.