비행기 항력(Drag)

항력은 항공기가 앞으로 진행하려는 운동을 방해하는 힘이다. 항력에는 크게 유해항력(Parasite Drag)과 유도항력(Induced Drag)으로 구분한다.

유해항력(Parasite Drag)
유해항력은 Parasite라는 단어가 의미하듯이 항공기 주변 공기의 흐름, 난기류, 또는 항공기 에어포일등 항공기 형상으로 인해 공기의 흐름을 방해함으로써 발생하는 항력이다. 유해항력은 형상항력(Form Drag), 간섭항력(Interference Drag)과 표면 마찰 항력(Skin friction Drag) 3가지로 나뉜다.

-형상항력(Form Drag)
형상항력은 항공기 동체와 그 주위를 지나가는 공기의 흐름으로 인해 생겨나는 항력이다. 예를 들면 엔진덮개, 안테나, 그리고 다른 구성품들은 공기의 흐름을 방해하여 항공기의 진행을 방해하는 저항의 힘을 발생시킨다. 항공기를 통과하는 공기는 분리되었다가 다시 합쳐지는 과정을 거치는데, 얼마나 빨리, 부드럽게 합쳐지느냐가 형상항력을 만들어 내는 대표적인 것이며, 이를 극복하려면 추가적인 힘이 필요하다.
평판을 지나가는 공기가 모서리를 거치면서 다시 합류할 때까지 크게 소용돌이치며 항력을 발생시킨다. 형상항력을 줄일 수 있는 방법은 가능한 많은 부분을 유선형으로 설계하는 것이다.

-간섭항력(Interference Drag)
간섭항력은 소용돌이, 난기류, 부드러운 공기흐름이 교차되면서 발생한다. 예를 들면, 날개와 동체가 만나는 날개 뿌리 부분에서 상당한 간섭항력이 발생하는데 이유는 동체를 지나는 공기흐름과 날개를 지나는 공기흐름이 서로 충돌하여 이전의 두 공기흐름과는 다른 공기흐름으로 합쳐진다. 가장 간섭항력이 크게 작용하는 부분은 두 면이 수직으로 만나는 부분이다. 주로 이런 곳에서는 항력을 줄이기 위해 페어링을 장착한다. 페어링과 외부장비, 날개의 간격을 떨어지게 놓는 것으로 간섭항력을 줄일 수 있다.

-표면 마찰 항력(Skin friction Drag)
표면 마찰 항력은 공기가 항공기 표면을 지나갈 때 발생하는 공기역학적 저항이다. 항공기 표면 위로 지나가는 공기분자들은 항공기의 속도만큼 속력을 갖는다. 이를 자유기류속도(Free Stream Velocity)라고 한다. 이 자유기류속도층과 항공기 표면 사이를 경계층(Boundary Layer)이라고 한다. 이 경계층의 바로 위쪽에서의 공기 분자들은 경계층 위에 흐르는 공기와 비슷한 속도로 움직인다. 이 공기분자들의 속도는 날개의 형태나 공기의 점성, 압축정도에 따라 달라진다.
이 경계층이 날개 표면으로부터 분리될 때 양력의 감소와 항력의 증가를 가져오는데, 대표적인 현상이 실속이다.
표면 마찰 항력을 줄이기 위해서 항공기 설계자들은 끝을 평평하게 한 리벳을 사용하고 불규칙적으로 튀어나온 날개의 표면들을 깨끗하게 제거한다. 추가적으로, 날개를 부드러운 표면으로 마감을 해준다. 항공기 표면의 진흙, 먼지 등은 공기흐름을 방해하고 항력을 증가시키므로 항공기의 표면은 항상 깨끗한 상태로 유지해야 한다.

유도항력(Induced Drag)
기계적으로 작동하는 시스템이 100% 효율적일 수는 없다는 것은 확고한 사실이다. 즉, 시스템의 특성이 무엇이든지 필요한 작업은 시스템에서 소실되거나 손실되는 특정 추가 작업을 희생시키면서 수행되므로 100% 효율을 발생하지 못한다. 시스템 효율이 높을수록 이러한 손실은 작아진다.
수평 비행에서는 날개 또는 회전익의 특성에 따라 양력이 발생하지만 이는 특정 불이익을 희생해서만 얻을 수 있다. 이 불이익에 주어진 이름이 유도항력이다. 유도항력은 에어포일이 양력을 생성할 때마다 같이 발생하며 양력의 생성으로부터 뗄 수 없는 것이다. 즉, 유도항력은 양력이 생성되는 한 항상 존재한다.
에어포일은 자유공기흐름이 갖는 에너지를 통해서 양력을 생성한다. 에어포일이 양력을 발생시키는 원리는 에어포일 아랫면의 압력이 윗면의 기압보다 크다는 베르누이의 정리로 설명할 수 있다. 물체는 고압에서 저압으로 흘러가려는 성질이 있는데 이는 아주 자연적인 현상으로 모든 물체에 적용된다. 따라서 날개에 흐르는 공기는 압력이 높은 날개 아래에서 압력이 낮은 날개 위로 올라가려 하는 특성을 갖는다.
날개 끝 부분에서 이러한 압력차이로 공기의 흐름이 날개 밑면에서 윗면을 향하여 바깥쪽으로 흐른다. 이러한 측면 흐름은 날개 끝 공기에 회전속도를 주어 에어포일 뒤쪽에 와류(Vortex)를 형성하게된다.
항공기 뒤에서부터 보면 와류는 오른쪽 날개 끝에서 반시계 방향으로 회전하고, 왼쪽 날개 끝에서는 시계방향으로 회전한다. 이 공기흐름이 날개 뒤쪽으로 돌아 나아가면서 아래로 향하게 되는데 이를 하향기류(Downwash)이라고 한다.
와류의 회전방향이 날개 앞전 위로 흐르는 공기흐름을 유도하고, 날개 뒷전에서는 하강하려는 공기의 흐름으로 유도하려는 것을 알 수 있는데 이 흐름이 유도항력을 발생시키는 원인이 된다.
하향기류의 영향으로 상대풍은 약간 위로 올라간다. 양력은 상대풍에 수직으로 작용하므로, 위로 올라간 상대풍에 수직으로 발생하는 양력은 항공기 진행방향과 수직을 이루지 않고 약간 뒤로 처지게 된다. 전진방향과 비교하여 뒤로 처진 양력은 비행방향과 수직인 성분과 비행의 방향과 반대로 작용하는 수평성분으로 나뉘며, 이것들은 각각 양력과 항력 성분으로 작용된다. 이때 항력성분으로 작용되는 양력의 수평성분이 곧 유도항력이 된다.
하향기류가 클수록 양력의 방향은 뒤로 많이 처지게 되고 그만큼 유도항력은 증가된다. 유도항력은 받음각의 크기에 비례하여 증가한다. 만일 받음각이 없고, 에어포일이 평평하다면 에어포일 위와 아래의 압력차는 없을 것이다. 이러면 내려 씻음도 없고, 유도항력도 발생하지 않는다. 그러나 받음각이 증가되면 와류의 증가로 하향기류가 증가하여 유도항력 또한 증가한다. 이를 다르게 설명하면 낮은 속도에서는 항공기의 무게와 양력을 맞추기 위해 더 큰 받음각이 필요하며, 이는 더 큰 유도항력을 발생시킨다. 유도항력의 크기는 속도의 제곱에 반비례한다.
받음각을 증가시켜 실속 속도까지 감소시킬 경우 급격하게 증가하는 유도항력으로 인해서 항력이 커질 것이다.