비행역학과 항공기(Aerodynamics and airplanes)-2

받음각과 양력

 

양력은 항공기 속력에 비례하며(예를 들면 같은 항공기로서 200노트의 항공기는 100노트의 항공기보다 4배의 양력을 가진다) 양력계수는 양력 생성에 있어 작용하는 복잡한 변수를 모델링하기 위해 쓰인다. 양력계수는 항공기 실속 속도에서 가장 큰 값을 가지게 된다.

고고도에서 높은 진대기속도는 어떠한 받음각에서도 요구되는데 이는 공기의 밀도가 고도에 따라 감소하기 때문이다. 그라운드 효과에서는 항공기는 낮은 받음각을 필요로 하는데 그라운드 효과에서 벗어났을 때와 같은 양력을 만들기 위함이다. 받음각은 항공기의 양력, 속도, 항력을 제어하며 실속 속도 이상에서 속도를 높이기 위해서는 받음각과 양력계수 둘 다 줄여야 한다. 터빈으로 돌아가는 항공기는 실속에 있어 프로펠러 항공기와 다르며 프로펠러 항공기는 높은 출력을 설정하여 상당량의 양력을 생산할 수 있는데 프로펠러의 에어포일을 지나 가속되는 공기가 만들어 낸다. 이는 최대 양력 받음각을 효과적으로 생산한다. 터빈엔진 항공기는 실속에서의 받음각이 기본적으로 추력 여부에 관계없이 동일하다. 항공기의 실속속도에 영향을 주는 요소 중 하나는 파워플랜트의 종류이다. 프로펠러 뒤쪽의 후류속도는 발생된 추력에 따라 자유류(free stream)속도와 다르다. 그러므로 프로펠러 항공기가 낮은 속도의 높은 출력일 경우 동압이 상당해지고 출력이 없을 때보다 상당히 큰 양력을 나타낸다. 보통의 제트 항공기는 프로펠러 항공기에서 나타나는 유도된 흐름(induced flow)을 경험하지 않다. 가장 중요한 요소는 추력의 수직요소이다.

 

항력

 

최대 양항비 속도로 감속하면, 유도항력의 증가로 인해 총 항력은 증가한다. 최대 양항비보다 낮거나 높은 받음각은 항공기의 총 항력을 증가시킨다. 최대 양항비에서 프로펠러 항공기는 최대 항속거리와 최대 엔진아웃 글라이딩 거리를 가질 수 있다. 최대 양항비는 주어진 받음각과 양력 계수에 대한 공기역학적 상수이므로 무게에 영향을 받지 않는다. 최대 글라이딩 성능을 가지기 위해서는(예: 거리나 항속거리) 활공속도가 항공기 중량에 따라 달라야 한다. 항공기 중량의 증가는 활공속도의 증가를 필요로 한다. 최대 양항비가 비행 중 유지된다면, 무게에 관계없이 같은 활공범위를 가지게 된다. 항공기가 지면효과에서 벗어나면 유도항력의 증가 때문에 동일한 양력계수를 유지하기 위한 받음각의 증가를 필요로 한다. 총 중량의 증가로 유도 항력은 유해 항력의 증가보다 더 크게 증가한다. 에어포일 표면에서 경계층이 분리 될 때 항력은 크게 증가하며 경계층의 분리와 그에 따른 항력 증가는 실속의 원인이 된다. 에어포일의 상부 표면에서의 경계층 분리는 공기역학 실속으로 이어지나, 경계층에 고속의 제트에어를 주입하면서 지연시킬 수 있다. 컴프레서 블리드 에어를 사용하여 고양력 장치는 높은 받음각에서도 날개 상부 표면을 가로 지르는 공기 흐름을 유지할 수 있도록 한다. 높은 양력계수는 상당히 높은 유도 항력을 가져오며 낮은 양력계수는 낮은 유도항력을 가져오며 이는 양력계수에 대한 유도항력계수의 변화력 때문이다. 항공기가 수평비행에서 2의 하중계수로 기동되는 경우 양력계수는 두배가 되고 유도항력은 4배가 된다. 유도항력은 저속에서 우세하므로 저속에서의 스팁턴은 고도유지를 위해 상당한 양의 출력 및 추력을 요구한다. 그러므로 스팁턴은 이륙 후, 접근 중, 그리고 특히 긴급 상황에서는 피해야 함. 큰 유도항력은 선회 중의 증가된 실속 속도만큼 중요함. 모든 선회는  적절히 조정되어야 한다. 정상 선회에서의 증가된 하중계수로 인해 유도항력이 다음과 같이 증가한다(30/45/60도 뱅크에서는 33/100/300%의 유도항력이 증가). 공식은 1/Cos(bank angle)으로 쓰인다.

 

강력한 충격파를 형성에 충분한 임계 마하 이상의 속도 증가는 경계층 분리를 유발하고 공기 역학적 힘의 계수에 급격한 변화를 일으킬 수 있다. 항공기의 모든 구성 요소는 기본 에어포일과 유사한 방식으로 압축률의 영향을 받음. 꼬리, 동체, 엔진나셀 등 그리고 항공기의 다양한 표면 사이의 간섭력도 고려되어야 한다. 충격파 형성에 의해 유도된 공기 흐름의 박리는 공기역학적 힘의 계수에 상당한 변화를 만들어냄. 임계 마하 넘버보다 자유 흐름 속도가 크면 에어포일 부분에서 나타나는 몇가지의 전형적인 효과 주어진 양력 계수에 대한 항력 계수의 증가와 주어진 받음각에 대한 양력계수의 감소, 피칭 모멘트 계수의 변화이다.

 

기준점은 일반적으로 일정한 양력 계수에 대한 항력 계수 대비 마하 넘버로 가져온다. 항력계수에서 급격한 변화를 만들어내는 마하계수는 "힘의 발산" 마하계수로 불리우며 대부분의 에어포일에 있어 보통 최소 5%~10%의 임계 마하계수를 넘어간다. 이러한 상태는 또한 항력 발산이나 항력 증가로도 언급된다. 착륙 중에 낮은 피치로 빠르게 돌아가는 커다란 프로펠러를 가진 항공기는 상당량의 항력을 만들어 낸다. 이러한 항공기는 착륙 플레어와 접지 중 출력 유지를 위해 적합하다. 낯은 피치의 프로펠러에 의해 증가된 항력으로 인해 속도는 급격히 줄 것이며, 양력의 감소로 인한 갑작스런 하강(활주로 위나 혹은 활주로 접근 전)의 원인이 될 수 있다.