비행역학과 항공기(Aerodynamics and airplanes)-1

조종면

 

기본 비행 조종면은 항공기를 가로, 세로, 수직축으로 조종사가 움직일 수 있도록 해준다. 엘리베이터, 에일러론(인보드 및 아웃보드), 러더로 구성된다. 리딩엣지 플랩은 보조 조종면의 한 예시이다.

 

에일러론

 

몇몇 대형 제트기들은 인보드와 아웃보드 에일러론을 사용한다. 저속에서는 아웃보드 에일러론이 효과적인 선회력을 제공한다. 고속에서는 아웃보드 에일러론의 사용에서 오는 항공역학적 하중이 날개에 무리를 줄 수 있다. 그러므로 아웃보드 에일러론은 고속에서는 잠금처리된다. 인보드 에일러론은 저속과 고속 모두 쓰인다. 아웃보드 에일러론은 저속에서만 쓰인다.

 

트림탭

 

컨트롤탭은 몇 운송용 항공기에 쓰이는데 보통 유압으로 작동되는 조종면의 수동백업장치로 쓰인다. 매뉴얼 리버전(manual reversion)이라고 불리는 이 수동백업은 컨트롤탭의 잠금을 푼다. 이는 조종사로 하여금 컨트롤 휠(control wheel)을 움직임으로써 컨트롤탭을 조정하는데 이는 조종면이 움직이도록 한다. 엘리베이터 트림탭은 아랫방향의 꼬리날개 하중을 조종면의 압력을 줄이거나 상쇄하면서 다양한 비행 속도를 위해 수정한다. 트림탭은 조종면이 움직일 때, 모든 위치에서 고정될 수 있어서 비행중 균형을 유지하도록 한다. 서보탭은 주요조종면을 움직이고 원하는 위치로 고정할 수 있도록 도외주는 역할을 한다. 주요조종면과는 반대 방향으로 움직인다. 서보탭의 목적은 주요조종면을 적절한 방향으로 바꿈으로써 조종면에 가해지는 힘을 줄이는 것이다. 안티서보탭은 조종면과 같은 방향으로 움직인다. 조종면의 압력을 증가시키며 조종면이 최대 deflection 위치로 움직이는 것을 막아준다.

 

고양력장치

 

고양력장치는 저속에서 양력을 증가시켜 낮은 속도에도 이착륙이 가능하도록 한다. 리딩엣지플랩은 날개의 캠버를 증가시키고 이는 높은 받음각에서도 실속이 늦춰지도록 만든다. 증가된 캠버는 저속에서 공기흐름의 박리를 막는다. 리딩엣지슬랫과 슬롯은 날개 상단을 따라 리딩에지 아래의 고압 영역에서 공기를 보내고 공기흐름의 박리를 지연시킨다. 이 장치들은 실속 받음각을 더 높은 각으로 바꾸며 상대적으로 저속에서도 양력을 증가시킨다. 슬롯-슬랫 장치는 현대 항공기 외장에서 훌륭한 응용물이다. 리딩엣지, 고양력장치는 트레일링 엣지 플랩보다 후퇴익에서 더 효과적인데 이는 슬랫은 흐름의 패턴을 조절하는데 있어 작용력이 상당하기 때문이다. 슬랫의 사용은 2개의 중요한 이점이 있는데, 피칭 모멘트에서 오직 미미만 변화만 있으며 낮은 받음각에서의 항력에도 큰 변화가 없다는 것이다. 스포일러 패널은 역학적 항력을 증가시켜 항공기를 느리게 한다. Flight 스포일러(바깥쪽 스포일러)는 양력을 줄이고 속도 증가 없이 강하 할 수 있게 한다. Ground 스포일러(안쪽 스포일러)는 착륙이나 복행에 앞서 날개의 양력을 줄이는데 이는 항공기의 랜딩기어에 중량을 증가시킨다. 그라운드 스포일러에서 오는 역학적 항력은 착륙속도의 초기 20~30%에서 가장 효과적이다. 플랩은 이차조종면시스템으로 트레일링 엣지를 따라 날개의 안쪽 부분에 설치된다. 플랩은 항공기에서 쓰이는 가장 흔한 고양력장치이다. 4가지 타입의 플랩이 있다. 플래인 플랩은 코드의 캠버 효과가 최대양력계수를 상당히 증가시키며 항력도 많이 증가한다. 스플릿 플랩은 플래인 플랩보다 약간 더 큰 최대양력계수의 변화를 만들어 내지만 항력도 그만큼 많이 발생시킨다. 이는 장애물을 넘어가는 깊은 착륙접근을 가능하게 한다. 슬롯티드 플랩은 플래인 플랩과 비슷하지만 메인 섹션과 플랩리딩엣지 사이에 공간이 있다. 아랫면의 높은 에너지의 공기는 플랩의 윗면으로 유도되며 이는 플래인이나 스플릿 플랩보다 더 낮은 항력으로 높은 양력계수를 가져온다. 파울러 플랩은 슬롯티드 플랩과 비슷하지만, 플랩의 단계가 트랙을 따라 움직이며 이는 날개 면적과 함께 코드를 증가시킨다. 항력의 변화를 최소화하면서 양력계수의 증가를 크게 가져다준다.

 

플랩 유형 비교 시 고려해야 할 추가적 요소는 플랩에 의해 야기되는 역학적 트위스팅 모멘트이다. 포지티브 캠버는 노즈다운 트위스팅 모멘트를 만든다. 최대양력계수를 최대로 만드는 플랩의 종류들은 최대의 트위스팅 모멘트를 만들어낸다. 파울러 플랩은 스플릿 플랩이 최소로 만드는 트위스팅 모멘트의 가장 큰 변화를 만든다. 최대로 연장됐을 때 이 플래인과 스플릿 플랩은 추가 양력은 적고 항력이 많이 생긴다. 스플릿 플랩은 플래인 플랩보다 약간 더 많은 양력을 생산하지만 에어포일 뒤에서 생산되는 난기성 공기 패턴에 의한 항력이 생긴다. 파울러 플랩은 최대로 펴졌을 때 어떤 플랩들 보다도 최대의 양력과 항력을 만들어낸다. 또한 가장 큰 하향 피칭 모멘트의 원인이 된다. 두꺼운 날개는 플랩이 모두 내려졌을 때 양력에 있어 최대이 증가를 가져온다. 얇은 후퇴익의 에어포일은 플랩의 효용성에 있어 뚜렷한 한계를 나타낸다. 대부분이 항공기에서 첫 50%의 플랩의 굴절은 최대 양력 계수의 전체 변화의 절반 이상을 만들어낸다. 나머지 50%의 플랩 굴절은 항력계수의 총 변화량의 절반 이상을 만들어낸다. 경계층제어장치(Boundary layer control devices)는 최대양력계수의 증가를 위한 추가적 수단이다. 높은 받음각에서 윗 표면의 경계층은 정체하면서 멈추는 경향이 있다. 이런 현상에서는 공기의 흐름이 표면에서 분리되고 실속이 나타난다. 높은 양력을 위한 경계층 제어는 후에 공기 흐름의 분리를 완화하기 위해 경계층에서 높은 속도를 유지하기 위한 다양한 장치를 갖추고 있다. 모든 경계층 제어는 최대 양력을 위해 받음각을 증가시키는 경향이 있다. 경계층제어를 플랩과 결합하는 것이 중요한데 플랩의 deflection은 최대 양력을 위한 받음각을 감소시키는 경향이 있기 때문이다.