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작성일 : 17-08-24 01:09
비행기 날개에 양력이 발생하는 정확한 이유에 대해 질문합니다.
 글쓴이 : 비버하는
조회 : 156   추천 : 0  

보통 비행기 날개에 양력이 발생하는 이유를 베르누이 법칙을 통해 설명할 때 에어포일 윗면과 아랫면을 서로 통과한 공기가 꼬리부분에서 만나야 하므로 위쪽을 속력이 빨라 베르누이원리에 의해 압력이 낮고, 아래쪽은 반대로 압력이 커 위로 떠받치는 힘이 생겨 양력이 발생한다고 설명하던데 이것은 시뮬레이션 결과 실제로 전제조건인 꼬리부분에서 만나는 것이 아닌 에어포일 위쪽을 통과한 공기가 더 빠르게 진행하기 때문에 틀렸다고 알고있습니다. 그 예시로 초임계에어포일은 아랫면이 더 길다고 하였습니다.

다음으로 벤츄리관 효과로 에어포일 위쪽의 속력이 빨라져 마찬가지로 압력이 낮아지고 양력이 발생하는것이라고 설명하는 곳이 있던데 이것도 실제 상황은 관 안이 아닌 외부이기 때문에 벤츄리관효과로 양력을 설명하는 것 또한 잘못된 설명이라는 것이라고 들었습니다.

우선 위의 두 이론이 부정확한 것이 맞는지, 어떻게 확인할수 있는지가 궁금합니다.

다음으로는 그렇다면 비행기 날개에 양력이 생기는 이유가 도대체 무엇 때문인지에 대해 알고싶습니다. 받음각과 에어포일 위 아래의 원심력, 뒷면의 drag, 작용반작용 과 같은 요인이 있다고 들었는데 실제로는 어떤 요인 때문인지가 궁금합니다. 하나가 맞고 나머지가 틀렸는지, 아니면 여러 요인이 복합적으로 작용하여 양력을 만들어내는데 기여하는 것인지 잘 모르겠습니다.

특히 작용반작용으로 양력을 발생시키는 것에 대해 자세한 설명을 부탁드립니다.


정리하자면,

1. 동시통과이론과 벤츄리관 효과로 양력의 발생원인을 설명하는 것이 틀린 것이 맞는지, 어떻게 확인할 수 있는지.

2. 작용반작용으로 양력의 발생원인을 어떻게 설명할 수 있는지.

3. 도대체 양력이 생기는 이유가 앞서 말한 받음각, 원심력등의 여러 요인들 중 어떤 요인 때문에 생기는 것인지, 혹시 여러 요인들이 복합적으로 작용하여 이러한 현상이 일어나는지가 궁금합니다.


비행연구원 17-08-24 12:18
 
안녕하십니까!

성원에 감사드립니다.

먼저 다음과 같은 전제를 살펴보도록 하지요.

-라이트가 발명한 비행기 날개의 형상은 가는 골격으로 된 바가지 형상이다.
-돌멩이도 잘 날아간다.
-날개 없는 미사일도 잘 날아간다.
-일부 헬리콥터의 대칭형 에어포일에서 양력이 발생한다.
-고속으로 달리는 차창 밖으로 내민 손바닥의 형상에서 발생하는 힘의 변화는 다르다.
-현대 최적 에어포일은 윗면이 굽어지고 아랫면이 상대적으로 평평한 형상이다.
-현대 아음속 에어포일은 받음각 "0"에서도 양력이 발생한다.
-초음속 비행기의 에어포일은 아음속 에어포일과 다른 다이아몬드 형상이다.

이 전제를 먼저 언급하는 것은 항공기가 수행하는 임무에 따라 에어포일의 모양은 수많은 형상으로 설계될 수 있다는 것을 의미합니다. 에어포일 지배 요소는 두께, 면적, 시위길이, 가로세로비, 캠버, 앞전두께, 그리고 뒷전 모양을 어떻게 설계하느냐에 따라 수많은 모양이 존재합니다.

초창기 비행기 날개는 두께가 얇고 바가지 모양으로 굽어진 형상이 양력 발생에 유리한 것으로 인식되었지만 항공기 속도가 증가하면서 이 형상의 날개는 항력이 더 크고 다른 고양력장치에 매우 불리하기 때문에 일부 초경량 비행기 날개로만 활용되고 있습니다.

그러나 천음속에 근접한 속도 영역에서 초창기 유형의 날개를 변형한 초임계 에어포일이 매우 효율적이라는 것이 입증되면서 현대 운송용 비행기 날개로 채택되고 있습니다. 그 만큼 많은 변수들이 작용한다고 볼 수 있습니다.

NASA에서 발표한 “긴 경로 이론”은 잘못 이해할 수 있다는 점을 강조한 것이지 모든 이론이 틀리다는 것은 아닙니다. 예를 들어 대칭형 에어포일이 유선 공기흐름 속에 놓여 있다면 상하부를 흐르는 공기는 뒷전에서 만나고 상하에 동등한 양력이 발생될 것입니다. 이 에어포일은 항공기에서 양력 발생에 사용할 수 없는 것은 아닙니다. 즉, 받음각이 적용된다며 대칭형 에어포일로 양력을 발생할 수 있다는 것을 의미합니다.

현대 기본 에어포일은 윗면과 아랫면 곡률이 다르고 통상 윗면이 더 많이 굽어진 비대칭형 에어포일이고 대부분의 아음속 비행기와 일부 고성능 헬리콥터의 블레이드에 사용되고 있습니다.

NASA에서 강조한 아음속 일반 에어포일의 “긴 경로 이론” 이론에서 “상하부로 흐르는 공기흐름이 반드시 뒷전에 만나는 것은 아니다” 라는 것을 지적하고 있습니다. 그러나 미세한 상하부 표면의 곡률(또는 속도에 따라)이라면 이 이론이 틀리다고 할 수 없을 것입니다. 항공기에서 양력이 발생할 수 있을 정도의 상하부 곡률(곡률이 클수록 그러나 정상 양력 발생 범위)이라면 상부를 흐르는 공기흐름 속도가 하부를 흐르는 공기흐름 속도보다 월등히 빠르다는 것을 강조하는 내용입니다. 다시 말해서 단순하게 에어포일 상하부로 흐르는 공기흐름이 뒷전에 만난다는 방식의 설명은 틀리다는 것입니다.

아음속 에어포일에 정상 받음각이 적용된 에어포일이라면 윗면으로 공기흐름 속도가 하부 공기흐름 속도보다 훨씬 빨리 도착해서 그 속도로 어느 거리까지 내리흐름이 지속된 후 하부 및 주변 공기와 혼합되면서 위로 말리는 형태의 와류가 발생하는 것을 관찰할 수 있는 것도 이와 무관하지 않습니다. [아래 보충 설명 참고]

기본적으로 압력차가 발생하는 원인에 대해서는 베르누이 원리를 적용해서 설명되지만 양력을 발생하는 에어포일의 경우 “긴 경로 이론”에서 계산한 것보다 훨씬 더 빠르다는 것을 간과해서는 안 될 것입니다.

서두에서 언급한 것과 같이 에어포일의 두께와 길이에 따라 수많은 설계가 있을 수 있지만 항공기 속도 영역과 수행하는 임무에 따라 다를 수 있다는 것을 고려해야 하고 기본적인 아음속 에어포일의 양력발생이론에 반영해야 할 것입니다.

현대 아음속 에어포일은 이미 수많은 실험과 실제 비행을 통해서 최적 양력발생 능력이 입증된 에어포일입니다. 에어포일의 양력발생을 설명하는데 적용되는 주요 물리법칙은 다음과 같습니다.
-베르누이 법칙
-마그누스 효과
-작용과 반작용의 법칙

풍동실험의 결과 혹은 비행난기류(wake turbulence)의 그림을 통해서 거시적 공기흐름의 행태를 관찰할 수 있습니다. 항공기가 지나간 후 공기흐름에 급격한 변화가 발생하는 것은 항공기로 인해서 무엇인가 큰 변화가 발생했음을 알 수 있고 3가지 주요 행태의 변화가 발생하고 있음을 알 수 있습니다.
-비행난기류는 침하한다.
-비행난기류는 상하 그리고 좌우 한계가 존재한다.
-날개끝 와류는 회전한다.

비행난기류가 비행경로 아래로 침하한다는 것은 날개에서 내리흐름(downwash)이 존재한다는 것을 의미하고 내리흐름의 존재는 오름흐름(upwash)이 존재한다는 것을 반증하는 것으로 이는 작용과 반작용의 법칙으로 설명할 수 있을 것입니다. 상하좌우 한계가 존재한다는 것을 밀폐된 관과 같이 절대적 한계는 지정할 수 없지만 공기흐름을 제한하고 있음을 알 수 있습니다.

에어포일의 양력발생을 어느 한 이론만으로 설명할 수 없다는 것이 일반적인 이론입니다. 항공기 유형에 가장 적합한 에어포일을 설계하는 것이 귀하와 같은 항공 공학자들의 주 과업이 되겠지요. 양력발생의 복잡성과 공학적 내용까지 다룰 수는 없지만 그 동안 입증된 자료와 지식을 바탕으로 서술했습니다.

다른 의견이 있을 수 있음을 존중합니다.

감사합니다.