네 힘·추력·양력과 양항비 — 조종사 핸드북 5장 (1/11)

앞 편은 4장 비행 원리의 베르누이 원리·익형·압력중심과 날끝 와류까지였습니다. 이번 편은 5장 비행 공기역학의 앞부분으로, 항공기에 작용하는 네 힘, 추력, 양력과 양항비, 그리고 유해항력 가운데 형상항력까지입니다.

항공기에 작용하는 힘

추력(thrust), 항력(drag), 양력(lift), 무게(weight)는 비행 중인 모든 항공기에 작용하는 힘입니다. 이 힘이 어떻게 작동하는지를 이해하고, 동력과 조종면으로 그 힘을 다루는 일이 비행의 핵심입니다. 이 장은 비행 공기역학—설계, 무게, 하중배수, 중력이 기동 중 항공기에 미치는 영향—을 다룹니다.

직선수평·비가속 비행에서 항공기에 작용하는 네 힘은 추력, 항력, 양력, 무게입니다. 정의는 다음과 같습니다.

• 추력 — 동력장치/프로펠러 또는 로터가 만드는 앞방향 힘입니다. 항력을 상쇄하거나 이깁니다. 대체로 종축에 평행하게 작용하지만, 언제나 그런 것은 아닙니다. 뒤에 따로 나옵니다.
• 항력 — 날개, 로터, 동체, 그 밖의 돌출부가 기류를 깨뜨려 생기는 뒤쪽 저항입니다. 대체로 추력에 반대되며, 상대풍에 평행하게 뒤쪽으로 작용합니다.
• 양력 — 공기가 익형에 미치는 동적 효과로 생기는 힘입니다. 비행 경로에 수직이고, 양력중심(CL, center of lift)을 지나 횡축에 수직으로 작용합니다. 수평 비행에서는 아래를 향하는 무게에 대항합니다.
• 무게 — 항공기 자체, 승무원, 연료, 화물·수화물을 합친 하중입니다. 중력 때문에 항공기를 아래로 당기는 힘입니다. 양력에 반대되며, 무게중심(CG, center of gravity)을 지나 연직 아래로 작용합니다.

정상 비행에서는 이렇게 서로 반대되는 힘의 합이 언제나 0입니다. 뉴턴 제3법칙—모든 작용(힘)에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용(힘)이 있다—에 따라, 정상 직선 비행에는 불균형한 힘이 있을 수 없습니다. 수평이든, 상승이든, 강하이든 마찬가지입니다.

그렇다고 네 힘이 서로 같다는 뜻은 아닙니다. 서로 반대되는 힘이 같아서 서로의 효과를 상쇄한다는 뜻입니다. 그림 5-1에서 추력·항력·양력·무게 벡터는 크기가 같아 보입니다. 흔히 “추력은 항력과 같고 양력은 무게와 같다”고 말합니다(추력·항력이 무게·양력과 같지는 않다는 점을 따로 밝히지 않은 채). 틀린 말은 아니지만 오해를 부를 수 있습니다. 직선·수평·비가속 비행에서 서로 반대되는 양력/무게는 같습니다. 그리고 그 값은, 서로에게만 같은 추력/항력보다 큽니다. 따라서 정상 비행에서는 다음이 성립합니다.

• 위쪽 성분 힘의 합(양력만이 아님) = 아래쪽 성분 힘의 합(무게만이 아님)
• 앞쪽 성분 힘의 합(추력만이 아님) = 뒤쪽 성분 힘의 합(항력만이 아님)

옛 공식 “추력 = 항력, 양력 = 무게”를 이렇게 다듬으면, 상승과 저속 비행에서는 추력의 일부가 위쪽을 향해 양력처럼 작용하고, 무게의 일부가 비행 방향과 반대로 향해 항력처럼 작용한다는 점이 드러납니다. 저속 수평 비행에서는 추력에 위쪽 성분이 있습니다. 다만 항공기가 수평이므로 무게는 항력에 기여하지 않습니다.

활공에서는 무게 벡터의 일부가 앞쪽 비행 경로를 따라 향하므로 추력처럼 작용합니다. 곧, 비행 경로가 수평이 아니면 양력·무게·추력·항력 벡터를 각각 두 성분으로 나눠야 합니다.

또 하나 중요한 개념이 받음각(AOA, angle of attack)입니다. 비행 초기부터 받음각은 성능, 안정, 조종을 이해하는 바탕입니다. 받음각은 익형의 시위선과 상대풍 방향이 이루는 예각입니다.

앞의 개념은 항공 교재에서 자주 빠집니다. 중요하지 않아서가 아니라, 비행 중 공력의 핵심은 공기역학자의 세부까지 들어가지 않아도 전달할 수 있기 때문입니다. 실제로 수평 비행과 정상 상태의 보통 상승·활공만 보면, 날개나 로터가 만드는 양력이 주된 위쪽 힘이고 무게가 주된 아래쪽 힘인 것은 여전합니다.

추력·항력·양력·무게라는 공력을 써서 조종사는 통제된 안전한 비행을 합니다. 각 힘을 더 자세히 봅니다.

추력

항공기가 움직이기 시작하려면 추력이 가해져야 하고, 그 값이 항력보다 커야 합니다. 항공기는 추력과 항력이 같아질 때까지 움직이며 속도를 올립니다. 속도를 일정하게 유지하려면 추력과 항력이 같아야 하고, 고도를 일정하게 유지하려면 양력과 무게가 같아야 합니다.

수평 비행에서 엔진 출력을 줄이면 추력이 작아지고 항공기는 느려집니다. 추력이 항력보다 작은 동안에는 감속이 이어집니다. 어느 지점까지는 속도가 떨어지면 항력도 줄어듭니다. 추력이 항력과 다시 같아질 때까지 느려지고, 그때 속도가 안정됩니다.

반대로 출력을 올리면 추력이 항력보다 커져 속도가 오릅니다. 추력이 항력보다 큰 동안에는 가속이 이어집니다. 항력이 추력과 같아지면 일정 속도로 납니다.

직선수평 비행은 넓은 속도 범위에서 유지할 수 있습니다. 수평을 유지하려면 모든 속도 구간에서 조종사가 받음각과 추력을 맞춰야 합니다. 주어진 익형에서 양력의 원리와 관련된 중요한 사실은, 양력이 받음각과 속도에 따라 달라진다는 점입니다. 따라서 저속에서 큰 받음각은, 고속에서 작은 받음각과 같은 크기의 양력을 냅니다. 속도 구간은 저속 비행, 순항 비행, 고속 비행의 세 가지로 묶을 수 있습니다.

속도가 낮으면 양력과 무게의 균형을 유지하려면 받음각이 비교적 커야 합니다. 추력이 줄고 속도가 떨어지면 양력이 무게보다 작아져 항공기는 강하하기 시작합니다. 수평을 유지하려면, 다시 항공기 무게와 같은 양력을 내는 만큼 받음각을 올리면 됩니다. 더 느리게 날지만 수평은 유지됩니다. 받음각을 맞춰 양력 = 무게를 유지하면, 속도는 항력이 추력과 같아질 때까지 자연히 맞춰진 뒤 그 속도를 유지합니다(조종사가 정확한 속도를 붙잡으려 하지 않는다고 가정).

저속 구간의 직선수평 비행에는 힘의 평형과 관련해 눈여겨볼 조건이 있습니다. 기수가 높은 자세에서는 추력의 연직 성분이 항공기를 받치는 데 돕습니다. 그 결과 날개 하중은 예상보다 작아지는 경향이 있습니다.

수평 비행에서 추력을 올리면 속도가 나고 양력도 커집니다. 받음각을 양력과 무게의 관계를 유지할 만큼만 줄이지 않으면 항공기는 상승하기 시작합니다. 이 받음각 감소의 타이밍을 추력·속도 증가와 맞춰야 합니다. 받음각을 너무 빨리 낮추면 강하하고, 너무 천천히 낮추면 상승합니다.

추력 때문에 속도가 달라지면, 수평을 유지하려면 받음각도 달라져야 합니다. 아주 빠른 수평 비행에서는 받음각이 약간 음이 되는 일도 가능합니다. 추력을 줄여 속도가 떨어지면 고도를 유지하려고 받음각을 올려야 합니다. 속도가 충분히 떨어지면 필요한 받음각이 임계 받음각까지 올라갑니다. 그 이상 받음각을 올리면 날개가 실속합니다. 따라서 출력을 줄인 저속에서는 임계 받음각을 넘기지 않도록 더 주의해야 합니다. 받음각 지시기가 있으면 임계 받음각에 얼마나 가까운지를 보는 데 참고해야 합니다.

일부 항공기는 받음각을 바꾸는 대신 추력의 방향을 바꿀 수 있습니다. 엔진을 피벗하거나 배기를 편향(vectoring)해 이룹니다.

양력

조종사는 양력을 조종할 수 있습니다. 조종륜이나 스틱을 앞뒤로 움직이면 받음각이 바뀝니다. 다른 조건이 같으면 받음각이 커질수록 양력도 커집니다. 최대 받음각에 도달하면 양력은 급격히 줄어들기 시작합니다. 이 실속 받음각이 최대양력계수(C_L-MAX) 임계 받음각입니다. 그림 5-5에서 양력계수(C_L)가 임계 받음각까지 커지다가, 그 이상 받음각을 올리면 급격히 떨어지는 모습을 보십시오.

양력을 어떻게 다루는지 더 보기 전에 속도를 짚어야 합니다. 날개나 로터의 형상은 계속해서 “새로운 공기”를 공격하지 않으면 효과를 내지 못합니다. 비행을 유지하려면 양력을 만드는 익형이 계속 움직여야 합니다. 헬리콥터나 자이로플레인에서는 로터 블레이드가 회전하며 이 일을 합니다. 비행기, 무게이동 조종 항공기, 글라이더에서는 항공기의 전진 속도로 양력면 위에 공기를 흘립니다.

양력은 항공기 속도의 제곱에 비례합니다. 예를 들어 받음각과 다른 인자가 일정하다면, 200kt로 나는 비행기는 같은 비행기가 100kt로 날 때보다 양력이 네 배입니다.

L = C_L · ρ · V² · S / 2

위 양력 공식이 이 관계를 보여 주고, 속도를 두 배로 하면 양력이 네 배가 된다는 점을 뒷받침합니다. 속도는 양력을 만드는 중요한 성분이고, 받음각을 바꿔 그 양력 자체를 조절할 수도 있습니다. 식을 보면 양력(L)은 공기 밀도(ρ), 익형 속도(V), 날개 면적(S), 그 익형의 양력계수(C_L)의 관계로 정해집니다.

식을 더 밀면, 같은 고도의 수평 비행을 유지한 채 속도를 올리면서 받음각을 그대로 둘 수는 없다는 점이 보입니다. 양력이 커져 항공기가 상승하거나 더 가속합니다. 따라서 직선수평(위로 가속하지 않음)과 평형을 유지하려면 속도가 오를 때 양력을 일정하게 지켜야 합니다. 보통은 기수를 낮춰 받음각을 줄입니다. 반대로 느려지면 속도가 떨어진 만큼 받음각을 올려 비행을 유지할 양력을 지킵니다. 실속을 피하려면 받음각을 올릴 수 있는 한계가 있습니다.

다른 인자가 일정하면, 각 받음각마다 정상·비가속 비행에서 고도를 유지하는 데 필요한 속도가 대응합니다(수평 비행을 유지할 때만 참). 익형은 언제나 같은 받음각에서 실속하므로, 무게가 늘면 양력도 늘려야 합니다. 받음각을 임계(실속) 받음각 바로 아래에 고정한 채라면, 양력을 늘리는 유일한 방법은 속도를 올리는 것입니다(플랩 등 고양력 장치가 없다고 가정).

양력과 항력은 공기 밀도에도 정비례합니다. 밀도는 기압, 기온, 습도에 영향을 받습니다. 고도 18,000ft에서 공기 밀도는 해면의 절반입니다. 높은 고도에서 같은 받음각으로 양력을 유지하려면 진대기속도(TAS)를 더 크게 내야 합니다.

따뜻한 공기는 차가운 공기보다 밀도가 낮고, 습한 공기는 건조한 공기보다 밀도가 낮습니다. 따라서 덥고 습한 날에는 서늘하고 건조한 날보다, 같은 받음각에서 더 큰 진대기속도로 날아야 합니다.

밀도 인자가 줄었는데 전체 양력이 전체 무게와 같아야 비행을 유지한다면, 다른 인자 하나를 올려야 합니다. 조종사가 직접 다루는 속도나 받음각을 올리는 경우가 보통입니다.

날개 평면형(planform)이 바뀌지 않는다면 양력은 날개 면적에 정비례합니다. 비율과 익형 단면이 같다면, 평면형 면적 200ft²인 날개는 같은 받음각에서 면적 100ft²인 날개의 두 배 양력을 냅니다.

조종사 입장에서 주요 공력 인자 둘은 양력과 속도입니다. 다루기 쉽고 정확하게 조절할 수 있기 때문입니다. 물론 고도를 바꿔 밀도를 조절할 수도 있고, 날개 면적을 키우는 형식의 플랩이 있으면 날개 면적도 조절할 수 있습니다. 그러나 대부분의 상황에서는 양력과 속도로 항공기를 기동합니다. 예를 들어 일정 고도의 직선수평 순항에서는, 양력 = 무게인 평형을 유지한 채 그 속도(순항 속도)에 맞춰 양력을 조절해 고도를 지킵니다. 착륙 접근에서 가능한 한 느리게 내리려면, 항공기 무게와 같은 양력을 유지하려고 받음각을 최댓값 가까이 올려야 합니다.

양항비

양항비(L/D, lift-to-drag ratio)는 날개나 익형이 만드는 양력을 그 항력과 비교한 값입니다. L/D 비율이 익형의 효율을 나타냅니다. L/D가 큰 항공기가 작은 항공기보다 효율이 좋습니다. 비가속 비행에서 양력·항력 데이터가 안정되어 있으면, 특정 받음각에 대해 양력계수(C_L)와 항력계수(C_D)의 비율을 계산할 수 있습니다.

양력계수는 무차원량으로, 양력체(lifting body)가 내는 양력과 그 주위 유체 흐름의 동압, 그리고 그 물체에 결부된 기준 면적의 관계를 나타냅니다. 항력계수도 무차원량이며, 공기 같은 유체 속 물체의 항력을 정량화하는 데 쓰고, 언제나 특정 표면적과 짝을 이룹니다.

양항비는 C_L을 C_D로 나눈 값입니다. 양력 공식을 항력 공식으로 나누는 것과 같고, 계수 외의 변수는 모두 소거됩니다. 양력·항력 공식은 다음과 같습니다(L = 양력(lb); D = 항력; C_L = 양력계수; ρ = 밀도(slug/ft³); V = 속도(ft/s); q = 제곱피트당 동압(q = ½ρV²); S = 양력체 면적(ft²); C_D = 항력 압력을 동압으로 나눈 비).

D = C_D · ρ · V² · S / 2

낮은 받음각에서는 항력계수가 낮고, 받음각이 조금 바뀌어도 항력계수 변화는 작습니다. 높은 받음각에서는 받음각이 조금만 바뀌어도 항력이 크게 달라집니다. 익형 모양과 받음각 변화가 양력 생성에 영향을 줍니다.

그림 5-5에서 양력계수 곡선(빨강)은 이 익형 단면의 경우 받음각 20°에서 최댓값에 도달한 뒤 급격히 떨어집니다. 따라서 20°가 임계 받음각입니다. 항력계수 곡선(주황)은 받음각 14°부터 매우 빠르게 커지고, 21°에서 양력 곡선을 완전히 앞지릅니다. 양항비 곡선(초록)은 받음각 6°에서 최댓값이 됩니다. 이 각에서 항력 대비 양력이 가장 큽니다.

최대양항비(L/D_MAX)는 하나의 특정 C_L과 받음각에서만 나옵니다. 항공기가 L/D_MAX에서 정상 비행하면 전항력이 최소입니다. L/D_MAX보다 낮거나 높은 받음각은 양항비를 떨어뜨리고, 그 결과 주어진 항공기의 전항력을 키웁니다. 그림 5-6은 파란 선 “전항력(total drag)”의 가장 낮은 지점으로 L/D_MAX를 보여 줍니다. 항공기 형상이 L/D에 미치는 영향은 큽니다.

항력 — 유해항력과 형상항력

항력은 항공기가 공기 속을 움직이는 것을 가로막는 힘입니다. 기본 유형은 둘입니다. 유해항력(parasite drag)과 유도항력(induced drag)입니다. 전자를 유해라고 부르는 까닭은 비행을 돕는 기능이 전혀 없기 때문이고, 후자인 유도항력은 익형이 양력을 내는 결과입니다.

유해항력

유해항력은 항공기의 움직임을 늦추는 모든 힘으로 이루어집니다. “유해”라는 말 그대로, 양력 생성과 관련 없는 항력입니다. 항공기가 공기를 밀어내는 일, 기류 속 난류, 항공기와 익형 표면 위 공기 흐름을 가로막는 일이 여기에 들어갑니다. 유해항력의 유형은 셋입니다. 형상항력(form drag), 간섭항력(interference drag), 표면마찰(skin friction)입니다.

형상항력

형상항력은 항공기 형상과 그 주위 기류 때문에 생기는 유해항력의 부분입니다. 엔진 카울링, 안테나, 그 밖의 구성품의 공기역학적 형상이 예입니다. 움직이는 항공기와 구성품을 돌아가려면 공기가 갈라졌다가, 물체를 지난 뒤 다시 모입니다. 얼마나 빠르고 매끄럽게 다시 모이는지가 저항의 크기이고, 그 저항을 이기려면 추가 힘이 필요합니다.

그림 5-7의 평판이 가장자리를 돌아 공기가 소용돌이치다가 하류에서야 다시 모이는 모습을 보십시오. 형상항력은 항공기 설계에서 줄이기가 가장 쉽습니다. 해법은 가능한 한 많은 부품을 유선형으로 만드는 것입니다.

다음 편은 유해항력의 나머지인 간섭항력·표면마찰항력과, 양력의 대가인 유도항력을 다룹니다.

이 글은 미국 연방항공청(FAA)의 Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge(FAA-H-8083-25B)(퍼블릭 도메인)를 번역·재구성한 시리즈입니다.