앞 편은 5장에서 네 힘·추력·양력·양항비와 유해항력 가운데 형상항력까지였습니다. 이번 편은 간섭항력·표면마찰항력, 양력의 대가인 유도항력, 무게와 날끝 와류, 후류난기류 회피, 그리고 지면효과입니다.
간섭항력
간섭항력(interference drag)은 기류가 서로 만나 소용돌이(eddy)나 난류를 만들거나, 매끄러운 흐름을 가로막을 때 생깁니다. 대표적인 자리가 날개와 동체가 만나는 날개 뿌리(wing root)입니다. 동체를 도는 공기와 날개 위를 흐르는 공기가 부딪혀, 원래의 두 흐름과는 다른 하나의 흐름으로 합쳐집니다.
두 면이 직각으로 만날 때 간섭항력이 가장 큽니다. 이 경향을 줄이려고 페어링(fairing)을 씁니다. 제트 전투기가 같은 날개 탱크를 양쪽에 달면, 전체 항력은 탱크 각각의 합보다 큽니다. 둘 다 간섭항력을 만들기 때문입니다. 양력면과 외부 장착물(날개에 다는 레이더 안테나 등) 사이에 페어링을 넣고 간격을 두면 간섭항력이 줄어듭니다.
표면마찰항력
표면마찰항력(skin friction drag)은 움직이는 공기가 항공기 표면에 닿아 생기는 공기역학적 저항입니다. 아무리 매끈해 보여도 현미경으로 보면 표면은 거칠고 울퉁불퉁합니다. 날개 표면에 직접 닿는 공기 분자는 거의 움직이지 않습니다. 그 위 층은 조금 더 빠르고, 층이 올라갈수록 빨라져 마침내 항공기 주위를 흐르는 공기와 같은 속도가 됩니다. 이 속도를 자유흐름속도(free-stream velocity)라고 합니다.
날개 표면과 자유흐름속도에 이르는 구간은 トランプ 카드 두께 정도이며, 이를 경계층(boundary layer)이라고 합니다. 경계층 맨 위에서는 분자 속도가 커져 경계층 밖 분자와 같아집니다. 실제 속도는 날개 형상, 공기가 얼마나 끈끈한지(점도, viscosity), 얼마나 압축되는지(압축성, compressibility)에 따라 달라집니다.
경계층 밖 기류는 경계층 가장자리의 형상에, 물체의 실제 표면과 똑같이 반응합니다. 경계층은 물체에 “유효” 형상을 주고, 그 형상은 보통 물리적 형상과 조금 다릅니다. 경계층이 물체에서 떨어지면 유효 형상은 물리적 형상과 크게 달라집니다. 이 변화가 양력을 급격히 떨어뜨리고 항력을 키웁니다. 이때 익형은 실속합니다.
표면마찰항력을 줄이려고 설계자는 리벳을 표면에 묻히고(flush mount), 날개 위로 튀어나온 요철을 없앱니다. 매끄럽고 광택 있는 마감도 공기가 날개 표면을 지나기 쉽게 합니다. 먼지는 자유로운 흐름을 깨고 항력을 키우므로, 항공기 표면은 깨끗하고 왁스칠한 상태로 유지합니다.
유도항력
항력을 나누는 둘째 기본 유형이 유도항력(induced drag)입니다. 기계적 의미에서 일을 하는 어떤 계통도 100퍼센트 효율일 수는 없다는 것은 확립된 사실입니다. 필요한 일은 언제나, 계통 안에서 흩어지거나 잃는 추가 일을 대가로 얻습니다. 효율이 높을수록 그 손실은 작습니다.
수평 비행에서 날개나 로터의 공력 특성은 필요한 양력을 내지만, 그 양력은 일정한 대가를 치러야만 나옵니다. 그 대가의 이름이 유도항력입니다. 유도항력은 익형이 양력을 내는 한 따라붙고, 양력 생성과 떼어 놓을 수 없습니다. 따라서 양력이 있으면 언제나 있습니다.
익형(날개나 로터 블레이드)은 자유 기류의 에너지를 써서 양력을 냅니다. 익형이 양력을 내는 동안 아랫면 압력은 윗면보다 큽니다(베르누이 원리). 그 결과 공기는 날끝 아래의 고기압에서 윗면의 저기압으로 올라가려 합니다. 날끝 근처에서는 이 압력이 같아지려 하므로, 아랫면에서 바깥으로 나가 윗면으로 넘어가는 횡방향 흐름이 생깁니다. 이 횡흐름이 날끝 공기에 회전 속도를 주어, 익형 뒤로 와류를 남깁니다.
기미 쪽에서 보면 오른쪽 날끝 와류는 반시계 방향, 왼쪽 날끝 와류는 시계 방향으로 돕니다. 공기(와 와류)가 날개 뒤에서 말려 내려가며 기울어지는 것을 하향류(downwash)라고 합니다. 고도와 지면 근처에서 날끝 와류의 크기는 달라집니다. 와류의 회전 방향을 생각하면, 날끝 바깥에는 상승 흐름을, 날개 뒷전 뒤에는 하향류를 유도합니다. 이 유도 하향류는 양력을 내는 데 필요한 하향류와는 무관합니다. 바로 이것이 유도항력의 근원입니다.
하향류는 상대풍을 아래로 꺾습니다. 하향류가 클수록 상대풍도 더 아래를 가리킵니다. 양력은 언제나 상대풍에 수직이기 때문에 중요합니다. 하향류가 작으면 양력 벡터는 더 연직에 가깝고 중력에 맞섭니다. 하향류가 크면 양력 벡터가 더 뒤로 기울어 유도항력이 됩니다. 게다가 날개가 하향류와 와류를 만드는 데 에너지가 들고, 그 에너지가 항력을 만듭니다.
와류의 크기·강도와 그 결과인 하향류 성분이 익형 위 순수 기류에 클수록 유도항력도 커집니다. 날끝 윗면의 이 하향류는 양력 벡터를 뒤로 구부리는 것과 같습니다. 따라서 양력은 상대풍에 수직인 방향보다 조금 뒤에 있고, 뒤쪽 양력 성분이 곧 유도항력입니다.
익형 윗면의 부압을 더 키우려면 받음각을 올리면 됩니다. 대칭 익형의 받음각이 0이면 압력차가 없고, 따라서 하향류 성분도 유도항력도 없습니다. 어떤 경우든 받음각이 커지면 유도항력도 비례해 커집니다. 다른 말로, 속도가 낮을수록 항공기 무게와 같은 양력을 내려면 받음각이 커야 하고, 유도항력도 커집니다. 유도항력의 크기는 속도의 제곱에 반비례합니다.
반대로 유해항력은 속도의 제곱에 비례해 커집니다. 따라서 정상 상태에서 속도가 실속 속도 근처까지 떨어지면 전항력은 주로 유도항력의 급증 때문에 커집니다. 마찬가지로 항공기가 절대초과금지속도(VNE, never-exceed speed)에 이르면 유해항력이 급증해 전항력이 빠르게 커집니다. 그림 5-6에서 보듯, 어떤 속도에서 전항력은 최솟값이 됩니다. 최대항속거리를 계산할 때, 항력을 이기는 데 필요한 추력은 항력이 최소일 때 최소입니다. 최소 동력과 최대체공은 다른 지점에서 나옵니다.
| 항목 | 속도와의 관계 | 커지는 구간 |
|---|---|---|
| 유도항력 | 속도의 제곱에 반비례 | 저속·큰 받음각. 실속 속도 근처에서 급증 |
| 유해항력 | 속도의 제곱에 비례 | 고속. VNE 근처에서 급증 |
| 전항력 | 둘의 합 | 어느 한 속도에서 최소. 그때 최대항속에 필요한 추력도 최소 |
무게
중력은 모든 물체를 지구 중심으로 끌어당기는 힘입니다. 무게중심(CG, center of gravity)은 항공기 무게가 모두 모인 점으로 볼 수 있습니다. 정확한 CG에서 항공기를 받치면 어떤 자세에서도 평형이 됩니다. CG의 위치는 안정에 큰 영향을 미치므로 항공기에서 매우 중요합니다.
허용 CG 위치는 각 항공기의 전반 설계가 정합니다. 설계자는 압력중심(CP, center of pressure)이 얼마나 이동할지를 정합니다. 항공기 무게는 CG에 모이고, 양력의 공력은 CP에서 작용한다는 점이 중요합니다. CG가 CP보다 앞에 있으면 항공기는 자연히 기수를 내리려 합니다. CP가 CG보다 앞에 있으면 기수 올림 모멘트가 생깁니다. 따라서 설계자는 해당 비행 속도에서 비행 평형을 지키려고 CG 후방 한계를 그 속도의 CP보다 앞에 둡니다.
무게와 양력의 관계는 단순하지만, 비행 공기역학을 이해하는 데 중요합니다. 양력은 날개에 작용하는 위쪽 힘으로, 상대풍에 수직이고 항공기의 횡축에 수직입니다. 양력은 항공기 무게를 상쇄하는 데 필요합니다. 안정된 수평 비행에서 양력과 무게가 같으면 평형이며, 위로도 아래로도 가속하지 않습니다. 양력이 무게보다 작아지면 수직속도는 감소하고, 양력이 무게보다 커지면 수직속도는 증가합니다.
날끝 와류
와류의 형성
항공기에 양력을 주는 익형의 작용이 유도항력도 만듭니다. 익형을 양의 받음각으로 날리면 윗면과 아랫면에 압력차가 있습니다. 날개 위 압력은 대기압보다 작고, 날개 아래 압력은 대기압과 같거나 더 큽니다. 공기는 언제나 고기압에서 저기압으로 흐르고, 저항이 가장 작은 길은 익형의 날끝이므로, 아랫면에서 동체로부터 바깥으로 나가 날끝을 도는 스팬 방향 흐름이 생깁니다. 이 흐름이 날끝에서 “넘쳐” 소용돌이, 곧 와류를 만듭니다.
동시에 윗면 공기는 동체 쪽으로 모이며 뒷전으로 빠져나가려 합니다. 이 흐름도 익형 뒷전의 안쪽에 비슷한 와류를 만들지만, 동체가 안쪽 흐름을 막으므로 그 와류는 미미합니다. 따라서 흐름 방향의 편차는, 가로 흐름이 막히지 않고 가장 강한 바깥 날끝에서 가장 큽니다.
공기가 날끝에서 위로 말리며 하향류와 합쳐져 빠르게 회전하는 후류 와류가 됩니다. 난류를 만드는 데 에너지가 쓰이므로 이 와류는 항력을 키웁니다. 익형이 양력을 내는 한 유도항력이 있고 날끝 와류가 생깁니다.
받음각이 커지면 양력이 커지듯 유도항력도 커집니다. 받음각이 커지면 익형 위아래 압력차가 커지고 횡방향 흐름도 커집니다. 그 결과 와류가 더 격해지고, 난류와 유도항력이 더 커집니다.
와류의 강도는 항공기 무게에 정비례하고, 날개 스팬과 속도에 반비례합니다. 무겁고 느릴수록 받음각이 크고 날끝 와류도 강합니다. 따라서 날끝 와류의 최대 강도는 이륙, 상승, 착륙 단계에서 나옵니다. 이 와류가 특히 위험한 비행 장애, 곧 후류난기류(wake turbulence)로 이어집니다.
후류난기류 회피
날끝 와류는 만드는 항공기가 “무겁고, 깨끗하고, 느릴 때(heavy, clean, and slow)” 가장 큽니다. 접근이나 출발에서 가장 흔합니다. 착륙하거나 이륙하는 데 필요한 양력을 내려고 받음각이 가장 높기 때문입니다. 다른 항공기의 후류난기류를 지나갈 가능성을 줄이려면 다음을 지킵니다.
- 다른 항공기의 비행 경로를 가로지르지 않습니다.
- 앞에서 이륙한 항공기 뒤에서 이륙할 때는, 앞 항공기가 기수를 든(rotate) 지점보다 앞에서 기수를 듭니다.
- 비슷한 비행 경로로 뒤따를 때, 고도 차가 1,000ft 이내이면 따르지 않습니다.
- 앞에서 착륙한 항공기 뒤에 착륙할 때는 앞 항공기의 경로보다 위에서 접근하고, 앞 항공기 바퀴가 활주로에 닿은 지점보다 뒤에서 접지합니다.
호버링하는 헬리콥터의 메인 로터는 비행기의 와류와 비슷한 하향류를 만듭니다. 소형기 조종사는 이 하향류를 피하려고 호버링 헬리콥터를 적어도 로터 원반 지름의 3배는 떨어집니다. 전진 비행에서는 이 에너지가 대형 고정익의 날끝 와류와 비슷한, 강하고 빠른 한 쌍의 후류 와류로 바뀝니다. 헬리콥터의 전진 속도는 종종 매우 느려 후류난기류가 유난히 강할 수 있으므로 그 와류도 피해야 합니다.
바람은 후류난기류 회피에서 중요합니다. 날끝 와류는 바람 속도와 같은 속도로 바람을 타고 이동합니다. 예를 들어 풍속 10kt이면 와류는 바람 방향으로 1분에 약 1,000ft 이동합니다. 다른 항공기를 뒤따를 때는 의도한 이륙·착륙 지점을 고를 때 풍속과 풍향을 고려합니다. 앞 항공기의 이륙·착륙 지점이 확실하지 않으면, 대략 3분이 후류난기류가 흩어질 여유입니다.
후류난기류의 자세한 내용은 Advisory Circular (AC) 90-23, Aircraft Wake Turbulence를 참고합니다. (역주: 국내는 AIP·항공정보업무 기준의 후류 간격이 다를 수 있으니 확인이 필요합니다.)
지면효과
유인 비행이 시작된 이래 조종사들은 접지 직전에 항공기가 더 내려가려 하지 않고 계속 나가려는 느낌이 난다는 것을 알았습니다. 날개와 착륙면 사이에 공기가 갇혀 공기 쿠션처럼 작용하기 때문입니다. 이 현상이 지면효과(ground effect)입니다.
비행 중인 항공기가 지면이나 수면 수 피트 안으로 들어오면, 날개 주위 기류의 연직 성분이 표면에 막혀 3차원 흐름 무늬가 바뀝니다. 날개의 상향류, 하향류, 날끝 와류가 달라집니다. 곧 지면효과는 지면(또는 수면)이 비행 중 항공기 주위 기류 무늬를 간섭해서 생깁니다.
미익과 동체의 공력 특성도 지면효과로 바뀌지만, 주된 효과는 날개 공력 특성의 변화입니다. 날개가 지면효과에 들어가 받음각을 일정하게 유지하면, 상향류·하향류·날끝 와류가 줄어듭니다.
유도항력은 익형이 항공기를 떠받치는 일의 결과이고, 날개나 로터는 공기 덩어리를 아래로 가속해 항공기를 들어 올립니다. 익형 윗면의 감압은 양력에 필수이지만, 공기 덩어리를 아래로 미는 전체 효과의 한 부분일 뿐입니다. 하향류가 클수록 날개가 공기 덩어리를 더 세게 밀어 내립니다. 높은 받음각에서는 유도항력이 큽니다. 실제 비행에서 이는 저속에 해당하므로, 유도항력은 저속에서 우세하다고 할 수 있습니다. 그러나 지면효과로 날끝 와류가 줄면 스팬 방향 양력 분포가 바뀌고, 유도 받음각과 유도항력이 줄어듭니다. 따라서 같은 양력계수(CL)를 내려면 지면효과 안에서는 더 낮은 받음각이면 됩니다. 받음각을 일정하게 유지하면 CL이 커집니다.
지면효과는 속도 대비 필요 추력도 바꿉니다. 저속에서는 유도항력이 우세하므로, 지면효과로 유도항력이 줄면 저속에서 필요 추력(유해항력 + 유도항력)이 크게 줄어듭니다. 상향류·하향류·날끝 와류가 바뀌면 대기속도 계통의 위치(장착) 오차도 달라질 수 있습니다. 대부분의 경우 지면효과는 정적공압구의 국소 압력을 올려 대기속도와 고도 지시를 낮춥니다. 따라서 항공기는 평소 필요한 값보다 낮은 지시대기속도로 떠 있을 수 있습니다.
지면효과가 의미 있는 크기가 되려면 날개가 지면에 꽤 가까워야 합니다. 직접적인 결과 하나가, 일정한 CL에서 날개 높이에 따른 유도항력의 변화입니다.
| 날개 높이 (스팬 대비) | 유도항력 감소 |
|---|---|
| 스팬과 같음 (1.0 × 스팬) | 1.4% |
| 스팬의 1/4 | 23.5% |
| 스팬의 1/10 | 47.6% |
따라서 유도항력이 크게 줄어드는 것은 날개가 지면에 매우 가까울 때만입니다. 이 변화 때문에 지면효과는 보통 이륙의 이륙 순간이나 착륙 직전 접지 직전에 알아챕니다.
이륙 단계에서 지면효과는 몇 가지 중요한 관계를 만듭니다. 이륙 후 지면효과를 벗어나는 항공기는, 착륙 중 지면효과에 들어가는 항공기의 정반대를 겪습니다. 지면효과를 벗어나는 항공기는 다음을 겪습니다.
- 같은 CL을 유지하려면 받음각을 올려야 합니다
- 유도항력과 필요 추력이 커집니다
- 안정이 줄고 기수 올림 모멘트 변화가 생깁니다
- 정적공압구 압력이 줄고 지시대기속도가 커집니다
다음 편은 지면효과가 이착륙에서 만드는 위험—권고 속도보다 느린 이륙, 플로트(float)—과 항공기의 세 축입니다.
핵심 정리
- ● 유해항력의 나머지는 간섭항력과 표면마찰항력입니다. 두 면이 직각으로 만날 때 간섭이 가장 크고, 페어링과 간격으로 줄입니다.
- ● 경계층은 카드 두께 정도입니다. 경계층이 떨어지면 유효 형상이 바뀌어 양력이 급감하고 항력이 커지며, 익형은 실속합니다. 표면은 깨끗하고 왁스칠합니다.
- ● 유도항력은 양력과 떼어 놓을 수 없습니다. 날끝에서 아랫면 고기압이 윗면으로 넘어 와류와 하향류를 만들고, 양력 벡터가 뒤로 기울어 뒤쪽 성분이 됩니다.
- ● 유도항력은 속도의 제곱에 반비례, 유해항력은 제곱에 비례합니다. 전항력 최소 속도에서 최대항속에 필요한 추력이 최소이고, 최소 동력·최대체공은 다른 점입니다.
- ● 무게는 CG, 양력은 CP에서 작용합니다. CG 후방 한계는 해당 속도의 CP보다 앞에 둡니다. CG가 CP보다 앞이면 기수 내림, 반대이면 기수 올림 모멘트입니다.
- ● 날끝 와류 강도는 무게에 비례, 스팬·속도에 반비례합니다. 최대는 무겁고, 깨끗하고, 느린 이륙·착륙입니다. 같은 경로 1,000ft 이내를 피하고, 지점이 불확실하면 약 3분, 호버링 헬기는 로터 지름의 3배입니다.
- ● 지면효과는 스팬의 1/10 높이에서 유도항력이 47.6% 줄어듭니다(1/4이면 23.5%, 스팬과 같으면 1.4%). 지면효과를 벗어나면 같은 CL에 받음각·유도항력·필요 추력이 커집니다.
이 글은 미국 연방항공청(FAA)의 Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge(FAA-H-8083-25B)(퍼블릭 도메인)를 번역·재구성한 시리즈입니다.
“간섭항력·유도항력과 지면효과 — 조종사 핸드북 5장 (2/11)”에 대한 1개의 생각