비행기가 뜨는 원리

목차

I. 개 요

II. 본 문
1. 에어포일(Airfoil) 이론
2. 양 력(Lift) 이란 ?
(1) 베르누이의 정의(bernoulliꡐs principle)
(2) 뉴톤의 3법칙(newton′s third law)
(3) 압력․중력중심과 받음각
(4) 양력공식 (Lift Formula)
(5) 실속(失速 : Stall)이란?
(6) 고양력장치 (High-Lift Devices)
3. 항 력 (Drag)
(1) 유도항력 (Induced Drag)
(2) 형상항력
4. 추 력 (Thrust)
(1) 토크현상(torque effect)
(2) 프로펠러 효율 (Propeller Effciency)
5. 중 력 (무게 Weight)

본문내용

형태는 공기의 저항을 최소화할 수 있도록 고안된다. 유해항력은 속도의 제곱에 비례하여 증가하기 때문에 속도가 2배가 되면 유해항력은 4배가 된다.
② 마찰항력(friction drag): 물체의 표면을 공기가 흐를 때 공기의 점성으로 인하여 물체표면에 마찰력이 작용한다. 이러한 마찰력에 의해 발생한 항력을 마찰항력 이라고 하는데 항공기의 날개가 거칠수록 마찰항력이 커진다.
③ 압력항력(pressure drag) 또는 형태항력(form drag): 유선형과 같이 유선이 물체의 표면에 따라서 층류를 이룰 때에는 크게 발생하지 않으나 공과 같이 뒷부분이 잘린 형태라든지 날개의 받음각이 커질때, 기류가 물체에서 이탈하여 난류가 되어, 압력이 부압이 되어 물체를 뒤로 잡아 당기게 되는 현상이 일어난다. 이러한 현상으로 발생된 항력을 압력항력이라고 한다.
그림 5) 흐름의 이탈에 의한 압력항력
4. 추력 (Thrust)
프로펠러 또는 터보제트 (Turbojet) 엔진등에 의하여 생성되는 항공 력학적인 힘을 추력이라 한다.
(1) 토크현상(torque effect)
토크 현상이란 엔진에서 발생한 회전력이 프로펠러에 전달되어 회전하게 되면 프로펠러에 연결되어 있는 물체는 회전하는 반대 방향으로 회전하려는 힘이 발생하게 된다. 이를 토크현상이라 하며 뉴톤의 운동법칙에 의해서 잘 설명된다. 뉴톤의 운동 제3법칙인 작용 반작용의 법칙은 운동하는 모든 물체는 그 방향의 반대방향으로 같은 크기의 반작용을 한다는 것으로, 통상 고정익 항공기는 좌편요 하려는 경향이 있다.
① 토크반작용(torque reaction)
토크현상은 앞에서 설명한 것과 같이 물체에 작용하는 반작용을 말하며 회전하는 물체도 같은 현상이 발생한다. 고정익 항공기의 프로펠러가 시계방향으로 회전할 때 동체는 이에 반작용을 이르켜 종축을 중심으로 시계반대방향으로 횡요(roll) 혹은 경사(bank)지는 경향이 있다.
(그림 6)은 프로페러의 회전 방향에 따른 항공기 동체의 반작용을 보여주고 있다. 토크 반작용 현상은 단발 프로펠러 항공기가 저속 및 고영각에서 엔진의 고출력에서 심하게 나타난다.
. 반작용(엔진의 회전력에 의하여 동체는 반대방향으로 작용) : 엔진의 회전력 의하여 회전하려는 성질 프로펠러의 회전방향 동체의 회전력에 의해 동체의 회전력에 의해 수직 축으로부터 꼬리의 진행방향 우측 기수의 진행방향 좌측
그림 6) 토크 반작용
② 회전 운동의 세차(gyroscopic precession)
그림 7) 회전운동의 세차
회전운동의 세차란 회전하고 있는 물체에 회전부의 힘을 가했을 때 그 힘이 나타나는 곳은 90°를 지나서 분명해 지는 현상을 말한다. (그림3-7)은 항공기 미부에 힘이 가해졌을 때 프로펠러 상부에 힘이 전달되어 그 힘이 회전 방향으로 90°를 지난 지점에서 힘이 분명하게 나타나 좌편요한다. 특히 미륜식 항공기가 이륙을 위해 증속후 기수를 중립위치로 down 할 때 이 현상이 심하게 나타난다.
③ 나선후류(spiraling slipstream)
항공기의 프로펠러 회전에 의해서 항공기 후방에 후류가 발생한다. 이 같은 후류는 시계방향으로 동체를 휘감는 나선형 후류가 된다. 발생되는 후류는 (그림 8)에서 와 같이 동체를 휘감으면서 동체를 지나 후방부의 수직 안정판(vertical pin)에 부딪히면서 항공기의 꼬리는 수직축을 중심으로 우로 편요하게 되고 기수는 좌로 편요하게 된다. 초경량 항공기 중 엔진이 뒤에 있는 기종은 회전하는 프로펠러가 동체축을 중심으로 회전하는 것이 아니라(회전하는 후류가 동체를 감싸고 도는 것이 아니라) 동체축 위에서 회전하므로서 후류는 수직 안정판의 우측을 치게되어 꼬리가 좌로 편요하게 되고 기수는 반대로 우편요 하게 되는 것이다. 유입되기전의 기류는 프로펠러는 조종석에서 보면 회전력이 없음 시계방향으로 회전한다 유입된 이후의 기류는 프로펠러의 회전력에 의하여 동체를 감싸며 회전한다. 동체를 감싸고 도는 후류는 후미의 수직안정판에 힘을 가하여 꼬리날개가 우측으로 운동한다.
그림 8) 나 선 후 류
④ 비대칭 추력(asymmetrical thrust)
항공기의 프로펠러 효율에 의해서 얻을 수 있는 요소로 항공기가 저속으로 운용시는 보다 큰 영각이 요구된다. 프로펠러가 회전시 축을 중심으로 하여 하향 하는 블레이드와 상향하는 블레이드가 발생하게 된다. 하향하는 블레이드는 상향하는 블레이드 보다. 따라서 상향하는 블레이드는 영각이 작기 때문에 양력도 작고 반대로 하향하는 블레이드의 영각은 크기 때문 에 좌로 편요하게 된다.(그림9)는 상향 및 하향 블레이드의 운동 방향에 따른 영각의 변화를 보여주 고 있다. 이 같은 현상은 저속에서 좌편요 현상이 현 저히 나타나는데 이것은 저속시 영각이 크기 때문이 고 이는 상향 및 하행 블레이드의 영각차가 고속시 보다 더 크게 발생하기 때문이다.
그림 9)
(2) 프로펠러 효율 (Propeller Effciency)
프로펠러의 후류 (Sipstream)나 소음 발생으로 인하여 효율은 저하되고, 가장 이상적인 조건하에서 실제로 얻을 수 있는 프로펠러의 효율은 단 92%에 지나지 않는다. 프로펠러가 작동할 때 효율은 다음 비로써 나타낼수 있다.
프로페러 효율 = 유용일률 over {저항을 이기기 위해 필요한 동력의 양 } = 추진마력 over 토크마력
고효율 프로펠러는 비행속도와 피치, 엔진속도와 조화에 의존한다. 매우 좋은 프로펠러 효율을 얻기 위해서 날개에서 사용되는 것과 같은 저항력 에어포일 단면 형상과 같은 종류의 것을 사용한다.
5. 중 력 (무게 Weight)
중력은 모든 물체를 지구의 중심으로 잡아 당기는 힘이다. 항공기의 무게중심(CG)은 모든 무게가 집중되어 있는 항공기 위의 점이고, 무게중심에 항공기가 줄로 매달려 있다면 항공기는 균형을 유지할 것이다. 무게중심은 항공기의 세로중심선 (기수에서 꼬리까지의 상상의 선)에 위치하고 날개의 양력중심선 (Center of Lift)근처에 있다. 무게 (중력)중심은 항공기 하중이 위치한 무게와 위치에 의해 결정된다. 이것은 조종사가 비행전에 무게 균형 계산을 함으로 써 조종된다.

키워드

에어포일이론,   양력,   베르누이의 정의,   뉴톤의 3법칙,   중력중심,   양력공식