aspect ratio(종횡비)와 taper ratio(테이퍼비) , 날개형상(WING PLANFORM) , 날개의 종류

ASPECT RATIO(가로세로비)

ASPECT RATIO란 날개길이(WING SPAN)와 평균시위길이(CHORD)의 비율이다.
ASPECT RATIO는 LIFT/DRAG 특성에서 중요한 요소이다.
같은 받음각(AOA)일때 , ASPECT RATIO가 클수록 WINGTIP VOLTEX가 적어진다. 적은 VOLTEX가 적은 INDUCED DRAG를 만든다.
따라서 ASPECT RATIO가 클수록 LIFT/DRAG RATIO도 커진다.

대부분의 훈련용 항공기나 GENERAL AVIATION 항공기는 높은 ASPECT RATIO의 날개를 채택하였다. 특히 , 높은 받음각(AOA)상태인 상승기동에서 큰 ASPECT RATIO가 좋은 항공기 퍼포먼스를 보여준다.

하지만 ASPECT RATIO를 마냥 크게 할 수 없다. 날개 무게가 증가하므로 WING LOAD가 크게 작용된다. 즉, 고속비행에서 날개의 구조적 강도에 불리하며 , 또한 기동성이 감소한다.

큰 ASPECT RATIO의 장점: induced drag의 감소로 lift 증가 , aspect ratio가 증가하면 양항비(lift-drag ratio)도 증가
단점: 항공기 날개 구조적 안정성 낮음(bending stress 증가) , 날개 무게 증가 , 기동성 저하


참고로 양력은 날개 뿌리부분에서 가장 크게 발생하며 , 날개 끝으로 갈수록 양력이 적게 발생된다.
이 양력발생의 분포도를 이용하여 만든 날개가 타원형날개(ELLIPTICAL WING) 이다.

ref.조종사표준교재2.5 , PM2 22p-24p , jeppesen ppm 3-8

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TAPER RATIO(테이퍼 비)

TAPER RATIO란 날개 뿌리 시위 길이와 날개 끝 시위길이의 비율이다. taper ratio가 1이면 , 직사각형의 날개형태이다.

TAPERED WING은 날개무게를 줄이고 , INDUCED DRAG를 감소 시킨다. 특히, 고속에서의 항력감소가 특징이다.

WINGTIP VOLTEX가 작게 발생하여 INDUCED DRAG를 적게 발생시킨다.

테이퍼비가 크다는건 직사각형 형태에 가깝다는 것(rectangular wing) .
테이퍼비가 작다(TAPER WING)는건 작은 WINGTIP VOTEX 로 유도항력이 감소해 양력이 증가.
테이퍼 형태에 따른 날개무게 감소. 또한, WING ROOT의 강도가 좋고, 연료를 더 많이 탑재할 수 있다.

ref.조종사표준교재2.5 , PM2 22p-24p , jeppesen ppm 3-8

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날개형상의 종류( WING PLANFORM )

elliptical wing(타원형)= 날개의 양력발생분포도에 따라 고안된 형태. 아음속 비행에서 가장 이상적인 날개 형태. but 스톨에 취약하다( full stall 이전까지 warning이 거의 없다.) 제작이 어렵다.

regular wing(rectangular wing) = wing root에서 먼저 실속이 발생하기 때문에 타원형 날개보다 stall에 안정적이다.
또한 wing root가 먼저 stall 되므로 aileron 조작도 용이하다.

taper wing= elliptical wing 과 rectangular wing을 혼합한 형태로 induced drag를 최소화 하면서 stall warning에 안정성도 취했다. 특히, 고속에서의 drag감소가 특징이다. 날개의 무게 또한 줄어듬. 제작도 용이하다.

sweepback wing = 고속비행에 적합한 형태. 임계마하수(critical mach number)를 높인다. but stall speed를 높이고 , wingtip에서 스톨이 먼저 일어난다. stall 상태에서의 aileron 조작이 어렵다.
* 후퇴익의 leading edge slat과 slot , leading edge flap의 효과는 trailing edge flap보다 크다. 공기흐름의 패턴을 더욱 바꾼다.

forward swept wing = sweepback wing과 마찬가지로 임계마하수를 크게한다. wingtip에서 stall이 먼저 발생하지않는다.
그러나 날개를 비트는 경향이 sweepback wing 보다 크다. 이 경향성이 항공기 구조적 문제를 야기시킨다.

delta wing = 음속을 넘는 속도에서는 60도이상의 후퇴각을 주어야하는데 이는 구조적 안정성을 낮춘다. 그래서 고안된 형태. 초음속 비행에 적합하며, 저속에서 의 유도항력이 크다. 이착륙시에 high speed가 필요해 상업용 항공기에 부적합하다.

*canard(귀날개) = 저속에서의 세로안정성(longitudinal stability)을 확보하기 위해 카나드를 항공기 노즈 부분에 설치하기도 한다. canard는 horizontal stabilizer와 다르게 날개와 같은 위로 양력을 발생시킨다. 그리하여 공기역학적으로 유리하다.
또한 날개보다 낮은 받음각(lower AOA)에서 STALL 현상이 일어나게 설계함으로써, 날개가 STALL되기 전에 NOSE DOWN을 만들어 안정성을 가진다.

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후퇴익(sweepback wing)

chord line 에 평행한 사진속의 검은 부분에서만 공기는 가속하게 된다 . 후퇴익은 이 평행하게 흐르는 기류의 양을 줄임으로써 공기를 덜 가속시키고, 이것이 임계 마하수를 높인다.
항공기 동체보다 항공기 날개 윗면이 음속에 먼저 도달하게 된다. 그 이유는 압력이 낮은 항공기 윗면(베르누이)의 공기가 가속하게 되면서 음속에 먼저 도달하기 때문.
이것을 임계마하수(critical mach number)라고 한다.
후퇴익은 이 임계마하수를 높인다. 후퇴익은 날개윗면을 지나는 공기의 가속도를 줄이고, 이것이 임계마하수를 높이는것이다. 또한 후퇴익은 날개 끝에서부터 실속이 일어나게 되어 실속 상태에서 aileron의 조작이 어렵다.

• 후퇴익의 효과는 다음과 같다.

1. 임계마하수를 높인다.
2. directional stability에 기여한다. ( 기수가 slip side 쪽 날개를 가림 )
3. Lateral stability에 기여한다 . ( 상반각 효과를 가짐 )
4. 임계마하수를 높이면서 drag divergence의 속도도 높인다.
5. 천음속구간에서 조종성을 유지시켜준다.
6. 30도 이상의 후퇴익이 효과적이다
7. 마하 2 이상의 속도에선 60도 이상의 후퇴익이 효과적이다.

* 후퇴익에서 leading edge의 high lift device는 trailing edge의 high lift device보다 훨씩 효과적이다.
* 후퇴익의 wingtip에서 shock stall 이 발생하면 날개의 cp는 inward forward로 이동한다.

ref.조종사표준교재2.5 , PM2 22p-24p , jeppesen ppm 3-8 3-10, phak 5-21 , https://www.boldmethod.com/learn-to-fly/aerodynamics/wing-sweep/

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WING TWIST OR WASHOUT

wing washout or wing twist 란 항공기 날개의 양력발생 분포를 의도적으로 줄여나가 wingtip에서 적은 양력을 발생시키게 하는 것이다. 그림에서와 같이 입사각(the angle of incidence)을 wingroot에서부터 wingtip까지 점차 줄여나가 wing root에서 날개의 받음각(AOA)가 크고, wingtip으로 갈수록 받음각(AOA)이 적어진다.
이러한 날개의 특성은 스톨이 wingroot에서부터 발생하게 함으로써 stall 상태에서의 aileron 조종성을 증가시켜준다.
또한 wingroot에서 발생한 airflow seperation이 꼬리날개에 buffet 현상을 일으키므로써 stall warning의 역할도 한다.




INDUCED DRAG를 줄이는 방법
1. TAPERED WING OR ELLIPTICAL WING
2. HIGH ASPECT RATIO
3. WING TWIST( Wing washed out 이랑은 다름)
4. WINGLET





ref. PM2 22p -24p . https://www.youtube.com/watch?v=TlNRbQtxa7U