항력(drag)
항력(DRAG)
항력(DRAG)란 공기흐름에 저항하는 힘으로 항공기의 진행을 방해하는 힘. 항력은 고체가 유체를 통과하면서 생성된다. 항공기 표면 마찰로 인해 유체속도가 느려지면 , 유체의 점성에 의해 항공기 표면을 지나는 공기의 일부분이 속도가 느려지게 되고 , 즉 , 마찰과 점성으로 인해 항력이 생성된다.
항력은 1. 추력에 반대되고 , 2. 상대풍(RELATIVE WIND)과 평행 3. flight path에 평행
양력이 생성되면 항력은 필수적으로 동반되어 진다.
ref. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/VirtualAero/BottleRocket/airplane/drag1.html , 조종사 표준교재 2.1 , JEPPESEN PPM 3-14
항력을 구하는 공식은 다음과 같다.
항력계수도 양력계수와 마찬가지로 공기의 점성과 공기의 압축성이 풍동실험의 조건과 비슷하다면 항력계수 값이 얼추 비슷하지만, 점성이 크게 달라지거나 , 음속을 넘어서는 고속의 항공기라면 항력계수의 값도 크게 달라질 수 있다.
ref.https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/dragco.html
항력(DRAG)의 종류
항력은 크게 유도항력(INDUCED DRAG) 와 유해항력(PARASITE DRAG)으로 구분짓는다.
유도항력(induced drag)은 양력이 발생함에 따라 필수적으로 생성되는 항력이다.
유해항력(parasite drag)은 항공기 주변 공기의 흐름, 난기류 , 혹은 항공기 형상 등으로 공기의 흐름을 방해 함으로써 나타나는 항력이다.
form drag(형상항력) , skin friction drag (마찰항력)
interference drag(간섭항력) 으로 구분 짓고 ,
초음속 항공기에 적용되는 wave drag(초파항력)도 있다.
PROFILE DRAG는 SKIN FRICTION DRAG와 FORM DRAG를 합쳐 지칭하는 단어이다.
유도항력(induced drag)
유도항력은 양력이 생성됨에 따라 필수적으로 따라오는 항력이다. 받음각(AOA)에 직접적인 연관이 있다.
유도항력의 생성기전은 항공기 날개 위아래면의 압력차로 인해 , 공기가 아래에서 위로 흐르려고하여 와류(voltex)생성 - 와류가 날개 뒤쪽으로 돌아 나가면서 하강기류(downwash) 생성 - downwash가 상대풍의 방향을 아래 쪽으로 바꾸면서 상대풍에 수직으로 발생하는것이 양력인데 상대풍의 방향이 아래쪽으로 바뀌면서 양력의 방향도 약간 뒤쪽으로 바뀌어 작용한다. 여기서 양력은 비행방향에 수직인 성분 , 비행방향에 수평인 성분 으로 나뉘는데, 비행방향과 수평인 성분이 유도항력으로 작용한다.
유도항력은 downwash가 강해짐에 따라 강해진다.
또한 , 속도의 제곱에 반비례한다.
즉 낮은 속도일때 받음각이 커지기 때문에 유해항력(INDUCED DRAG)의 값은 크다.
유도항력을 줄이는 방법은 다시말해 , 1. wingtip voltex를 줄이는 것과 같다.
1. TAPERED WING , ELLIPTICAL WING 사용
2. HIGH ASPECT RATIO 적용
3. WING WASH OUT
4. WINGLET 장착
- 항공기 중량이 증가하면 같은 고도를 유지하기 위해 더 많은 양력이 필요하게 되므로 유도항력이 증가한다.
BANK ANGLE 에 따른 INDUCED DRAG
1. 15도 뱅크 유도항력 7% 증가
2. 30도 뱅크 유도항력 33% 증가
3. 45도 뱅크 유도항력 100% 증가
4. 60도 뱅크 유도항력 300%증가
* BANK ANGLE 에 따른 LOAD FACTOR
1. 45도 1.5 G
2. 60도 2G
3. 70도 3G
LOAD FACTOR 2G 이면 INDUCED DRAG는 4배 증가 . 제곱으로 증가
ref.조종사 표준교재 2.1.3 , jeppesen ppm 3-16 , PM2 20p
유해항력(parasite drag)
간섭항력(interference drag)는 공기의 흐름이 교차되어지는 지점에서 형성된다. 예를 들면 윙루트(wing root ) 같이 두면이 수직으로 되어 있는 부분에서 간섭항력(interference drag)가 발생한다. 수평미익과 수직미익이 연결되는 지점도 마찬가지이다. 랜딩기어도 interfence drag를 생성한다.
두 공기의 흐름이 교차되면서 생기는 항력인 것이다. 이러한 부분에는 fairing 혹인 fillet 을 장착하여 공기의 흐름이 수직으로 교차되어 지지 않게 함으로써 interference drag를 줄인다.
형상항력(form drag)는 항공기 동체와 그 주위를 지나가는 공기의 흐름에 의해 발생되는 항력이다. 공기 흐름이 분리되어 발생한 wake에 의해 발생되는 항력이다.
유선형(streamline)의 형상일 수록 이 form drag를 줄일 수 있다.
WAKE가 클수록 FORM DRAG도 커진다.
항공기 랜딩기어에 FARING을 장착해 형상항력을 줄일 수 있다.
SKIN FRICTION DRAG는 항공기 표면의 거친부분에 의해 생성된다. SURFACE AREA , ROUGHNESS , AIRSPEED 에 관련이 있다.
아무리 매끈한 동체도 현미경으로 관찰하면 거친표면이다.
공기의 얇은 층이 이 거친표면에 정체되면서 발생하는 항력이다. 이러한 이유로 항공기 리벳을 평평하게 만들었다.
조파항력(wave drag)은 항공기가 천음속 혹은 초음속 비행을 할 때 발생하는 항력이다. 천음속 항공기도 항공기 형태에 따라 부분적으로 음속을 넘을 수 있다.(민항기의 항공기 날개 위 등) . wave drag가 생성되는 속도를 항력발산 마하수(DRAG RISE DRAG DIVERGENCE) 라고하며 , 이 항력발산을 지연시키고자 sweep back (후퇴익) 모양의 날개를 채택했다.
속도에 따른 INDUCED DRAG & PARASITE DRAG
속도가 2배 유해항력은 4배증가
STALL SPEED에 가까울때 INDUCED DRAG는 가장 크고 , PARASITE DRAG는 가장 작다.
INDUCED DRAG는 속도에 반비례
PARASITE DRAG는 속도의 제곱으로 커진다.
ref. 조종사 표준교재 2.1.3 , JEPPESEN PPM 3-15 , PM2 17p-20p