양력을 파헤쳐보자 - Wing(3)

Wing

1. 목차
   1. Airfoil
      1. Airfoil의 구조
      2. Airfoil의 모양
   2.  Airflow
      1. Stagnation Point
      2. Upwash
      3. Downwash
      4. Angle of Attack의 변화에 따른 Pressure의 변화
      5. Angle of Attack의 변화에 따른 Center of Pressure의 변화
      6. Aerodynamic Center
   3. Angle of Attack
2. Airflow
   1. Aerodynamic Center
      1. 이전까지 Angle of Attack이 증가하면 CP는 앞쪽으로 이동하고 Lift는 증가한다고 했다.

         

         출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight

      2. 여기서 CP를 중심으로 Lift가 발생하기 때문에 Leading Edge와 Trailing Edge를 기준으로 생각하면 Pitching Moment가 발생한다고 볼 수 있다. Moment라는 힘은 어떤 축을 기준으로 돌리는 힘이라고 보면 된다. Wing에 적용해 보면 Leading Edge를 못 움직이게 손가락으로 꽉 잡았다고 가정하고 CP를 기준으로 위로 Lift가 발생했다고 하자. Leading Edge는 움직이지 못하기 때문에 CP가 위로 움직이게 될 것이다. 다시 말해 CP가 위로 움직였다는 것은 Leading Edge가 아래로 움직였다고 볼 수도 있다. 이 힘을 Pitching Moment라고 하고 Leading Edge는 Nose Down Pitching Moment가 발생한다. Trailing Edge는 그 반대이므로 Tail Down Pitching Moment가 발생한다. 또한, 여기서 하나 더 짚고 넘어가자.
      3. Angle of Attack이 증가되고 있는 상황이라고 가정하자. CP는 앞으로 이동할 것이고 Lift는 증가할 것이다. Moment 힘을 구하는 공식은 Arm X Force이다. 여기서 Force는 Lift를 말하는 것이고 Arm은 어느 기준점부터의 거리이다. 여기서는 CP를 기준으로 Leading Edge까지의 거리를 말한다. 다시 돌아와서, Angle of Attack이 증가하면 Leading Edge 입장에서는 Force(lift)는 증가하고 Arm(CP로부터의 거리)은 감소한다고 볼 수 있다. 그러면 Moment는 어떻게 되겠는가? Arm은 감소하고 Force는 증가한다. 결과는 Moment는 증가하게 된다. 이유는 Arm의 감소보다 훨씬 더 많이 Force가 증가하기 때문이다. 그래서 Angle of Attack이 증가하면 Pitching Moment가 증가한다고 한다.

         

         출처 : CAE Oxford Aviation Academy - Principles of Flight

      4. 이제 Aerodynamic Center(AC)가 나올 차례이다. 먼저 정의는" 정상적인 Angle of Attack에서 발생하는 Pitching Moment가 항상 일정한 지점"이다. 쉽게 말하자면, Angle of Attack이 변해도 Pitching Moment가 변하지 않는 지점이다. 위에서 언급했지만 Angle of Attack이 증가하면 Pitching Moment가 증가한다고 했다. 하지만 AC에서는 변하지 않는데 그 이유는 Arm의 감소량과 Force의 증가량이 동일하기 때문에 두 값을 곱한 Moment는 변하지 않게 된다.
      5. AC는 Wing Camber, 두께, Angle of Attack과 상관없이 Chord line의 25%에 위치한다. 쉽게 말하면, Wing 앞쪽으로부터 1/4 지점에 위치하게 된다.
      6. AC가 필요한 이유는 항공기 설계 과정에서 세로 안정성을 설계할 때 적용되는데 나중에 안정성을 공부할 때 알아보자.