항공기 날개 모양 및 위치에 따른 장.단점

[바보를꿈꾸며]

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후퇴익은 독일의 아돌프 부즈만이 처음 개발한 것입니다. 후퇴익의 가장 큰 장점은 천음속(마하 0.8~1.3) 및 초음속 영역에서 날개가 발생하는 항력(공기저항)이 줄어들어 같은 출력의 엔진이라도 더 빠른 비행이 가능하다는 점입니다. 독일의 Me262가 후퇴익으로 설계된 이후에 현재까지 생산된 초음속 항공기는 거의 후퇴익을 가집니다.(고로 대부분의 전투기가 전부 다 후퇴익입니다.) 후퇴익의 문제점은 후퇴익 설계때문에 날개의 면적이 상대적으로 작아지므로 저속영역에서 비행안정성이 떨어집니다. 그래서 F104스타파이터 같은 극단적인 초음속기(얇고 긴 동체를 가진)의 경우 이착륙시같은 저속에서 추락사고가 빈번해 스타파이터를 대량으로 운용하던 독일 연방공군(옛 서독공군)에서는 스타파이터를 과부제조기라고 불렀습니다.

 가변익은 이 저속에서의 안정성과 고속에서의 항력감소를 동시에 실현하기 위한 목적으로 만들어졌습니다. 대표적인 전투기가 F14톰캣과 F111, 파나비아 토네이도인데 저속에서는 날개를 앞쪽으로 활짝 펼쳐서 비행안정성을 확보하지만 고속 영역에서는 날개를 뒤쪽으로 끌어당겨 항력을 감소하게 합니다. 하지만 가변익기의 문제는 가변익 기구의 탑재로 인한 기체중량증가와 기체의 대형화에 있습니다. 실제로 F14톰캣은 항모에 탑재하기는 버겁게 큰 기체죠. 대형항모를 가진 미국이니까 어떻게든 쓰지만서도...

 전진익은 후퇴익에 비해 특히 천음속 구간에서 최적의 양력배분을 얻을 수 있다는 장점을 가집니다. 후퇴익에서는 기류의 박리층이 날개끝 부분으로 갈수록 두꺼워져 이 박리층이 불규칙해질 경우 비행기가 실속하는 문제가 있습니다. 하지만 전진익에서는 이 박리층이 날개와 동체가 접합되는 뿌리쪽으로 이동하게 되는데 역시나 박리층이 불규칙하게 되면 실속하게 되지만 날개끝에서 일어나는 실속현상보다는 훨씬 안전하며, X29와 S37같은 실험기에서는 주날개 접합부 부분에 작은 삼각형의 스트레이크를 장착하여 이런 문제를 해결하였습니다.

 하지만 전진익의 문제점은 날개 자체의 구조적 문제입니다. 날개가 양력을 받으면 전진익은 후퇴익과 반대로 날개에 받음각이 증가하기 때문에 날개끝에서의 양력은 증가하고 날개끝단쪽으로 비틀림 현상이 발생하여 결국 날개가 부러지게 됩니다.

날개형태별 장단점

항공기를 위에서 내려다보았을 때 주날개의 형태는 각 기종마다 모두 특이하다. 날개형태 에 따라서 항공기의 성능이 크게 좌우되기 때문이다.

항공기 주날개는 그 형태에 따라 직선익, 타원형 날개, 후퇴 날개, 전진 날개, 삼각날개, 가변 날개 등으로 나뉜다.

 

-직선익

직선익은 저속에서의 안정성이 우수하고, 날개 끝부분에 실속이 잘 걸리지 않는 특성이 있다.

그리고 직사각형 모양이라서 주날개를 쉽고, 강하게 제작할 수 있기 때문에 속도가 빠르지 않은 중저속 항공기, 특히 경비행기에 주로 사용되는 날개이기도 하다.

 

-타원익

타원익 직선익과 특성이 비슷하다고 할 수 있는데, 날개에서 발생되는 양력분포에 따라 부드러운 곡선으로 날개를 설계했기 때문에 직선익보다 전체적으로 더 양력효율이 높다. 하지만 타원형이라서 구조적으로 제작이 어렵기 때문에 거의 사용되지 않는 날개이기도 하다.

제 2차 세계대전 당시 영국 본토방공전(Battle of Britan)에서의 활약으로 유명했던 스핏파이어 전투기의 주날개 형태이기도 하다.

 

-후퇴익

후퇴익(Swept wing)은 가장 기본적인 날개인 직선익과 비교하여 직진시에 안정성이 우수하며, 항력이 적게 발생한다는 특성이 있다.

특히 음속 돌파시에 생기는 충격파의 발생을 지연시켜주기 때문에 다른 형식의 주날개보다 더 쉽고 더 빠르게 항공기를 음속에 도달할 수 있게 해주는 장점을 갖고 있다.

이것이 가능한 이유는 다음과 같다.

후퇴익 정면에서 불어오는 기류는 후퇴각 방향으로 흐르는 기류와 그 기류에 직각인 기류로 분할하여 생각할 수 있다.

이중에서 후퇴각을 따라서 흐르는 기류는 날개 끝 방향으로 향하기 때문에 날개에서 발생하는 양력이나 항력에 직접적인 영향을 미치지는 않는다.

즉, 후퇴익에 직접적인 영향을 미치는 기류는 후퇴각의 직각인 방향의 기류 흐름이라고 볼 수 있는 것이다.

따라서 후퇴각이 클수록 후퇴각 방향의 기류흐름은 커지게되니까, 그만큼 실제 날개에 영향을 미치는 기류는 실제 항공기 속도보다 늦출 수 있는 것이다.

그래서 후퇴익은 초음속돌파에 매우 효과적인 것이다.

하지만 후퇴익 고유의 단점 또한 갖고 있다.

후퇴익 그 날개 특성상 날개 위를 흐르는 공기가 그림과 같이 바깥쪽을 흐르게(Out flow) 된다.

따라서 날개 뿌리부분부터의 와류가 날개 끝으로 가면서 계속 합쳐져 날개 끝에 이르러서는 양력이 거의 발생하지 않는 상태에 빠지게 된다.

즉 날개끝에서 실속(翼端失速 : Wing tip stall)현상이 벌어지는 것이다.

이 날개끝 실속은 날개뿌리부분의 상대적인 상승을 가져와 기수가 갑자기 들리는 현상을 유발시킨다.

그리고 더욱더 심각한 현상은 이 실속이 날개 끝에 위치한 에일러론의 작동까지도 방해한다는 것이다.

따라서 이러한 단점을 막기 위하여 과거의 후퇴익 항공기들은 날개에 경계층판을 붙이기도 했다.

 

-전진익

일반적으로 전진익(Forward swept wing)이란 양력을 발생시키는 주날개의 좌우 끝이 날개가 동체에 붙어있는 동체뿌리보다 앞쪽에 있는 날개를 말한다.

전진익 항공기의 장점은 후퇴익 효과와 같이 고속비행이 가능하다는 것에 있다.

그리고 후퇴익과는 반대로 전진익 자체가 불안정성을 갖고 있기 때문에 조종성의 극대화를 추구할 수 있다는 것도 하나의 장점이다. 따라서 고기동성 연구를 목적으로 NASA에서 X-29라는 유명한 전진익 실험기를 만들기도 했다.

하지만 전진익은 아직 완전히 실용화된 기술은 아니다. 단점을 완전히 극복하지 못했기 때문이다.

전진익 항공기의 경우 날개와의 연결부위, 즉 날개뿌리는 항공기의 하중이 많이 걸리는 부분이기도 하다.

그래서 항공기가 고속으로 비행하게 될 경우에는 날개에 걸리는 하중이 지속적으로 증가하게 되며, 이 하중으로 인해 날개는 계속 뒤틀림이 발생하게 된다.

이렇게 하중이 증가하는 악순환으로 인해 날개가 일그러지거나 끊어지는 현상(발산현상 : Divergence)이 전진익의 단점인 것이다.

또한 전진익은 그림과 같이 후퇴익과 반대로 날개 안쪽으로 기류가 흐르기(In flow) 때문에 날개에서 발생하는 충격파가 날개뿌리로 모이게 된다.

이는 곧 날개뿌리근처의 구조 피로도를 증가시켜 고속비행기에는 간단히 적용시키기가 어렵게 된다.

그래서 X-29기는 이러한 단점을 극복하기 위해 탄소강화섬유 복합재로 날개뿌리 구조를 강화시키고, 카나드라고 부르는 작은 귀날개를 달기도 했다.

 

-델타익

델타익(Delta wing)은 음속 이상의 고속비행에 사용할 목적으로 개발된 날개이다.

아음속이하를 비행하는 항공기는 작은 후퇴각으로도 충분하지만 마하 2급이상의 고속비행을 목적으로 한다면 60도 이상의 후퇴각을 갖는 날개가 적합하다.

하지만 구조상으로 60도 이상의 후퇴각을 주면 초음속에서 견딜 수 있는 날개를 제작하기가 어려워진다.

그래서 이러한 문제를 극복하기 위해서 델터익이 탄생한 것이다.

델터익은 앞전의 후퇴각이 크면서도 날개의 중심 뼈대인 날개보(Spar)가 날개의 뒷전을 동체와 직각으로 가로지를 수가 있기 때문에 날개를 매우 강하게 만들 수 있다는 것이 장점이다. 또한 음속부근에서 공기역학적 중심의 변화가 거의 없다는 것도 장접으로 꼽힌다.

하지만 이렇게 고속비행에 적합한 반면 저속에서는 기동성이 떨어지는 것이 단점이다.

그 리고 주날개의 가로세로비가 작기 때문에 저속 순항시 유도항력이 크게 발생하고, 안정성이 나빠진다는 것도 단점에 해당한다.

그리고 일반적인 고양력장치를 쓸수 없으므로 저속 착륙시에는 부족한 양력을 보완하기 위하여 매우 큰 받음각을 취한상태로 착륙해야만 한다는 것도 역시 무시할 수 없는 장점이다.

따라서 이러한 단점을 보완하고자 더블 델터익, 카나드 델터익, 오지익과 같은 다양한 날개가 파생되었다.

 

-가변익

위에서 살펴보았듯이 날개는 그 형태에 따라서 각각 다양한 특성을 나타내었다. 그래서 항공기의 속도에 따라서 날개의 모양을 바꾸어 각 형식의 장점을 최대한 활용한다는 개념의 날개가 바로 가변익(Swing wing/Variable Geometry wing)이다.

그래서 가변익은 저속시에는 양력특성이 우수하고 안정된 비행성능을 제공하는 직선익과 같은 형태를 갖추고, 천음속에서나 음속 돌파할 때에는 후퇴익을, 초음속일때는 삼각익과 같 은 날개형태를 유지한다.

따라서 이러한 장점만 본다면 가변익은 이상적인 날개형태라고도 할 수 있으나 실제로는 날개 연결부위의 작동장치와 강도문제로 중량이 증가되어, 결국 고정형 날개에 비해서 크게 성능이 향상된다고 볼 수는 없다.

이러한 복잡한 시스템을 사용하므로써 발생하는 유지비용과 항공기 단가를 생각한다면 가변익은 아직은 특수목적의 날개라고 할 수 있겠다.

 

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