커나드 비행기

[snaproll 이종헌]

다른 사이트에 제가 올린 글을 퍼다가 올립니다.

3차원 실기도면을 받아 작성한 반디 1호기와 2호기 축소모형 제작도면입니다.
가솔린 45cc, 날개길이 2570mm로 1:1로 그린 도면입니다.

커나드기는 설계개념이 많이 다릅니다.
특히 커나드와 주익의 붙임각과 무게중심 계산이 매우 중요합니다.
또한 적절한 추력과 이륙속도가 아니면 곧바로 실속이나 루프를 해 버리지요.

라이트 형제의 인류 최초의 동력비행기는 커나드 기체 였습니다.
그러나 이후로 수평,수직꼬리날개를 가진, 근래의 일반적인 비행기의 모습을 완전하게 갖춘
블레리오가 출현한 이래로 커나드 기체는 거의 모습을 감추게 됩니다.


이후 항공역학(공기역학)의 발달로 2차대전때 다시 커나드 기체가 등장합니다.
사진은 2차대전중에 일본의 제로센을 제작한 미쓰비시가 개발한 Shinden(진전; 震電) 입니다.
두대를 제작하였는데 시험비행도 못해보고 패전한 것으로 알고 있습니다.


커나드 기체를 본격적으로 개발한 사람은 버트루탄 입니다.
항공기 개발의 파이오니어로 최초의 무급유 지구일주 비행을 한 보이저(쌍발프롭)와 글로발 플라이어(단발제트)
로 개발하였고
민간 우주왕복선 "스페이스쉽 원" 도 버트루탄이 설계하였다고 합니다.

모형에서도 수없이 커나드 기체를 시도하였으나 몇가지 문제점으로 인해 비행을
제대로 하지 못한 경우가 대부분 입니다.


그나마 모형으로서 성공적인 기체는 멀티플렉스 소닉 라이너 이죠.
모형 특유의 다양한 속도변화와 부적절한 속도에서의 이륙에서도 안정적으로 비행이 가능하도록
설계한 커나드 기체입니다.
주둥이를 길게 설계하여 이런 문제점을 보완할수 있었고 아울러 푸셔기의 무게중심 맞추기 어려운 문제까지도
해결한, 설계가 돋보이는 기체입니다.

오랜기간 모형 커나드 기체를 만들어 볼려고 하였는데 만만치 않더군요.
대학생 창작 비행기 대회에 수없이 커나드 기체가 출품하였으나 거의 대부분 비행에 실패하는 것을 보았거든요.
여러 박사님들의 조언을 받아 문제점을 지적하고 보완을 거듭한 결과 최근 1~2년전 부터
드디어 모형 커나드 비행기가 제대로 날기 시작하였습니다.

설계를 착수한 커나드 기체가 몇대 있습니다.
그러나 아직까지 본격 개발은 못하고 있는 현실입니다.
저야 커나드 기체의 특성을 알기 때문에 잘 날릴수 있지만 대중적으로 쉽고 편하게 비행하기에는
아직 약간의 문제를 지니고 있다는 생각이 들기 때문이죠.

왜 커나드 비행기 인가?

- 양력의 증가
모든 날개는 양력이 발생되면서 기수를 숙이는 모멘트가 발생합니다.
수평 꼬리날개는 핏치축 안정을 가져오는 동시에 아래로 눌러 이 기수숙임 모멘트를 상쇄시킵니다.
아래로 누르는 힘은 양력을 5~7% 까먹는 결과를 가져옵니다.
반면에 커나드는 기수을 들어 기수숙임 모멘트를 상쇄하므로 기체 전체의 양력을 오히려 보충해 주죠.
따라서 수평 꼬리날개가 있는 일반적인 기체보다 10~15% 양력이 향상되는 결과를 얻을수 있습니다.
그러면 날개를 크게 만들면 되지 않느냐? 라는 의문을 가질수 있습니다.
날개가 커지면 양력도 늘지만 항력도 늘고, 추력도 더 필요하게 되고 결국 비용이 증가되겠죠.
모형에서야 별 문제가 되지 않지만 실기에서는 항속거리의 증가, 즉 연비절감등 큰 장점이 생기게 됩니다.

- 엔진의 배치
트랙터(앞에서 끄는) 방식은 전방시야 차단, 나선후류 효과등으로 불리할때가 많습니다.
푸셔(뒤에서 미는)는 방식은 이런 문제가 없지요.
그러나 꼬리날개에 푸셔엔진을 달면 무게중심을 맞추기 어렵고, 그렇다고 날개뒤에 엔진을 달고
두개의 붐대(Tail boom)를 설치하기에는 여러모로 번거롭습니다.
커나드 기체는 수평꼬리날개가 없으므로 푸셔엔진을 장착하기가 수월해 집니다.
커나드로 인해 기수가 길어지므로 무게중심 맞추기도 쉽습니다.
반디호는 두개의 붐대에 수직꼬리날개를 장착한 형태이지만 버트루탄의 기체와 대부분의 커나드는
재기와 같이 후퇴익 끝에 윙렛과 비슷한 수직꼬리날개를 붙여 간단히 해결한 경우가 많습니다.

- 커나드 기체의 단점
푸셔형 커나드 기체는 모든 조종면이 프롭후류의 범위내에 있지 않으므로 실속상태가 되면
조종이 불가능해 집니다.
최근의 아크로기체는 저속, 실속상태의 기동이 많은데 이는 프로펠러의 후류로 3축을 제어할수 있기 때문입니다.
Extra와 같은 아크로기는 에일러론이 날개 끝에만 있는것이 아니라 프롭후류의 범위에 들게끔 익근까지 뻗어있습니다.
그래서 푸셔 엔진을 장착한 커나드 기체 형태의 아크로기체는 아직 없습니다.
이는 푸셔형 커나드 기체 모형으로 만들면 이런 재미는 즐길수 없고 실속에도 항상 대비하며 젊잖게 비행하여야
하므로 짜릿한 비행의 묘미는 포기해야만 한다는 것을 의미합니다.

- 커나드형 제트 전투기
라팔, 수호이, 유로파이터등 최근의 제트 전투기에도 커나드가 붙어있습니다.
그러나 이 커나드는 수평안정판과 같이 기체의 핏치축 안정을 위해서 필요한것은 아니라고 봅니다.
과격한 기동 또는 최대받음각에서 주익의 실속을 지연시키는 vortex generator 역할을 하는 것으로
일반적인 커나드와는 형태도 많이 다릅니다.

주익의 형상(plan form)과 엔진의 배치
버트루탄의 일부 커나드 글라이더는 직선 테이퍼익 형태이지만 동력이 있는 커나드 기체의 주익은 대부분 테이퍼 후퇴익 입니다.
용도가 주로 소형승용 이므로 양력효율이 좋도록 AR이 큰, 테이퍼 후퇴익으로, 거의 여객기와 날개와 흡사합니다.
또한 테이퍼 후퇴익은 요오축 안정성과 롤축 안정성을 증대시켜 줍니다.

게다가 푸셔엔진의 장착에도 큰 도움이 됩니다.
테이퍼 후퇴익은 MAC를 뒤로 보내 무거운 푸셔엔진으로 인해 무게중심이 뒤로 치우치는 것도 막아주죠.

수평꼬리날개는 날개 앞으로 보내 커나드가 대신하지만 날개 뒷부분의 동체가 없기 때문에 수직꼬리날개를
설치하기가 애매해 집니다.
후퇴익으로 하면 날개끝에 윙렛과 흡사한 수직꼬리날개를 붙이면 모멘트 암의 거리가 확보되는
유리한 점도 있습니다.
또한 후퇴익은 일본의 Shinden처럼 푸셔프롭을 벗어난 위치에 최대한 뒤로 수직미익을 설치하거나
반디호 처럼 짧은 붐대를 이용하여 수직꼬리날개를 붙이기에도 좋습니다.

커나드의 형상
R/C 트레이너 기체의 주익은 만들기 쉽도록 직선익이 많습니다.
그러나 수평꼬리날개는 대개 테이퍼 후퇴익 형태입니다.
초기의 R/C 트레이너를 보면 수평꼬리날개가 아예 델타익도 있었죠.
테이퍼 후퇴익 이나 델타익은 큰 받음각에서도 실속이 잘 안되는 특성이 있습니다.
이는 주익보다 먼저 수평꼬리날개가 실속하지 않게 하기 위함입니다.
주익이 먼저 실속하면 자동적으로 기수를 숙이게 되고, 기속이 증가하면서 실속에서 벗어날수가 있지만,
수평꼬리날개가 먼저 실속하면 기수를 들게 되면서 더욱 심각한 상황이 되겠죠.

커나드 기체는 완전히 반대가 됩니다.
실속에 가까운 큰 받음각에서 항상 주익보다 커나드가 먼저 실속을 하여 기수를 숙이도록 하여야만 합니다.
커나드를 테이퍼 후퇴익이나 델타익으로 만들어 실속이 잘 되지 않는 반면, 주익이 먼저 실속하면서
더욱 기수를 들게되는 불상사는 막아야 하기 때문이죠.

따라서 대부분의 커나드 기체의 커나드 형태는 좁고 긴 형태의 직선익이 대부분 입니다.

수평미익에 붙어있는 앨리베이터에 비해 커나드에 붙어있는 앨리베이터는 앞에서 작동하기 때문에
상당히 예민할수 있습니다.
이는 까딱하면 이륙시 루프가 되거나, 비행시 핏칭을 가져올수가 있지요.
따라서 좁은 폭의 엘리베이터를 채택하여 지나치게 예민하지 않도록 해야만 합니다.

수직안정판
푸셔형 커나드 R/C 기체를 만들면서 수직미익을 잘못 설계한 경우를 많이 보았습니다.
푸셔엔진때문에 수직안정판을 붙일곳을 찾지못해 애매한 위치에 붙인 거죠.
더구나 후퇴익이 아닌 경우에는 더욱 마땅치 않습니다.

프롭 앞부분에 있어 충분한 모멘트 암이 확보되지 않아 별 역할을 하지 못하거나
기수쪽에 붙여 오히려 요오축 안정성을 깨뜨려 똑바로 활주가 되지 않아 아예 이륙조차 못하는 경우도 보았습니다.
버트루탄의 커나드 기체와 같이 후퇴익의 익단에 윙렛처럼 (재기처럼) 설치하거나
신덴처럼 날개 중간에서 뒤로 뻗어 주거나, 반디호처럼 붐대를 이용해 최대한 중립점에서 이격시켜
충분한 모멘트암을 확보해야만 합니다.

커나드와 주익의 붙임각
꼬리날개가 있는 일반적인 기체의 주익의 붙임각은 대개 + (예: +1.5 ~ 3도) 이고, 수평꼬리날개의
붙임각은 0도 또는 -(예: 0 ~ -2도) 인 경우가 많습니다.
이 붙임각으로 인해 대개 주익이 먼저 실속하게 됩니다.

반디호 2호기의 경우는 동체 reference line에 대해 주익 +0.8도(익근) ~ -2도(익단), 커나드 +5도, 트러스트 0도 입니다.
익단을 0도로 본다면 익근 +2.8도, 커나드 +7도, 트러스트 -2도 가 됩니다.

주익의 워시아웃이 무려 2.8도나 됩니다.
이는 여객기와 비슷한 형태로 승객을 태우고도 넉넉한 양력을 얻기위함과 매우 위험한 익단 실속을 방지하기 위해서 입니다.
익단 실속은 곧 스핀으로 연결되기 쉬워서 그만큼 실속에서의 탈출이 지연이 됩니다.

커나드의 붙임각은 주익(익근) 보다 4.2도, 주익(익단) 보다 7도가 많습니다.
주익보다 커나드가 먼저 실속하여 기수를 숙이도록 설계하여야 하기 때문입니다.

모형의 경우는 대개 넉넉한(심지어 과도한) 추력, 상승을 하지 않는 고속의 수평 비행의 필요성,
긴 시간 상승과 항속비행의 불필요 등의 이유로 실기보다 붙임각을 많이 줄여서 설계합니다.
그러나 실기와 같이 커나드의 붙임각은 주익 보다 커야만 합니다.

커나드의 짧은 모멘트암, 큰 면적과
커나드 붙임각의 부족, 지나친 붙임각 등은 비행실패의 주요 원인이 됩니다.

커나드 기체의 무게중심

- 일반적인 기체
익형이 대칭익이고 직선익일 경우에는 날개의 25% 지점이 양력중심이 됩니다.
그러나 테이퍼 후퇴익의 경우는 평균익현(평균익폭 이라고도 함. MAC:Mean
Aerodynamic Chord)를 먼저 구해야만 양력중심을 알수가 있죠.

무게중심을 구하려면 수평미익의 MAC를 구하고 수평미익의 양력중심을 구한다음
주익과 미익의 양력계수와 익면적을 이용하여 평형방정식을 만들어 풀면 기체전체의
중립점(Neutral Point)를 찾을수 있습니다.

수평미익에 의해 기체의 중립점은 날개의 양력중심(MAC의 25%지점)에서 뒤로 이동하여
일반적으로 MAC의 45% 부근에 위치하게 됩니다.
테일모멘트볼륨(테일면적x테일모멘트암)이 크면 더 뒤로 가고 테일볼륨이 적으면 더 적게 되고요.

무게중심은 다시 중립점에서 앞으로 보내 MAC의 15~25% 에 두게 됩니다. (패턴, 3D 기체는 25~35%)
이 차이(중립점과 무게중심간의 거리)를 정적여유(Static margin)이라하며 기체의 안정성에
매우 중요한 역할을 합니다.
중립점이 MAC의 45%이고 무게중심이 MAC의 20%라면 차이 25%가 Static Margin이 됩니다.

안정성을 중시하는 연습기, 스케일기등은 보통 20~25%의 Static Margin을 주며,
운동성을 중시하는 패턴기, 3D기체는 보통 10~15%의 Static Margin을 줍니다.

- 무미익기 (전익기, Flying wing)
재기와 같은 전익기의 경우는 날개의 뒷전에 살짝 들린부분이 수평미익에 해당합니다.
보통 S-캠버 익형이라고 부르는데 원래의 명칭은 reflex 익형이라고 합니다.
따라서 이 부분을 미익으로 환산하여 추정하여 계산해 보고, 다시 수차례 CG를 옮겨가면서
비행을 해 본 결과 MAC의 10~12% 위치에 CG 잡으면 됩니다.
물론 이 수치는 익형과 날개의 형태에 따라 달라질수 있습니다.

- 커나드 기체
커나드기체는 수평꼬리날개가 아닌 귀날개로 인해 중립접이 25%에서 45%로 뒤로 이동하는 것이 아니라
앞으로 이동하여 MAC의 5% 부근에 중림점이 오게 됩니다.
따라서 Static margin을 고려하여 CG는 MAC의 앞전을 벗어나 -15% 지점에 와야하는 상황이 됩니다.
이 수치는 하나의 예를 들은 것으로 물론 날개의 형상(Plan Form)과 귀날개의 형상과 위치에 따라 달라집니다.

커나드 기체의 비행
- 이륙
커나드 기체의 이륙은 수평꼬리날개가 있는 기체와는 많이 다릅니다.
넘치는 파워로 지나친 가속후의 이륙은 금물입니다. 갑자기 기수를 들며 루프를 해 버리는 경우를 좋종 보았죠.
커나드 기체는 적절한 이륙속도에서의 로테이션이 매우 중요합니다.
대개 엘리베이터를 당기지 않아도 적정이륙속도가 되면 자연스럽게 기수를 들면서 이륙이 되기도 합니다.
이때 엘리베이터를 살며시 당기면서 상승하면 됩니다.
또한 갑작스러운 이륙을 방지하기 위해서라도 고른 활주로가 꼭 필요합니다.

- 실속
푸셔형 커나드 기체의 큰 단점은 실속시에 엔진을 가속하여도 프롭후류가 조종면에 닿지 않아
조종이 거의 안된다는 점입니다.
자연스럽게 기수를 숙여 기속을 늘린 이후에 실속에서 탈출하여야만 합니다.
역시 항상 실속이 되지 않도록 자세와 속도 유지에 주의를 해야겠고요.

반디호의 모형화
반디호는 이미 45cc 가솔린 엔진을 장착하여 1호기, 2호기의 축소모형 비행실험을 마치었고
실기의 비행성 또한 충분히 검증된 기체입니다.
모든것을 알아서 잘 설계한 기체이므로 그냥 그대로 축소시켜 제작하면 될겁니다.
무게중심 설정을 주의해서 잘 하고, 모형의 특성상, 붙임각 수정이 필요한 것과 적절한 추력선정 외에는
특별히 어려울것이 없다는 생각입니다.
다만, 아크로기가 아니기 때문에 비행에 있어서도 실기에 준하는 방식으로만 하면 안전하게
비행할수 있다고 생각합니다.

[권순일]

안녕하세요... 자세한 설명 정말 많은 도움이 되었습니다. 혹시 아실런지 모르겠지만 작년 비행전투시뮬게임속의 커나드 복엽기를 제작한적이 있었습니다. 위의 설명하신 내용대로 대체적으로 설계가 잘된 기체라고 하시던데.. 실제 비행은 실폐하였습니다. 제대로 된 비행장도 없어서 진짜 비행이 불가 했는지는 알수 없고, 넓은 활주로에서 다시 비행시도를 해봐야 하지만 비행장에 나가는것도 만만하지는 않더군요.. 반디호의 cad 설계도면을 화일로 구할수 있을런지 문의드립니다. ^^

[snaproll 이종헌]

원본화일을 공개하기는 어렵습니다. 제가 저작권을 가지고 있는것은 아니라서... 신영중공업에서 간단한 삼면도는 구할수 있습니다. http://www.syhico.com/Shin_Business/business_aero_small.asp http://www.syhico.com/Shin_Business/0302_%B9%DD%B5%F0%C8%A3%BC%D2%B0%B3.pdf

[권순일]

자료 감사합니다. ^^