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날개
날개(翼,wing)는 양력을 이용하여 비행을 할 수 있도록 도와주는 부분이다.
목차
개요
20세기에 들어가면 비행기가 등장해, 비행기의 날개라는 개념이 태어남과 동시에, 유체역학 등의 새로운 학문 분야가 발전해, 날개라는 말도 새로운 정의를 얻게 되었다. 그 정의는 대개, 유체와의 상호작용에 의해서 효율적으로 양력을 얻을 수 있는 형상을 한 물체라는 것이다.
또 이 정의로부터, 이 말은, 비행기의 날개 이외에도 다양한 것을 가리킬 수 있다.
- 수중익선의 수중날개 등도 날개의 일종이다.
- 레이싱 카 등에 장착되는 윙은, 상하를 반대로 한 날개이며, 차체를 지면에 꽉 누르기 위해서 아래로 향한 양력(다운 포스) 을 발생시키는 것이다.
- 범의 한 형태인 세로 돛은, 수평 방향의 양력을 얻는 날개라 생각할 수 있다.
- 프로펠러나 로터 등의 회전날개도 날개의 일종이다. 산업용의 압축기나 풍력 터빈의 블레이드 등도 회전날개로서 이해할 수 있다.
형태
대체로 날개는 길고 앞뒤로 폭이 좁을수록 활공비행을 하기에 적합하다. 먼 거리를 날아야 하는 철새나 상승기류를 타고 장시간 체공해야 하는 알바트로스, 독수리 등은 대체로 날개가 긴 편. 이는 항공기의 경우도 마찬가지여서 장거리 비행을 해야 하는 여객기나 장시간 체공하는 글라이더도 매한가지다.
반면, 짧고 앞뒤로 폭이 넓은 날개는 비행효율 자체는 떨어지지만 날개 자체가 튼튼하므로 날개짓을 빠르게 할 수 있다. 실제로 빠른속도나 장거리비행 대신 민첩함을 택한 벌이나 벌새 등은, 짧지만 튼튼한 날개로 엄청나게 빠르게 날개짓을 하면서 자유자재로 방향을 바꾸거나 공중에 정지한 채로 비행하기도 한다. 항공기의 경우에는 날개 짓을 할 필요는 없지만, 전투기 같은 항공기들은 급기동을 할 때 날개에 엄청나게 많은 힘이 걸리기 때문에 날개를 튼튼하게 만들기 위해 용접 등을 사용하지 않고, 거대한 알루미늄 합금 덩어리를 절삭가공 후 열처리한다. 좌우폭은 좁고 앞뒤 폭은 넓게 만든다. 특히 초음속 비행시에는 이런 날개가 적합하다.
항공기 날개
항공기, 특히 부력이 아니고 동적 양력을 이용해 비행하는 중항공기에서, 날개는 엔진 이상으로 중요한 필수의 장비품이다(예를 들어, 글라이더에는 엔진이 없지만, 날개는 있다).
플랩은 날개의 후연부 안쪽에 보조익과 나란히 부착되어 있으며 항공기 날개의 양력발생과 깊은 관계가 있다. 항공기가 착륙하기 위해서는 최대한 낮은 속도에서 큰 양력이 필요하고, 이륙하기 위해서는 낮은 속도에서 큰 양력이 필요 하다. 이러한 필요에 따라 항공기 플랩이 고안되었다. 항공기가 낮은 속도에서 중량을 지탱하기 위해서는 속도가 적어진 만큼 양력의 증가가 필요하다. 양력발생은 상대풍에 의한 영각(angle of attack)이 증가해야 하므로 날개 전체의 영각 증가는 실속(stall)을 초래할 위험이 있기 때문에 플랩에 의해 날개의 형태를 변형시켜 속도의 증가 없이도 원하는 양력을 얻을 수 있다. 이륙시 플랩의 사용은 이륙 거리가 짧거나 이륙로 상의 장애물을 극복해야 될 조건하에서 사용되며, 착륙시는 점진적인 속도의 감속이 필요하기 때문에 특별한 기상 조건을 제외하고는 플랩을 사용하며 깊은각 접근을 가능하게 한다. 플랩은 여러 가지 형태가 있다.
고양력장치
양력의 크기는 비행 속도의 2제곱에 비례하기(양력 참조) 때문에 저속이 되지 않을 수 없는 이착륙시에는 비행 속도를 올리는 이외 방법으로 충분한 양력을 확보할 필요가 있다. 이 때문에 사용되는 플랩 등의 장치는 고양력장치라 불린다.
날개 종류
- 평익(직선익) : 가장 기초적인 날개다. 비행기가 처음 등장하던 옛날에 주로 사용된 것으로 공기 역학적인 구조로는 비효율적인 구조이다. 단순형태 날개로 생산이 쉽고 비행이 안정적이며 조종이 쉽다. 고속비행이 어렵고 무거운 중량을 들 수 없다. 경비행기용으로 쓰인다.
- 타원익 : 직선익과 특성이 유사한데 날개에서 발생되는 이상적 양력 분포에 맞춰 날개를 설계했기 때문에 직선익보다 더 양력효율이 높다. 평익에서 더 발전한 단계로 비행이 안정적이며 양력이 효율적으로 발생한다. 타원날개로 제작과 관리 유지가 어렵다. 고속으로 비행시 공기의 압력을 견뎌내는 구조역학적 구조가 그리 뛰어나지 않기 때문에 최근엔 사용하지 않는다.
- 테이퍼익 : 양력분포를 고려해 직선으로 날개를 제단하는 것이다.
- 후퇴익 : 현대 들어 여객기를 포함한 제트 수송기들이 주날개로 가장 많이 채용하는 형태. 후퇴익은 직선익에 비해 뒤로 기울어진 후퇴각만큼 긴 날개 길이를 가져 동일한 공기의 압력을 더 넓은 날개로 분산시켜 공기의 저향을 효과적으로 흘릴 수 있다. 고속비행에 좋고 수평유지 기능이 좋다. 이착륙 속도가 빨라야 하며 활주로의 길이가 길어야 한다. 현재 대부분의 제트엔진용 항공기, 고속 항공기에 사용된다.
- 전진익 : 날개끝에 발생하는 공기의 박리현상 즉 공기의 양력을 제대로 받을 수 없는 상태를 방지할수 있는 날개형 구조지만 구조를 견딜수 있는 소재가 별로 없다. 저속비행에 좋다. 기체가 불안전하여 조종이 쉽지 않다. 저속폭격기용으로 쓰인다.
- 델타익(삼각익) : 초음속 항공기의 공기 저항을 극소화 하기위해 등장한 날개로 후퇴날개와 동체 사이의 빈 공간에 날개를 붙여 넓어진 날개로 효과적인 양력을 얻을 수 있다. 초고속비행이 용이하고 무거운 중량을 견딜수 있다. 이착륙 길이가 길어야 한다. 전투기용으로 많이 사용한다.
- 경사익 : 날개 한쪽은 전진익, 한쪽은 후퇴익인 것을 말한다. 전진익기와 후퇴익기의 장점을 모두 얻기 위해 이렇게 만들었다고. 일종의 가변익기라 할 수 있다. 고속비행에 유리하다. 하지만 현시창. 스페이스십원을 설계하기도 한 버트 루탄이 1979년 미국 항공 우주국(NASA)와 함께 날개 교환이 가능한 비행기를 설계한 적이 있다. 그러나 경사진 날개로 인해 비행 자체가 어려웠고 조종사가 기수를 올리면 비행기도 한쪽으로 기울어져 결국 실패로 끝나고 말았다.
- 주익: 비행기에서 꼬리날개를 제외한 앞편의 양날개를 지칭하는 개념으로 좌익과 우익은 동체 윗부분이나 아래부분에 하나로 연결되어 있는 형태로 있을수도 있고 동체로 나뉘어진 형태로 있을수도 있다.
- 꼬리날개: 수직 꼬리날개와 수평 꼬리날개가 있다. 양력을 만들기는 만드는데 떠오르는 게 목적이 아니라 똑바로 비행하거나 혹은 비행방향을 바꾸는 목적으로 달아 놓은 것이다. 그래서 그런지 영어로는 horizontal stabilizer, vertical stabilizer라고 라고 전문 항공 용어로도 수직미익, 수평미익이라고 부른다.
- 카나드 : 항공기의 주날개 앞쪽에 붙는 작은 날개를 말한다. 순우리말로는 귀날개라 부르며 전방날개나 선미익(앞에 있는 꼬리날개)라고 부르기도 한다.
- 전익 : 몸 전체가 날개꼴인 형상을 말한다. 기본적으로 동체와 주익이 구분되지 않고 일체화 되어 있으며, 꼬리 날개 등의 부착물도 작거나 없는 항공기도 많다. 다만 이는 전익기의 필수적인 요소는 아니다. 수평, 수직 안정판 정도가 존재하는 경우는 의외로 흔하고 가동면을 포함한 경우도 있다.
- 가변익 : 상황에 따라서 상태를 바꿀 수 있는 날개를 가리킨다. SF에서는 날개 자체가 바뀌어버리지만, 현실의 가변익은 비행기의 속도에 맞춰서 비행기 날개의 각도, 특히 후퇴각을 바꾸는 것을 가리킨다.
- 단엽익 :
- 복엽익 : 날개가 위아래로 2쌍씩 달려있는 것을 말한다.
- 고정익 : 항공기의 동체에 고정된 날개를 말한다.
- 회전익 : 헬리콥터의 머리 위에 돌아가는 것을 프로펠러라고 하지만 전문용어로는 로터, 혹은 회전익(Rotary Wing)이라 한다
날개와 관련된 용어
- 전연 : 날개의 앞쪽 가장자리. 자주 영어의 Leading Edge로부터 LE로도 표기된다.
- 후연 : 날개의 뒷쪽 가장자리. 자주 영어의 Trailing Edge로부터 TE로도 표기된다.
- 익현선 : 코드 라인(chord line)이라고도 말한다. 전연과 후연을 묶은 직선이다. 이 부분의 길이는 익현장 혹은 코드장이라고 하여(단지 익현으로 길이에 임해서 말하기도 한다), 수식에서는 c나 l 등으로 표기된다.
- 익형 : 날개를 익현에 따라서 세로로 자른 단면. 에어 포일(airfoil/aerofoil), 날개 단면이라고도 한다. 흐름의 성질(속도·점성 등)에 따라 여러가지 모습이 존재해, 날개의 성능을 크게 특징짓는 중요한 요소.
- 중심선 : 날개의 표면과 아래쪽 면으로부터 동일한 거리에 있는 점을 전연으로부터 후연까지 연결한 선.
- 캠버 : 중심선의 휘어진 상태의 크기를 나타내는 것으로, 쉽게 말하면 중심선과 익현선의 차이를 나타낸다. 일반적으로 캠버라면 가장 차이가 큰 부분(최대 캠버)을 가리키는 것이 많아, 최대 캠버를 익현장으로 나누어 백분율(%)로 고쳐 표시한다. 최대 야영자의 위치는, 전연으로부터 익현장의 15-40% 전후가 많아, 또, 캠버가 있는 경우, 영각이 0도 상태에서도 양력을 발생한다. 또 캠버가 0인 익형을 대칭날개라고 한다.
- 익후 : 날개의 최대의 두께를 익후라고 하여, 최대익후를 익현장으로 나누어 백분율(%)로 고치고 나서, 최대익압비로서 표시한다. 최대익후의 위치는, 일반날개에 전연으로부터 익현장의 20% 전후가 많아, 고속기에 사용되고 있는 층류날개에서 40%까지 내려 항력을 줄이고 있다.
- 익폭 : 날개의 가로폭의 길이. 스팬(span), 윙 스팬이라고도 한다. 회전날개의 경우, 브레이드 한 장의 길이. 수식에서는 b로 표기되는 것이 많다.
- 익평면형 : 날개를 바로 위에서 보았을 때의 형태. 단지 평면형이라고도 한다. 테이퍼(테이퍼)이거나, 타원형이거나, 후퇴각이 붙어 있거나 한다. 이 형상이 날개의 특성을 크게 좌우한다.
- 날개 면적 : 날개 평면형의 면적. 투영 면적이라고도 한다. 날개를 평면에 투영했을 때의 최대 투영 면적을 날개 면적으로 한다. 동체와 겹치는 부분도 포함하고 생각한다. 수식에서는 S로 나타내지는 것이 많다.
- 가로세로비 : 일반적으로는 장방형의 세로와 가로길이의 비. 세장비 혹은 어스펙트 레시오라고도 한다. 날개의 경우, (익폭) sup2/sup÷날개 면적이라는 무차원수로 나타낸다. 예를 들면, 날다람쥐는 1~2, 보잉 747-400은 약 8, 폭 신천옹은 15 정도. 후술의 양항비에 크게 영향을 준다. 극히 대략적으로 말하면, 날개는 얇을수록 효율이 좋다. 예를 들면 장거리의 해상 비행이 요구되는 해조는, 일반적으로 육지의 새보다 얇은 날개를 가진다. 수식에서는 AR나 A 등으로 표기된다.
- 가는 초비 : 날개 중앙부의 익현장과 날개 단부의 익현장의 비율. 일반적으로 λ(Lambda)로 나타내진다.
- 영각 : AoA(Angle of Attack)라고도 한다. 익현선(코드 라인)과 흐름이 이루는 각도. 수식에서는 α(알파)로 표기되는 것이 많다. 양력의 크기는 대체로 영각에 비례해 증대한다. 비행기의 동체선과 익현선이 이루는 모퉁이인 부착각(angle of incidence), 진행 방향이 이루는 각도와는 반드시 일치하지 않는다.
- 상반각 : 수평면으로부터 기울기상에 쑥 내밀듯이 설치된 날개의 경우에, 수평면과 날개가 이루는 모퉁이. 간단하게 말하면, 날개가 만세하고 있는 각도. 비행의 안정성에 관련되는 요소로 간단하게 말하면, 상반각을 붙이면 뱅크를 되돌릴 방향으로 힘이 가한다. 즉, 외력에 의한 혼란에 대해서 자세를 바탕으로 되돌리는 복원력이 가한다. (다만 상반각을 너무 붙이면 , 복원력이 뱅크각을 넘어 버려, 결과적으로 기체를 반대에 넘어뜨리려는 힘이 가해, 오히려 불안정이 된다. 또, 방향 안정성이 약한 경우라면 더치 롤이라 불리는 사행 운동을 일으킨다. 그 경우, 상반각을 줄이거나 반대로 하반각을 부록, 또는 뒷날개의 재검토등의 설계 조사를 실시한다)
- 하반각 : 수평면으로부터 기울기하에 쑥 내밀듯이 장착된 날개의 경우에, 수평면과 날개가 이루는 모퉁이. 하반각을 붙이면 안정성이 낮아지기 때문에, 옛날에는 금기로 여겨졌지만, 주 날개에 큰 후퇴각이 있는 고속 제트기에서는 후퇴각에 의한 복원력이 너무 커서 하반각을 붙여 조정하는 경우가 있다. 특히 안정성보다 자재로 비행하는 것이 중요한 전투기는 하반각을 붙인 것이 있다.
- 레이놀즈 수 : 물체에서의 주위의 흐름의 끈기를 나타내는 무차원수. 유체의 점성·날개의 크기·흐름의 속도에 의해서 정해져, 날개의 성능에 크게 영향을 주는 매우 중요한 파라미터. 보통은 자리수 단위로 표현한다. 수식에서는 R나 Re로 표기되는 것이 많다.
- 양력 : 날개에 생기는 공기력 가운데, 흐름과 수직인 성분. 수식에서는 L로 표기되는 것이 많다.
- 항력 : 날개에 생기는 공기력 가운데, 흐름과 평행한 성분. 수식에서는 D로 표기되는 것이 많다.
- 양항비 : 양력÷항력(L/D) 혹은 양력 계수÷항력 계수(CsubL/sub/CsubD/sub)로 나타내지는 무차원수. 날개의 성능을 특징짓는 중요한 값. 간단하게 말하면, 양항비가 큰 날개는, 성능이 좋다고 말할 수 있다. 다만, 양력이나 항력은 속도나 영각등에 의해서 변화하기 때문에, 1개의 날개도 상태에 의해서 변화한다. 날개뿐만이 아니고, 항공기나 새 등 비상체 전체에서도 말하는 일이 있다.
- 익면하중 : 기체 중량을 날개 면적으로 나눈 값. 즉 날개(의 단위면적 근처)가 결려야 할 중량을 나타낸다.
- 실속 : 날개(특히 표면)로부터 흐름이 박리하는 현상. 스톨(stall)이라고도 한다. 실속 상태에 빠지면 항력이 증대해, 양항비가 작아져, 또 기류의 혼란에 의해서 안정성이 악화된다.
날개 이론
자가용 소형기와 같은 저아음속기의 날개는 일반적으로 이하와 같은 단면 형상(익형)을 하고 있다:
- 전연은 둥글고, 전연으로부터 1/3 정도의 곳에서 최대의 두께가 되어, 후연이 예리한 얇은 우적형상
- 단면의 상하 중간을 묶는 선이 원호상
이것을 닮은 익형을 가진 것이 날개로 불리거나 이러한 형상을 가리켜 편 날개모양 등이라 하는 것이 많다. 그렇지만, 현실에는 사용되는 흐름의 성질(속도·점성 등)에 의해서 단면 형상은 여러가지가 있다.
비행기 등의 고정익기는, 날개를 갖춘 기체 전체가 전진해, 날개에 바람을 받는 것으로 양력을 얻는다. 활공중의 새 등도 같다. 자세한 양력 발생의 원리, 양력과 항력의 관계등에 대해서는 양력이나 항력을 참조.
2차원날개와 3차원날개
- 2차원날개
균일한 익형 (어디를 잘라도 같은 단면형)으로, 익폭이 무한대의 날개를 생각해 이 날개에 대한 흐름을 논의하는 일이 있다. 이러한 날개를 2차원날개라고 부른다. 익형의 형상에만 주목해 그 특성만을 논의하고 싶을 때에 상정한다. 반드시 공상상의 날개라는 것이 아니고, 예를 들면, 풍동에 익형을 시험한다는 경우, 균일한 익형을 가진 날개의 모형을 풍동내의 전체 폭에 걸쳐서(벽에서 벽으로) 달아 중앙 부근에서는 익폭의 영향을 무시할 수 있어 2차원날개로 취급한다.
- 3차원날개
현실에 사용되는 날개는 길이가 유한하다. 익평면형이나 상하 방향의 변화(상반각) 등이 문제가 된다. 더욱 익폭방향으로 익형이 변화하는 것도 드물지 않다. 이와 같이 익형(날개 단면)이라는 2차원(평면) 이외의 요소도 고려할 때의 날개를 3차원날개라고 부른다.
- 회전날개
어느 축을 중심으로 회전하고 상대속도를 얻는 날개를 회전날개라고 한다. 양력을 발생하는 원리 그 자체는 고정날개과 다르지 않지만, 날개 자체가 회전하는 것으로 주위의 유체와의 상대속도를 얻을 수 있다(즉, 양력을 얻을 수 있다)는 점이 다르다.
일반적으로 회전날개로 불리는 것은, 회전축이 얇은 편 날개모양 물체의 일단에 있는 것으로, 헬리콥터의 로터·비행기나 선박의 프로펠러·단풍의 종자 등이 같은 것을 가리킨다. 이 경우, 회전축측과 첨단측에서 흐름의 속도에 차이가 성과 양력의 차이가 되기 위해, 양력차이의 경감을 목적으로, 비틀림을 붙이는·위치에 의해서 익형을 바꾼다는 대책이 채택해지는 것이 많다. 자세한 것은 프로펠러·로터·터빈을 참조.
한편, 이러한 원반면내 운동이 아니고 수차와 같은 회전을 하는 날개도 존재한다. 이러한 것은, 별로 회전날개라고 하지 않는다.
비행 원리
새는 주로 공기의 흐름을 아래로 바꿈으로써 얻는 양력을 이용해서 비행한다.
인류가 만든 날것인 항공기도 거의 같은데, 인류가 비행을 시도하면서 가장 눈여겨 본 것이 새이기도 하다.
헬리콥터는 잠자리에서 그 원리를 따왔다고 오해하는 경우도 있지만, 실제로 비행방식은 일반 비행기의 날개를 회전하도록 붙여 놓은 것에 가깝다. 이 때문에 이러한 류의 항공기를 회전익(Rotary wing) 항공기라고 부른다. 사실 초창기 연구되던 헬리콥터의 모양새는 지금 많이 쓰는 잠자리를 닮은, 뒤로 꼬리가 긴 형태도 아니었다. 이렇게 꼬리가 길어진 것도 잠자리와는 달리 회전날개를 써서 생기는 반동을 억제하려고 작은 로터를 하나 더 달려고 나온 형상. 헬리콥터의 경우 경우에는 보통 'wing'보다는 로터 블레이드라고 칭하는 게 일반적임을 참고.
곤충은 새와는 비행하는 원리가 상당히 다르다. 곤충의 비행원리는 일부러 날개로 공기저항을 윗 방향으로 만든다는 개념에 가까운데, 정확하게는 항공기나 자동차의 꽁무늬에서 생기는 소용돌이 흐름(와류)를 날개 윗면의 압력을 낮춰서 양력을 만드는 개념이다. 사실 곤충의 날개는 워낙에 작고 움직임이 빨라서 연구가 제대로 진행된 역사는 길지 않다. 특히 이렇게 작은 물체 주변의 공기흐름은 현재까지 인류가 주로 연구해온 항공기나 새 주변의 흐름과는 특성이 많이 다르다. 공돌이스럽게 표현하자면, 레이놀즈 수가 너무 작아서 점성에 의한 효과가 상당히 크다. 그래도 관련 연구가 활발히 진행되면서 모기나 파리를 모방한 초소형 비행로봇도 개발되고 있다.
참고자료
- 〈날개〉, 《나무위키》
- 〈날개〉, 《위키백과》
- 전북3D드론,〈날개 모양에 따른 비행기 종류〉, 《네이버 블로그》, 2017-01-12
- 〈비행기 구조〉, 《서해항공》
같이 보기
