항공역학(항력/원심력)

형상항력

형상항력은 형태 항력(form drag)과 표면마찰(skin friction)로 이 누어진다. 형태 항력은 구조의 표면으로부터 공기흐름이 분리되면서 발생하는 소용돌이에 의해서 발생하는 함령이다. 형태 항력의 크기는 상 대풍에 돌출되는 구조물의 모양과 크기에 따라 달라진다. 공기흐름 속에 평평한 판을 수직으로 두면 평평한 수직판들 통과한 공기는 많은 소용돌이를 일으키는데, 이는 항력이 크다는 것을 의미한다. 구 (공) 모양이나 유선형 형태는 소용돌이가 상대적으로 작게 일어나 항력이 작음을 알 수 있다. 표면마찰은 표면의 거친 정도에 따라 발생한다. 예를 들어 거친 표면을 따라 흐르는 얇은 공기층은 거친 표면에 들러붙어 미세 한 소용돌이를 일으키면서 항력을 유발한다. 

유도항력

유도항력(Induced Drag) : 유도항력은 양력 발생 결과에 따라 발생하는 항력이다. 이는 로터 블레이드가 양력을 발생시킬 때 블레이드 끝부분에서 일어나는 소용돌이로 인해 발생한다. 블레이드가 공기 중을 통과하면 블레이드 아랫부분은 압력(정압)이 높고, 윗부분은 압력(정압)이 상대적으로 낮게 발생 되는데, 이러한 압력 차이로 블레이드 끝단(tip)을 몬 과하는 공기는 아래에서 위로 흐르게 되며, 이러한 흐름은 앞(leading edge)에서 뒷전(trailing edge)으로 블레이드 표면을 따라 흐르는 기류와 만나면서 나선형의 소용돌이(vortex)를 일으킨다. 이러한 소용돌이는 커질수록 블레이드를 따라 흐르는 공기를 아래로 당기게 되는데. 이에 따라, 블레이드를 통과하는 기류는 약간 아래쪽으로 기울어지고 상 대풍에 수직으로 발생하는 양력도 뒤쪽으로 기울어지게 된다. 이때 뒤쪽으로 기울게 하는 수평성분이 유도항력이다. 

유도항력은 받음각이 증가하면, 공기의 압력 차이가 벌어져 소용될 이가 커지게 되고, 이에 따른 유도항력도 커진다. 일반적으로 블레이드의 받음각은 전진 속도가 크면 작고, 전진 속도가 작은 면 크기 때문에 유도항력은 항공기 전진 속도가 증가하진 감소하고, 속도가 감소하면 증가한다. 따라서 유도항력은 저속에서 항력의 주요 원인이 된다. 

총 항력

총 항력(Total Drag) : 회전익 항공기의 총 합력은 유해항력과 형상항력, 유도항력 3가지 항력을 모두 합한 값이다. 항공기 속도 즉, 전진 속도가 증가하면 유해항력은 증가하고 유도항력은 감소한다. 형상항력은 속도가 높아지면 약간 증가하나 전체 속도영역에서 상대적으로 일정하다. 세 가지 합력을 전진속도와 비교하여 나타낸 것이고, 모든 항력을 합한 총 항력은 총 항력 곡선에서 가장 아래 지점(최저점)이 최소항력에 대한 항공기 속도를 나타낸다. 이 최소항력 지점에서 양력과 항력의 비율인, 양항비(lift-to-drag ratio)가 가장 크다. 이는 항공기의 총 양력과 총 항력과의 관계를 비교할 때, 이 속도에서 항공기의 총 양력 발생이 가장 양호한 것을 의미하며, 회전익 항공기의 성능 판 단시 중요한 고려 요소이다. 

원심력 : 원심력은 원운동을 하는 물체에 나타나는 관성력으로 구심력과 크기가 같고 방향은 반대이며, 원의 중심에서 멀어지려는 방향으로 작용한다. 회전익 항공기의 로터 블레이드가 회전하면, 블레이드에는 회전축 중심인 마스트 또는 로터 허브로부터 바깥쪽으로 나가려 는 원심력이 작용한다. 회전익 항공기의 경우 정지되어있는 메인 로터는 자체 무게를 이기지 못해 아래로 처져 있다. 대형 항공기일수록 블레이드의 긴 길이와 무거운 무게 때문에 아래로 처진 정도가 심하다. 이러한 항공기의 로터 블레이드가 회전을 시작하면, 아래로 처져 있던 블레이드는 원심력에 의해 수평이 된다. 이러한 원심력은 블레이드의 회전이 빠르면 빠를수록 증가한다. 

원추 현상

원추 현상(Coning) : 회전익 항공 기의 로터 블레이드가 불임 각이 없는 상태에서 회전하면 블레이드 끝단(tip) 경로면은 지면과 수평을 이룬다. 그러나 블레이드 붙임 각을 증가시키면 원심력과 양력이 증가하여 원 추락을 형상하는데, 이를 원추 현상이라고 한다. 로터 블레이드에서 발생하는 원추 현상을 벡터로 나타낸 것이다. 회전하는 블레이드에는 수평 방향의 원심력과 수직 방향의 양력이 발생하는데, 이 합력이 블레이드의 원추 각을 형성한다. 이러한 원추 각은 로터를 아래로 잡아당기는 항공기의 총무게만큼 위로 작용한다. 

회전익 항공기는 무리가 가지 않는 범위 내에서의 원추 현상을 피할 수 없지만, 여러 가지 원인에 의한 과도한 원추현상은 상대적으로 회전면이 감소하기 때문에 양력 발생을 저해하는 요인이 되고, 로터에 구조적인 문제가 될 수 있는 응력(Stress)을 발생시킨다. 과도한 원추 현상의 원인은 다음과 같다.

1. 로터 블레이드 분당 회전수(RPM)가 감소 될 때

2. 항공기의 총무게를 초과하여 운용하는 경우

3. 과도한 하중계수를 초래하는 급강하, 급선회 등

예를 들어 로터 RPM이 감소하면 블레이드에서 발생하는 양력과 원심력이 감소하고, 이는 로터를 아래로 당기는 총무게는 상대적으로 증가 되는 결과를 초래하여 과도한 원추 현상이 발생한다. 또한 항공기의 무게가 증가하면 로터를 아래로 잡아당기는 힘이 증대되어 원추 현상은 커진다. 급선회 등으로 하중계수가 증가하는 경우에도 로터에 작용하는 하중이 증대되어 원추 현상은 커진다. 

* 하중계수(Load Factor) : 회전익에 걸리는 실제 하중을 항공기의 총중량으로 나눈 값 / G로 나타내며 수평 상태에 있을 때 1G가 되고 경사각이 증가함에 따라 하중계수는 증가함