비행이론

대기의 특성

• 대기의 분포

- 대기는 지구를 감싸고 있고 지표면 주위에 머물고 있는 공기임

- 대기는 질소 78%, 산소 21%, 기타 1%로 구성됨

- 대기에 포함된 산소의 대부분은 지표면으로부터 35,000ft 정도까지 존재함

• 대기의 성질

- 점성 : 유체가 흐르지 않으려고 하는, 즉 이동하지 않으려는 성질

- 마찰 : 표면 위로 물체가 움직일 때 겪게 되는 저항으로 두 물체 사이의 접촉된 부분에서 존재함

- 항력 : 공기의 마찰과 점성에 의해 날개 위의 공기흐름을 방해하면서 발생되는 힘

- 압력 : 물체의 표면에 수직 방향으로 작용하는 힘

- 대기압 : 공기가 물체에 끼치는 압력을 뜻하며, 이는 고도가 높아질수록 낮아지게되는데 18,000ft에서의 대기압은 1/2로 낮아짐

기초 물리법칙

• 보일의 법칙(압력-부피 관계)

- 온도가 일정할 때 기체에 가해지는 압력이 커지면 기체의 부피는 감소하고, 압력이 작아지면 기체의 부피는 증가 함

- 보일의 법칙 : 일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피(V)는 압력(P)에 반비례 함

PV=c(c：비례 상수)

• 샤를의 법칙(온도-부피 관계)

- 압력이 일정할 때 기체에 가해지는 온도가 높아지면 기체의 부피는 증가하고, 온도가 내려가면 기체의 부피는 감소 함

- 샤를의 법칙 : 일정한 압력에서 일정량의 기체의 부피(V)는 온도(t)에 비례 함

• 공기밀도

① 공기의 밀도는 항공기 성능에 상당한 영향을 미치며, 밀도가 낮아짐에 따라

- 항공기 엔진 출력 감소

- 항공기 추력 감소

- 항공기 양력 감소 현상이 발생됨

② 밀도에 대한 압력의 영향

- 온도가 일정할 때 공기가 압축되면 일정한 공간에 포함되는 기체의 밀도는 증가 함

- 압력이 감소하면 공기는 팽창하여 일정한 공간에 포함되는 기체의 밀도는 감소 됨

- 따라서, 공기밀도는 압력에 비례 함

③ 밀도에 대한 온도의 영향

- 압력이 일정할 때 온도가 상승하게 되면 공기가 팽창하게 되어 일정한 공간에 포함되는 기체의 양은 줄어들게 됨

- 따라서, 공기밀도는 온도에 (반비례) 함

④ 밀도에 대한 고도의 영향

- 고도가 증가함에 따라 기온과 기압은 같이 감소하여 밀도에 상반되는 영향을 미치게 됨

- 그러나 온도 감소에 따른 공기밀도 변화보다는 압력이 감소됨에 따라 밀도가 변하는 증상이 더 현저하게 나타남

- 따라서, 공기밀도는 고도와 반비례 함

⑤ 밀도에 대한 습도/수분의 영향

- 대기상태는 공기보다 가벼운 수증기가 포함되어 있으며, 공기보다 가벼운 수증기는 공기분자를 대체함

- 습한 공기는 건조한 공기에 비하여 단위 체적당 공기의 양이 적어서 밀도가 낮아짐

- 따라서, 공기밀도는 습도와 반비례 함

• 뉴턴의 법칙

① 제1법칙 : 관성의 법칙

- 물체의 질량 중심은 외부 힘이 작용하지 않는 한 현재 상태를 유지하려는 법칙

② 제2법칙 : 가속도의 법칙

- 물체에 어떤 힘을 가하면 그 물체는 힘의 방향으로 가속도가 생기는 성질

- 헬리콥터 제자리 비행에서 전진비행을 계속하면 속도가 증가하여 이륙하게 됨

③ 제3법칙 : 작용과 반작용의 법칙

- 물체 A가 다른 물체 B에 힘을 가하면, 물체 B는 물체 A에 크기는 같고 방향은 반대인 힘이 동시에 가해짐

- 프로펠러가 회전하게 되면 기체는 회전 방향에 반대로 회전하려는 힘이 발생함

• 베르누이의 원리

- 유체가 규칙적으로 흐르는 것에 대한 속력, 압력의 관계에 대한 법칙

- 유체의 속력이 증가하면 압력이 낮아지고, 반대로 감소하면 압력이 높아지는 현상

- 유체의 전체 압력(Pt)은 정압(P)과 동압(q)의 합으로 나타내며 항상 일정함

- 정압(P)＋동압(q)＝전압(Pt)=일정

(ρ:밀도, V:속도)

- 정압 : 물체 표면에 수직으로 작용하는 단위 면적당 공기력

- 동압 : 유체 속도의 제곱에 비례하는 단위 면적당 공기력

비행원리

• 비행 중 항공기에 작용하는 4가지 힘

- 비행 중인 항공기에는 추력과 항력, 양력과 중력이 작용함

- 추력 : 항공기를 앞으로 전진시키는 힘

- 항력 : 항공기의 전진을 방해하는 힘으로 유도항력과 유해항력으로 구분

- 양력 : 항공기가 공중으로 뜰 수 있게하는 힘으로 기체 위쪽으로 작용

- 중력 : 항공기 아래쪽으로 작용하는 힘

• 에어포일(airfoil)

- 공기흐름으로 인하여 발생되는 공기의 속도와 압력 등을 이용하여 반작용을 얻도록 설계된 구조물

- 양력과 추력 발생에 사용되며, 비행기 날개, 프로펠러, 헬리콥터 블레이드에 활용

- 에어포일의 위면과 아래면으로 흐르는 공기의 속도차이로 발생하는 압력 차이로 인하여 에어포일의 위면에 양력을 발생시킴

- 양력은 날개면적과 공기밀도에 비례하며, 속도의 제곱에 비례함

L(양력), ρ(공기밀도),V(속도), CL(양력계수), S(날개면적)

• 에어포일 명칭

- 앞전 : 에어포일의 앞부분

- 뒷전 : 에어포일의 뒷부분

- 시위선 : 에어포일의 앞전과 뒷전을 연결하는 직선

- 두께 : 시위선과 수직한 윗면과 아랫면 간의 길이

- 평균 캠버선 : 두께의 이등분점을 이은 선

- 캠버 : 시위선에서 평균 캠버선까지의 수직길이

• 에어포일 분류

① 비대칭형 에어포일

- 윗면과 아랫면의 모양과 양력 발생 크기가 상이함

- 받음각의 변화에 따라 압력중심이 변화됨

② 대칭형 에어포일

- 윗면과 아랫면의 모양과 양력 발생 크기가 동일함

- 양력 발생 여부와 관계없이 압력중심이 일정함

- 저속항공기와 회전날개 블레이드에 적합함

• 날개 공력의 특성

① 받음각(AOA, Angle Of Attack)

- 받음각 : 항공기의 (시위선) 과 (상대풍)이 이루는 각도

- 압력 중심 : 공기의 합성력이 작용하는 점으로, 에어포일 주위에 작용하는 공기압력의 중심으로, 받음각이 커질수록 압력중심은 날개 앞전쪽으로 이동함

- 공력 중심 : 에어포일에서 받음각이 변하더라도 피칭모멘트 값이 변하지 않는 기준점

- 기류 박리 : 받음각이 특정 각도 이상이 되면 날개 윗면에서 발생되는 현상으로 기류가 날개표면에서 떨어져 나가고, 항력이 급격히 증가하여 실속을 유발함

② 취부각(붙임각, Angle of Incident)

- 로터의 회전면과 에어포일의 시위선이 이루는 각도

- 유도기류와 항공기 속도가 없는 상태에서는 취부각은 받음각과 동일함

- 로터의 페더링에 의한 취부각의 변화로 양력이 증가 또는 감소함

• 항력

- 공기를 통한 기체의 움직임에 저항하고 양력이 발생할 때 생성되는 힘

- 항력은 크게 유도 항력과 유해항력으로 분류함

① 유도항력

- 양력 발생 결과에 따라 발생하는 항력

- 받음각이 커짐에 따라 양력이 증가되고 이에 따라 유도항력도 증가됨

- 날개 끝 부근의 압력 차이로 공기의 흐름이 날개 밑면에서 윗면을 향하여 바깥쪽으로 흐름

- 날개 끝 공기에 회전속도를 주어 에어포일 뒤쪽에 와류를 형성

- 오른쪽 날개 끝에서 반시계방향으로 회전하고, 왼쪽 날개 끝에서는 시계방향으로 회전함

② 유해항력

- 공기가 항공기의 각 외부 부품에 부딪쳐 발생 하는 항력으로 형상항력, 간섭항력과 표면 마찰항력 등 3가지로 나뉨

- 형상항력 : 항공기 동체와 그 주위를 지나가는 공기의 흐름으로 인해 생겨나는 항력과 로터 블레이드가 회전할때 마찰성 저항으로부터 발생되는 항력

- 간섭항력 : 소용돌이, 난기류, 부드러운 흐름이 교차 되면서 발생되는 항력

- 표면 마찰항력 : 공기가 항공기 표면을 지나갈 때 발생하는 공기역학적 저항

③ 총항력

- 총항력은 유도항력과 유해항력을 모두 합한 것임

- 비행속도가 증가함에 따라 유해항력은 증가하며, 유도 항력은 감소함

- 총항력 곡선에서 가장 낮은 지점은 항력이 가장 적을 때의 속도를 나타내며, 이 지점이 양력대 항력 비율(양항비)가 가장 큰 지점(L/Dmax) 임

• 비행 형태별 힘의 크기

- 수평비행 : 양력 = 중력

- 상승비행 : 양력 > 중력

- 강하비행 : 양력 < 중력

- 가속도 비행 : 추력 > 항력

- 등속도 비행 : 추력 = 항력

- 감속도 비행 : 추력 < 항력

• 토크(Torque)

- 회전체에 매달려 있는 물체에서 반대 반향으로 회전하려는 힘

- 뉴턴의 제3법칙 작용/반작용에 해당하며 헬리콥터, 프로펠러 항공기 등 에서 발생됨

- 토크 상쇄를 위해 반토크(antitorque) 시스템을 적용함

- 단일로터 헬리콥터 : 꼬리날개 추진력에의한 반토크

- 멀티콥터 : 프로펠러간 반대방향 회전

• 항공기 운동축

- 항공기의 축은 무게중심을 기준으로하며, 가로축, 세로축, 수직축으로 구성됨

- 세로축 : 항공기 앞과 뒤를 연결한 축

- 가로축 : 날개 끝을 연결한 축

- 수직축 : 가로축/세로축과 수직으로 이루는 축

• 항공기 안전성

- 세로 안정성 : 항공기의 가로축을 중심으로 한 피칭(기수상하)운동 안전성

- 가로 안정성 : 항공기의 세로축을 중심으로 한 롤링(동체좌우)운동 안정성

- 방향 안정성 : 항공기의 수직축을 중심으로 한 요잉(기수좌우)운동 안정성

• 용어 비교

① 안정성(Stability)

- 기체가 외부의 영향으로 자세가 변경되었을 때 원래의 자세로 스스로 회복할 수 있는 특성

② 조종성(Controllability)

- 평형상태를 변화시키거나 원하는 평형상태를 맞출 수 있는 즉, 불균형 상태를 만들어 낼 수 있는 능력

- 안정성과 조종성은 서로 상반된 성질을 가지고 있음

③ 기동성(Maneuverability)

- 항공기가 조종사에게 순응하는 정도로 항공기 성능 한계와 관련된 특성

- 항공기 무게, 구조적 강도, 엔진의 출력에 영향

• 지면효과

- 유도기류 : 회전날개가 회전하면서 발생하는 하강 기류

- 기체가 지면 가까이에 있을 때 공기흐름의 방해로 인해 양력이 증가하는 현상

- 기체가 지면 가까이에 제자리비행을 할 때 로터에 의해 발생하는 하강풍이 지면에 부딪치면서 아래로 빠르게 분산하지 못하여 일련의 압축성 형태의 기류(유도기류)가 발생됨

- 유도기류의 속도는 지면에 가까이 있을 때 작아지며, 이로인해 유도항력이 감소하고 수직양력이 증가하게 됨

- 지면효과는 로터의 직경의 1.25배 높이까지 영향을 받음

• 유효전이양력

- 제자리비행에서 전진비행으로 전환하면서 증가되는 양력

- 제자리 비행 시의 와류구역으로 부터 벗어나면서 유도기류 감소로 받음각이 증가함

• 동력고착

- 낮은 전진속도와 수직 또는 수직에 가까운 강하시 발생하는 현상

- 회전익 항공기 로터의 하강풍속도보다 강하 속도가 빠를 경우 발생되며, 블레이드(프로펠러)에 와류가 발생되어 기체 조종성을 상실함

- 회복 조작 : 스로틀을 낮추고 전진속도를 증가시킴

항공기 성능

• 무게와 균형

① 무게중심(C.G, center of gravity)

- 항공기 세 개의 축이 균형을 이루는 점

- 항공기 무게중심의 위치는 비행안정성을 결정하는 매우 중요한 요소

- 멀티콥터의 무게중심 : 동체의 중앙 부분

- 무게중심 = 총모멘트(Total Moment) / 총무게(Total Weight)

② 무게중심이 전방에 있는 경우

- 이륙속도가 많아지고 이륙 거리 길어짐

- 상승성능감소

- 실속 속도 증가

- 항공기 기동성 감소

③ 무게중심이 후방에 있는 경우

- 안정성이 감소

- 상과한 비행조작

- 실속 속도 감소하나 실속 진입이 쉬우며 회복이 어려움

- 순항성능 향상

④ 용어

- 암(Arm) : 기준선(Datum line)으로부터 화물의 위치까지의 측정된 수평거리

- 자체무게(empty weight) : 항공기 기체의 무게

- 모멘트 : 기준선으로부터 길이와 무게를 곱한것

- 기준선(Datum) : 무게중심의 위치나 Arm의 위치를 측정하는 가상의 기준선

- 가용하중(Useful load) :최대 허용중량에서 기본무게를 뺀 것

• 추력 및 마력

- 필요추력 : 비 가속비행 시 항력에 대응되는 힘을 나타내며, 이 떄 추력은 항력의 크기와 같음

- 필요마력 : 항력과 균형을 이루기 위해서 요구(필요)되는 동력

- 이용마력 : 비행 중 추력으로서 이용될 수 있는 엔진 동력의 크기

- 잉여마력 = 이용마력 - 필요마력(잉여마력으로 가속/상승이 가능)

※ 1마력 : 1초 동안 75kg의 중량을 1m움직일 수 있는 일의 크기