[항공역학] 날개의 종류 및 역할

비행기의 구성요소 중 가장 중요한 것 하나를 선택하라면 날개라 말 할 수 있다. 비행기는 공기의 흐름을 통해 양력을 발생시키고 엔진을 통해 동력을 발생시켜 하늘에 떠 있을 수 있는데 날개가 없으면 이는 불가능하기 때문이다. 비행기에 사용되는 날개의 종류 및 역할에 대해 알아보기 전 날개를 통해 일반적으로 양력이 어떻게 발생하는지 그 원리에 대해 간단하게 알아보도록 한다.

 

양력이란 무엇인가? 양력은 고체(날개)와 유체(공기) 사이에 흐름이 있을 때 그 움직임에 수직으로 작용하는 힘이다. 이런 힘이 발생하는 원리를 알기 위해선 2가지 정의를 알아야 한다. 첫 번째는 베르누이의 원리 그리고 두 번째는 뉴턴의 제3 운동 법칙이다.

 

베르누이의 원리란 공기의 속도와 기압은 반비례한다는 이론이다. 비행기 날개는 하기 이미지와 같이 상부가 굴곡져 있고 아래쪽은 평평하다. 그러므로 날개가 공기를 가로지를 때 공기가 이동하는 거리는 아래쪽보다 위쪽이 더 길기 때문에 이동하는 속도가 더 빠르다. 이동하는 속도가 날개 아래쪽보다 날개 위쪽이 상대적으로 빠르기 때문에 기압 또한 상대적으로 낮다. 기압은 고기압에서 저기압으로 이동하려는 성질이 있기에 아래에서 (상대적 고기압) 위쪽(상대적 저기압)으로 이동하려는 힘이 생기며 이것을 양력이라 부른다. GA(General Aviation)에서 사용하는 비행기는 엔진 동력이 엄청나게 세지 않기에 최소한의 동력으로 최대 양력을 발생시키는 것이 목적이다. 하지만 전투기의 날개를 보자. 전투기의 날개는 얇고 굴곡이 많이 없다. 이는 기동성이 뛰어나야 하기 때문인데 뒤집힌 상태로 비행을 할 수도 있어야 하고 옆으로도 비행을 할 수 있어야 하기에 만약 굴곡이 위쪽에만 있다면 베르누이의 원리로 인해 원하는 기동성을 갖지 못할 것이다. 결국 엄청난 엔진의 동력이 있기에 따로 양력을 추가로 만들 날개의 굴곡이 필요하지 않은 것이다. 

 

뉴턴의 제3 운동의 법칙은 더 간단하다. 모든 작용에는 반작용이 있기에 날개의 아랫면과 부딪히는 공기의 작용은 비행기를 반대 방향인 위로 올리려는 반작용을 초래한다. 속도가 빠르고 비행기의 아래 면을 강타하는 공기 분자가 더 많을수록 나타나는 반작용의 크기는 더 커지는 것이다. 

날개 단면

양력의 기본 이론에 대해 알아봤으니 대중적으로 볼 수 있는 날개의 종류 및 역할에 대해 알아보도록 하겠다. 

 

첫 번째는 Tapered Wing 날개이다. 해당 날개는 직사각형 날개에서 끝으로 갈수록 점점 더 좁아지는 양상을 띤다. 이러한 디자인을 한 이유는 더 적은 재료와 부피로 큰 차이 없는 양항비를 지니기 때문이다. 양항비란 양력과 항력의 비율로 날개의 효율성이라 생각하면 된다.

 

두 번째는 DIhedral wing 날개이다. 해당 날개는 우리가 타는 민항공기에서 볼 수 있는데 날개 뿌리에서 끝으로 갈수록 날개가 위로 휘어져 있는 디자인이다. 비용도 많이 들고 디자인도 어려워 보이는 해당 날개 형태는 왜 존재할까? Dihedral 날개를 가진 비행기는 lateral stability, 즉 가로 안전성이 뛰어나기 때문이다. 오른쪽으로 비행기가 기운다고 생각해보자. 오른쪽 날개는 왼쪽 날개보다 아래쪽으로 갈 것이다. 위쪽으로 기운 날개 때문에 오른쪽 날개는 왼쪽 날개보다 더 많은 양력이 발생하고 더 큰 양력이 오른쪽 날개에서 발생하기 때문에 비행기는 다시 왼쪽으로 돌아가려 할 것이다. 안전성이라는 장점이 있지만 동시에 기동성이 떨어진다는 단점을 가지고 있기에 전투기 같은 비행기에는 dihedral wing을 사용하지 않는다.

 

세 번째는 Swpet back wing 날개이다. 이 날개 또한 민항공기에서 볼 수 있는 유형인데 뒤로 젖혀진 날개를 의미한다. 비행기에는 4가지 힘이 작용한다. 양력, 항력, 중력, 추력. 그중 항력은 추력과 반대되는 힘으로 여러 가지 종류가 있는데 이 중 유해항력은 비행기 중 한 부분이 음속을 초과하면 급격히 증가한다. 그래서 민항공기는 음속 이상으로 비행하기가 매우 어렵다. 하지만 여기서 주의해야 하는 점은 음속으로 비행하는 것이 꼭 비행기의 속도가 음속이라는 뜻은 아니다. 앞서 말했듯이 공기는 날개 위에서 더 빨리 흐르기 떄문에 비행기 위에 흐르는 공기 속도가 음속을 통과할 때의 비행기 속도가 최대 속도라 할 수 있다. 여기서 Swept back 날개의 역할은 날개 위로 흐르는 공기의 속도를 늦추어주는 것이다. 그러면 날개 위의 공기가 음속에 도달할 때 swept back 날개가 아닌 비행기보다 더욱 빠른 속도로 비행할 수 있는 것이다. 자세한 항공역학적 부분은 다음에 설명하도록 하겠다.

 

그 외에도 Delta wing, elliptical wing 등 다양한 날개가 존재하지만 위 3가지가 가장 흔히 사용되는 그리고 알려진 비행기 날개라 할 수 있겠다. Delta wing 같은 경우 전투기에 많이 사용되며 양항비는 매우 낮지만 기동성은 뛰어나다. 그래서 어떤 delta wing의 경우 날개의 각도 조절이 가능해 이륙 상태에서는 날개를 벌려 양력을 극대화하고 어느 정도 속도가 붙고 양력이 생기면 날개를 젖혀 기동성을 극대화하는 것이다. Elliptical wing의 경우 양항비가 매우 뛰어나고 세계 2차 대전에도 많이 사용되었던 날개이지만 정형화된 모양이 아니기에 만드는데 수작업이 많이 필요하며 수작업이 많이 필요하다는 것은 시간이 오래 걸리고 비용도 비싸다는 의미이다. 이러한 까닭에 대중적으로 쓰이진 않고 있다. 오늘날까지도 여전히 항공업계 및 종사자는 더욱 효율적인 날개를 개발하기 위해 노력하고 있다.