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✈ 비행과 공부/비행이론

(Cessna172S ✈) Principles of Flight - Drag

by 하고싶은게비행 2020. 4. 28.

안녕하세요.

하고싶은게 비행✈ 인 사람입니다. 

 

 

 

오늘 포스팅 할 내용은

저번 포스팅에 이어

Drag 에 대해서 이야기 하려고 합니다. 

 

비행기에는 기본적으로 4가지 힘이 있습니다.

뜨려고 하는 Lift

비행기의 무게, 가라 앉으려고 하는 Weight

앞으로 나아 가려고 하는 Thrust

그리고 뒤로 당기는 힘 Drag

 

다들 간단하게 생각하면 한없이 간단한 것들입니다. 

 

Lift 는 정말 그냥 뜨려고 하는 힘, Weight 는 비행기의 무게, 무게가 있으면 가라 앉으니깐 있는거고

앞에서 Propeller 가 돌아가니깐 앞으로 가는 힘이 있고, 

그리고 모든 것들에는 저항이 있으니깐 Drag 라는 것도 있겠지? 

라고 하는데

Drag 는 사실 조금 애매하다는 생각이 들지 않으신가요? 

 

항상 말로하면 간단하지만 

조금만 들어가면 까탈스러운게

항공역학 입니다. 

 

대단한 수준으로 이야기 할 것이 아니니깐

마음편히 Drag 에 대해서 한 번 알아보도록 하죠

 


1. 정의

Drag. (> PHAK G-10)

 The net aerodynamic force parallel to the relative
wind, usually the sum of two components: induced drag
and parasite drag.

 

저번에 이야기 했던 Relative wind 가 나왔습니다. 

Relative wind 는 Flight path 에 반대되는 방향으로 있는 바람이고

그리고 Drag 는 그 Relative wind와 평행한 총 공기력 이라고 이야기 하고

거기에는

Induced drag 와 Parasite drag 가 있다고 하네요. 

 

 

Net aerodynamic force... 왜 이 말이 나왔을까요? 

 

혹시 Vector 를 그리실 줄 아나요? 

 

항공역학을 할 때 

힘을 쪼개어 볼 수 있으면 정말로 간단합니다. 

 

쉽고 간단하게

사진 하나를 보시죠. 

저기 초록색 화살표가 Lift 입니다. Total Lift 라고 이야기 하죠. 

그냥 비행기가 만들어내는 Lift 를 이야기 합니다. 

그리고 그게 살짝 뒤로 가 있네요. 

Lift 를 뒤로 그리고 위로 만들어 내고 있습니다. 

 

그러니 여기서의 Drag 는 비행기 자체의 저항과

Lift 를 위로와 옆으로로 쪼갰을 때 

옆으로 가는 Lift 의 합을

Drag라고 말할 수 있습니다. 

 

그리고 앞으로 가려는 Thrust 를 방해하는 힘이기도 하죠. 

 

 

2. Drag 의 두 종류

Drag 에는 두 종류의 Drag 가 있습니다.

1. Parasite drag

2. Induced drag

 

먼저 Parasite drag 부터 보죠. 

 

 

1) Parasite Drag

Parasite ... 혹시 무슨 뜻인지 아시나요? 

이번 영화의 성공으로 많이 들은 단어가 되었을 수도 있겠다는 생각입니다. 

기생충 입니다. 

기생하는 Drag 라는 말이죠. 

아무짝에 쓸모없다는 소리입니다. 

 

그리고 이 기생충에는 세 가지의 기생충이 있습니다. 

i) Form drag

ii) Skin friction

iii) Interference drag

 

이렇게 세 가지가 말이죠. 

i) Form drag

는 기체의 모양이 만들어내는 drag 입니다. 

예를 들면... 

 

두 자동차중 어떤 자동차가 저항을 덜 받을까요?

라는 것입니다

 

Form 에 따라 공기의 저항이 달라진다

ii) Skin Friction drag

비행기 면을 아무리 매끈하게 한다고 해도

microscopic level 에서는 꺼칠꺼칠 할 수 밖에 없습니다. 

그 꺼칠한 표면이 저항을 만들어 내죠. 

 

iii) Interference drag

두 개의 면이 만나는 곳에선 공기회오리가 생기고 이것이 저항을 만들어 냅니다. 

이런 Parasite drag 는 속도가 빨라 질수록

압력차이가 커지기 는 이유로

더 커지게 됩니다. 

 

 

 

 

2) Induced Drag

Indeced : 유도의, 초래된, 유도에 의하여 생산된

이라는 말입니다. 

Lift와 함께 생성된 Drag를 말하며

앞에서 이야기 했던

뒤를 향하는 Lift 가 바로 이 Induced drag 입니다. 

 

이런 Induced Drag 는 언제 커지게 될까요? 

속도가 낮을 때입니다. 

 

 

고도를 유지하기 위해서는 Lift 를 갖게 만들어야 합니다. 

만약 속도를 낮추게 되면 CL (AOA) 를 변화시켜야만 하지요.

AOA 을 크게 만들어 주는 것입니다. 

AOA 은 Relative wind 와 Chord line 의 각도고

AOA 를 크게 해준다는 말은 비행기가 더 뒤로 눕는다는 말이지요. 

그러면?

뒤를 향하는 양력은 더 커지게 되고

Drag 는 더 커지게 됩니다. 

 


중간정리를 하자면

Prasite drag 는 기생충으로 고속으로 갈 수록 커진다

Induced drag 는 Lift 가 생성됨에 따라 만들어 지는 것으로 저속일수록 커진다

 

그래프는 이렇게 그려지게 됩니다. 

그리고 저기 Total Drag 가 가장 낮은 곳이 Lift/Drag Max 지점이라고 이야기 하는

Gliding speed 가 됩니다. 

 

그리고 비행을 하면 초반에 아주 많이 듣게 되는

 

Pitch for airspeed, Power for altitude (Glide slope)

라고 이야기 하는 지점이

저 L/D max 지점의 좌측 입니다. 

L/D max 의 우측으로는

Pitch for altitude, Power for airspeed 

라고 이야기 합니다. 

 

이것은 Excessive power 와 thrust 를 이야기 해야 하는데

그것은 다음에 기회가 되면 이야기 하도록 하죠. 

 

3. Aspect Ratio 

윙을 위에서 봤을 때 세로로 길이와 가로로 길이의 비를 말합니다.

(the ratio of a wing's length to its chord)

 

Aspect Ratio 가 낮은 비행기는 Induced Drad 가 비교적으로 크며

큰 비행기는 Parasite Drag 가 상대적으로 큽니다.

그 말은

낮은 비행기는 Parasite drag 가 작아 고속비행에 좋고

큰 비행기는 Induced drag 가 작아 저속비행에서 좋다고 이야기 할 수 있습니다.

 

낮은 비행기로의 예는 F-16

 

큰 비행기로의 예는 Glider  입니다

일단 Aspect ratio 가 크게 되면

Wing tip 이 얍실해져서 Wingtip vortices 가 더 작게 되고

Induced drag 가 작아지게 됩니다. 

이렇게 Induced drag 가 작기 때문에 저속과 high AOA 에서 좋고

Climb 과 Take off 에 좋습니다. 

 

그런데 왜 우리는 이런 High aspect ratio 를 사용하지 않는 것일까요? 

일단 구조적으로 더 강해야 하며 그 말은 더 많은 돈이 들게 됩니다. 

 

그리고 긴 날개는 큰 관성모멘트를 가지고 있어 작은 Roll rate 를 만들어내게 됩니다. 

이 말은 Maneuverability 가 좋지 않은 것을 말하죠. 

 

그 왜에도 기름을 넣기에 좋지 않거나

접어지는 바퀴를 넣기에 좋지 않거나

공항 이용에도 제한이 있게 됩니다. 

 

 


정리하자면

- Drag 는 뒤로 끄는 힘을 말합니다

- Drag 에는 Induced Drag 와 Parasite Drag 가 있습니다.

- Induced Drag 는 Lift 와 함께 생성되는 것으로 저속에서 크며

- Parasite Drag 는 기생충으로 고속에서 큽니다

- Aspect Ratio 는 날개의 가로 세로 비를 말하며

- Aspect Ratio 클 경우 Induced Drag 가 작아 저속에 유리한 Glider 등에 사용되며

- Aspect Ratio 작은 경우 Parasite Drag 가 작아 고속에 유리하며 Fighter jet 등에 사용됩니다.

 

 

 

 

 

다음 포스팅은

Ground effect 와 Wingtip vortices 입니다. 

 

 

 

 

 

 

 

잘하고 계시고

좋은 결과 나올 거에요.

항상 열심히 하시는거 알고 있어요.

 

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