항공우주공학개론 2 장비행원리 서울대학교기계항공공학부공력시뮬레이션 & 디자인연구실부교수김종암
비행원리 항공기에작용하는네가지힘 양력 항력 추력 중력 공기역학적힘 LIFT Aerodynamic force THRUST DRAG GRAVITY
비행원리 Aerodynamics? 비행기에작용하는공기역학적힘을연구하는유체역학의한분야 비행체설계및성능해석에있어서가장기초가됨 공기역학적힘의발생원리이해 공기흐름에관련된기본법칙소개 에어포일과날개에대한일반적인사항과간단한이론소개 비행속도에따라나타나는날개의공력특성소개 날개의공력성능향상및변화를위한방법소개 강의구성 에어포일과공기력의발생원리 날개에작용하는공기력 공기흐름의성질 ( 점성유동 )
비행원리 에어포일과공기력의발생원리
에어포일과공기력의발생원리 에어포일 (Airfoil) 비행기의날개를수직으로자른단면형상 항공기의날개 (wing), 보조익 (aileron), 승강타 (elevator), 방향타 (rudder) 와같은단면 (section) 을학술적으로정의하는데사용 형상은유선형 에어포일 공기중을운동하면서날개에큰양력과적은항력, 모멘트를발생시키는역할
에어포일과공기력의발생원리 에어포일의역사 1884 년, 영국인 Horatio F. Phillips 에의해에어포일형상에대한실험이수행됨 Phillips 가제작한 Flying Machines Phillips 가고안한에어포일형상 1902 년, 라이트형제는자체풍동실험을거쳐개선된에어포일을사용 라이트형제의풍동실험장비 라이트형제의비행실험
에어포일과공기력의발생원리 1930 년대, 미국의 NACA(National Advisory Committee for Aeronautics, 국립항공자문위원회 ) 에서에어포일의형상변수들을정의 이전까지사용된에어포일의형상은표준이없이개발자에따라여러형태로사용 비례적이고체계적인에어포일설계및실험수행 현재까지도이들의형상과실험결과들이사용되고있음 초기개발된에어포일 NACA 에어포일의종류
에어포일과공기력의발생원리 NACA 에어포일의명칭 4 자리계열예 ) NACA 2415 첫째자리 : 평균캠버선의최대캠버 ( 최대캠버가시위길이의 2%) 둘째자리 : 최대캠버의위치 ( 앞전에서부터시위길이의 40% ) 셋째, 넷째자리 : 최대두께 ( 에어포일의최대두께가시위길이의 15%) 5 자리계열예 ) NACA 23015 첫째자리 : 평균캠버선의최대캠버 ( 최대캠버가시위길이의 2%) 둘째, 셋째자리 : 최대캠버의위치를시위길이비의두배로나타냄 ( 앞전에서부터시위선의 15%(15 X 2 = 30) 위치에최대캠버가위치 ) 넷째, 다섯째자리 : 최대두께 ( 에어포일의최대두께가시위길이의 15%) 그외 1 자리, 6 자리계열이존재 NACA 4 자리계열에어포일외형구성식 y t ± = [0.296 x / c 0.126( x/ c) 0.3516( x/ c) c 0.2c + x c x c 3 4 0.2843( / ) 0.1015( / ) ] 2 x축 : 시위선 y축 : 시위선에수직방향 t: 최대두깨 c: 시위길이
에어포일과공기력의발생원리 Modern airfoil Supercritical airfoil (R.T. Whitcomb) Well-rounded L.E 사용으로 Clmax 극대화 윗면은편평하고 T.E 부근에서굽어져있는형상 초음속항공기보다천음속영역을비행하는항공기에유리 Supercritical airfoil General aviation airfoil Supercritical airfoil의저속영역에서의변형 양력계수를높이고항력계수를낮게함 Ex) LS(1)-0417 General aviation airfoil
에어포일과공기력의발생원리 에어포일의각부분의명칭 앞전 (leading edge) : 에어포일의둥근앞부분 뒷전 (trailing edge) : 에어포일의뒤끝부분 시위 (chord) : 앞전과뒷전을연결한선 시위길이 (chord length) : 앞전에서뒷전까지의거리 평균캠버선 (mean camber line) : 아래면과윗면의중심점또는윗면과아래면에내접하는원을그렸을때이원의중심점들을연결한선 캠버 (camber) : 시위선과평균캠버선과의높이차 최대두께 (maximum thickness) : 윗면과아래면의높이차이또는윗면과아래면에내접하는원을그렸을때이원의직경을에어포일의두께라고하는데, 이두께의최대값을의미
에어포일과공기력의발생원리 공기력의발생원리 날개가공기중을비행할때주위공기흐름에의하여힘과모멘트가발생 공기력은하나의점에작용하는것이아니라날개표면에분포하는압력에의해발생 양력 (lift) : 자유류의방향에대하여수직으로작용하는힘 항력 (drag): 자유류의방향에대하여수평으로작용하는힘 받음각 (angle of attack) : 공기흐름의속도방향과에어포일의시위선 (chord) 이이루는각 에어포일표면에작용하는힘의분포 에어포일에작용하는힘
에어포일과공기력의발생원리 양력과항력의발생원리 공기의압력에의한압력힘 + 공기의점성에의한마찰력 비점성 (inviscid) 유동 점성의영향을무시하여마찰이없다고가정한공기의흐름 비압축성 (incompressible) 유동 흐르고있는공기전체에서, 공기의밀도가변하지않고모두같은흐름
에어포일과공기력의발생원리 정상 (steady) 유동 유체가흐르고있는유동내의어떤한점을지나고있는유체의성질즉, 속도, 압력및밀도등이시간에따라변하지않는흐름 베르누이방정식 비점성및비압축성유동으로가정되는공기흐름에서, 단면적이다른관내의유체의흐름은항상전압 (total pressure) 즉, 정압 (static pressure) 과동압 (dynamic pressure) 의합이일정 속도가증가하면압력이감소하고, 속도가감소하면압력이증가한다 유관내흐름 PT = P + q = const q = 1 2 ρv 2 ( P: 전압, P: 정압, q: 동압 ) 1 2 1 2 P1+ ρ1v 1 = P2 + ρ2v2 = const 2 2 T
에어포일과공기력의발생원리 베르누이원리 에어포일의예 A : 두곡면주위를지나는공기의흐름은베르누이원리에따라목 ( 곡면 ) 부분에서속도가커지고압력이감소된다 B : 두곡면이그림 A 보다좀더멀어졌을때도 A 의경우와마찬가지로영향을받는다 C : 위곡면이무한한거리로멀어졌을때즉, 위곡면이없을때도아래곡면윗부분의압력은에어포일밑부분의압력보다낮다 에어포일윗면과아래면의압력차에의해, 압력이큰쪽에서작은쪽으로힘이발생양력
에어포일과공기력의발생원리 에어포일주위유동 유선 (streamline) : 어떤순간에유체입자들의속도벡터를접선방향으로갖는곡선, 물체주위의흐름의모양을나타내기위해사용 분리유선 (dividing streamline) : 날개의표면을이루는유선으로, 날개의앞전에서둘로나뉘어날개의위아래표면을이루고뒷전에서다시하나로만나하류로이어진다 정체점 (stagnation point) : 공기가에어포일에부딪혀속도가 0이되는점, 압력은최대 에어포일주위의공기의흐름 날개에서먼상류에서공기의속도와압력은날개의비행속도및대기압과같음에어포일앞전에다가올수록공기의속도는감소하고압력은증가정체점에서속도는 0 이고압력은전압과같아져최대가됨에어포일윗면은아랫면보다곡률이크므로윗면의속도는아랫면보다더크게되며압력은더낮아짐받음각이작을때는최대두께위치근처에서최대속도와최저압력뒷전에서떨어진공기는속도가증가하여자유흐름속도와압력으로복원
에어포일과공기력의발생원리 에어포일주위의압력분포 c p p p V = = 1/2ρV V 2 1 2 2 에어포일주위의압력분포 cp p V V : : : : p : 압력계수자유류압력자유류속도에어포일표면에서속도에어포일표면에서정압 c p < 0 : 부 (-) 압이작용하여보다압력이낮고공기의속도는보다빠름 c p p > 0 : 압력은보다높고공기의속도는보다느림 윗면과아래면의압력차를나타내는면적양력의크기 p V V
비행원리 날개에작용하는공기력
날개에작용하는공기력 날개에작용하는공기력 양력 : 자유류의방향에대하여수직으로작용하는힘 항력 : 자유류의방향에대하여수평으로작용하는힘 ( 형상항력 = 압력항력 + 마찰항력 ) 양력과항력 양력계수 : 실험에의해측정된양력을무차원화된계수로표현한것 항력계수 : 측정된항력을무차원화된계수로표현한것 C CL L L = 1/2 양력계수 2 ρ V S C D L 양력 D = 1/2 2 ρ V S CD 양력계수 D 항력 ρ 자유류의밀도 V 자유류의속도 S 날개의면적받음각에따른양력계수의변화양력계수에따른항력계수의변화
날개에작용하는공기력 받음각에따른양력의변화 유동의박리 (separation) 에의한양력감소 역압력구배에의한박리 (separation) 발생 -stall 유동이표면에밀착하여흐름 - attached flow
날개에작용하는공기력 흐름의박리 (separation) 및실속 (stall) 현상 날개의받음각이증가함에따라양력계수증가 날개위표면을따라흐르는공기층이점성마찰력에의해속도가저하되어관성력감소, 뒷전부분의높은압력을이기지못하고흐름의역류발생 흐름박리 받음각이증가할수록박리점이뒷전에서앞쪽으로이동하여후류에들어간면적이넓어지며특정받음각이상에서양력계수가감소하고항력계수가증가하는현상발생 실속 No separation 에어포일의실속과분리 Lift-angle of attack curve Upper surface separation
날개에작용하는공기력 레이놀즈수와양력및항력과의관계 레이놀즈수 : 유동의관성력과점성력의비를나타내는척도 ρ Vc Re = = 관성력 μ 점성력 Re 증가에따른항력계수의감소 Re 증가에따른최대양력계수증가 Re 증가
날개에작용하는공기력 압력중심과공력중심 압력중심 (center of pressure) : 에어포일표면에작용하는힘이한점에집중적으로작용한다고가상적으로가정할때이앞전으로부터작용점까지의거리 공력중심 (aerodynamic center) : 받음각이변하여도모멘트가변하지않는기준점. 아음속에어포일의경우약 C/4 에위치 무차원피칭모멘트계수 C M M = 1/2 2 ρ V S M 모멘트 S 날개의면적 ρ 자유류의밀도 V 자유류의속도 받음각이증가해도모멘트가변하지않음 압력중심의정의 공력중심의정의
날개에작용하는공기력 3차원날개와유도항력 Vortex : 어느한축을중심으로회전하는유동 Wingtip vortex : 양력을발생하기위한날개윗면과아랫면의압력차이가날개끝단에서 vortex를형성 Vortex flow 날개윗면과아랫면의압력차이에의한유동의방향변화 Wingtip vortex 의발생 Wingtip vortex 의형성
날개에작용하는공기력 3차원날개와유도항력 속박와류와말굽와류 속박와류 (Bound vortex) : 날개의윗면과아랫면의속도가다름 날개에도길이방향으로가상적인와류가있다고가정 속박와류 말굽와류 (Horseshoe vortex) : 속박와류 (Bound vortex) 와날개끝와류 (wingtip vortex) 를포함하여말굽와류로정의 속박와류와말굽와류 날개주변의유동장
날개에작용하는공기력 3 차원날개와유도항력 날개주위의유동 날개주위의유동장실제동영상 1. C-130, angel-decoy 형성, US navy 2. C-5A, wing vortex 실험, NASA 3. 747, wing vortex 실험, NASA
날개에작용하는공기력 3차원날개와유도항력 유도항력의정의 : 말굽와류에의해발생되는수직방향속도성분 (induced velocity) 에의해발생하는항력 2 CL CDi = CL 양력계수 AR 가로세로비 π AR 실제받음각의감소 양력의방향변화 유도항력의발생 Induced velocity 의발생 실제받음각의감소 양력의감소 Wingtip vortex 에의한유도항력의발생 Airfoil 과 Wing 의양력곡선비교
날개에작용하는공기력 비행기날개의종류 날개는양력을발생시켜비행기를공중에떠오르게함 이차원에어포일을단면으로하는유한한길이 공기압력의분포, 항력, 항공기용도, 천음속, 초음속효과및구조강도를고려하여다양한형태의날개가설계되어있음 비행기날개의모양 다양한날개의실제적용예
날개에작용하는공기력 날개의기하학적형태 기하학적변수 날개길이 (span) : 날개의끝에서다른끝까지의직선길이 b 날개끝시위길이 (tip chord length) : 날개의길이방향끝에서시위길이, 뿌리시위길이 : 날개뿌리에서의시위길이, 테이퍼비 (taper ratio) = 날개끝시위길이와뿌리시위길이의비, ex) 직사각형날개의테이퍼비 = 1, 삼각형날개 = 0 C r C C t r Cr = Ct C t Ct = 0 날개면적 (wing area) = 동체로가려진부분포함하여지면에수직으로투영된날개의면적,S
날개에작용하는공기력 날개의기하학적형태 기하학적변수 날개하중 (wing loading) = 항공기중량과날개면적의비 순항시양력과중량은같으므로날개에작용하는평균압력을의미하며구조설계에있어구조강도를결정짓는중요한요소가됨 날개하중이클수록구조가튼튼해야하므로구조의중량이증가하고항공기의운동반경이커지며날개하중이작으면돌풍에의한영향이커짐 평균공력시위 (MAC, mean aerodynamic chord) : 한쪽날개의도심을지나는시위길이로서 c 로표시하며날개의특성길이로쓰임날개와동일한양력및피칭모멘트값을갖는 un-swept, non-tapered wing chord length
날개에작용하는공기력 날개의기하학적형태 기하학적변수 가로세로비 (aspect ratio) : 날개길이를평균공력시위로나눈값, 또는날개길이의제곱을날개면적으로나눈값, 공기역학적효율을좌우하는중요한인자 b b AR = = c S 2 후퇴각 (sweep back angle) : 날개가뒤로젖혀진각도, 날개길이방향으로변하는시위길이의 25% 위치를연결한선과날개의가로방향과이루는각 전진각 (sweep forward angle) : 날개가앞으로젖혀진각도, 후퇴각과동일한방법으로측정
날개에작용하는공기력 고양력장치 저속비행시공기역학적인특성을향상시키기위한장치 실속속도 (stall speed) : 항공기가발생시키는양력이항공기의무게와같아고도를유지시켜주는속도, 접근속도 (approaching speed) : 항공기가착륙을위해접근하는속도, V = 1.2 V 접근속도 ( 실속속도 ) 를낮출수있다면항공기가이착륙에필요한활주길이가줄어들게되며저속에서이착륙이가능하므로항공기운항에안전성이증가 에어포일자체의양력계수는한계가정해져있고높은양력을얻기위해날개면적을크게하면고속비행에불리, 이를해결하기위해이착륙시와같은저속비행시날개의양력계수를증가시켜필요한양력을얻을수있게해주는공기역학적인특수장치를고양력장치라고함 고양력장치의종류 V S 앞전플랩 (leading edge flap) 뒷전플랩 (trailing edge flap) 경계층제어장치 (boundary layer control) 동력형고양력장치 (powered high-lift device) A S
날개에작용하는공기력 플랩 (flap) 의기본원리 뒷전플랩 (trailing edge flap) 켐버를변경시켜더큰받음각에서비행하는효과를얻을수있음 양력계수의증가 Flap 사이의공기의흐름으로추가적인관성력을전달하여박리를지연 날개면적의증가효과를통한양력의증가 앞전플랩 (leading edge flap) 박리를지연시켜더높은받음각에서박리가일어나도록유도 더높은받음각에서 stall 현상없이비행이가능 뒷전플랩의기본개념 앞전플랩의기본개념
날개에작용하는공기력 뒷전플랩형고양력장치 평면플랩 (plain flap) : 날개의캠버를바꾸어줌으로서받음각을크게해줌 스플리트플랩 (split flap) : 날개밑부분에장치되어캠버를증가시켜양력을증가시키나플랩후류가발생하여항력또한증가되는단점 잽플랩 (zap flap) : 스플리트플랩과비슷하나날개면적을더크게할수있어양력증가의폭이큼 슬로트플랩 (slotted flap) : 슬로트의수에따라이중혹은삼중슬로트플랩으로구분, 캠버및날개면적의증가와슬로트로인한공기흐름의제어효과로고양력발생, 슬로트의수가늘어날수록효과는좋으나구조적으로복잡해진다는단점이있음 파울러플랩 (fowler flap) : 날개뒷부분으로작은날개가빠져나와캠버와날개면적을증가시킴, 플랩의앞전에틈이생겨흐름을제어해줌으로써최대양력계수를증가시킴 뒷전플랩종류
날개에작용하는공기력 앞전플랩형고양력장치 크뤼거플랩 (krueger flap) : nose-up 피칭모멘트를발생시키며약간의변형에서도양력을감소시킴 슬로트날개 (slotted wing) : 본날개윗면의경계층에추가적인운동에너지를전달하여경계층을제어, 고속비행시약간의항력증가 슬랫 (fixed slat) : 슬로트날개와같은원리, nose-up 피칭모멘트를발생시킴 가동슬랫 (movable slat) : 가장많이사용되는형태, 슬랫과동일한역할을하며캠버와날개면및받음각증가의효과, 이착륙시에만작동시키고고속비행시날개안으로집어넣어고속에서의결점을보완 앞전플랩종류
날개에작용하는공기력 DC-9의고양력장치 앞전에는가동슬랫, 뒷전에는이중파울러플랩이사용 이착륙시고양력장치의사용이서로다름 이륙시 : 최대양력계수가필요 착륙시 : 양력뿐만아니라항력도커야함 이착륙시플랩의사용 실제동작동영상 ( 이륙 - 순항 - 착륙 )
비행원리 공기흐름의성질 ( 점성유동 )
공기흐름의성질 점성 (viscosity) 점성이란? 유동에대한유체의저항을나타내는정량적인치수 일반적인선형유체에대해서작용된전단응력은속도구배에비례 전단응력은유체내의연속적인전단변형의원인 du shear stess τ = μ (μ : 점성계수 ) dy
공기흐름의성질 점성유동 (viscous flow) vs. 비점성유동 ( inviscid flow) 점성유동의예 Airfoil 주위의유동 경계층내의유동 : 비점성유동 경계층밖의유동 : 점성유동
공기흐름의성질 점성유동 (viscous flow) vs. 비점성유동 ( inviscid flow) Circular cylinder 주위의유동 비점성유동의경우, 점성효과가없기때문에박리되지않고실린더를따라흐름 점성유동의경우, 유동이점차박리되어 Karman Vortex를생성 비점성유동 (inviscid flow) 점성유동 (viscous flow), Re=1000
공기흐름의성질 Karman Vortex sheet Pressure & streamline Vorticity & streamline
공기흐름의성질 대표적인무차원수 마하수 (Mach number) 음속과속도의비를나타내는무차원수 V M = a ( a : 음속, u : 속도) 레이놀즈수 (Reynolds number) Low Re number : 층류유동 (laminar flow) 인접한유체사이에거시적인혼합이없는상태 High Re number : 난류유동 (turbulent flow) 매우불규칙한 3 차원운동 ρ Re = VL μ = 관성력점성력 ( ρ : 유체의밀도, μ : 점성계수 )
공기흐름의성질 Reynolds number, Drag & Drag coefficient
공기흐름의성질 경계층박리 (Boundary layer separation) 경계층 (boundary layer) 물체주위에점성유동이흐를때, 점성력에의해서물체표면에서는속도가 0이됨 ( 착벽조건, No slip condition) 경계층내의속도 u는 y가증가함에따라서외부비점성유동 Uinf에점근적으로접근 경계층두께 (δ) : 경계층내의속도가외부유동 Uinf의 99% 에도달할때물체표면으로부터의거리 경계층내부 : 비점성유동 경계층외부 : 점성유동 Boundary layer thickness and velocity profile
공기흐름의성질 경계층박리의물리적과정 경계층박리의필요조건 박리점을지나면표면을따라서역압력구배구간이나타나게됨 경계층내에서는착벽조건을만족하여야하는점성작용에의해속도를잃게되어운동에너지를갖지못하고역압력구배를이기지못하여외부유동반대방향으로의유동발생 Reversed flow in presence of an adverse pressure gradient
공기흐름의성질 경계층제어의필요성 마찰저항과역압력구배에의한유동의박리를제어 공기역학적성능향상과항력감소 비행체의경우, 고기동성을확보가능 유동제어방법 Passive flow control 형상설계를통한방법 신뢰도가높고안정적이지만, 유연성이떨어지고각부분이서로상관관계있음 Active flow control 공기역학적장치를이용하는방법 유연성이있고모듈화가능
공기흐름의성질 MEMS 를이용한 flow control actuator Suction 경계층내의운동량 (low momentum) 흡입 Injection 경계층내에운동량 (higher momentum) 분출 경계층내의유동을제어하여양항비증가및안정성향상 ` Synthetic jet module Streak line of a synthetic jet
공기흐름의성질 Synthetic jet 을이용한평판에서의수치해석 Synthetic jet 을이용하여 separation vortex 의크기를감소시켜공기역학적성능을향상 Flat plate Flapped plate 50 Hz 100 Hz 200 Hz
공기흐름의성질 고받음각 (high angle of attack) 에서의박리제어 Weight saving Cruise Configuration Outboard wing section of 737NG Max. Landing Flaps L.E. droop & plain flap system 3 2.5 Fowler Flap 30 deg. Leading edge droop and plain flap with synthetic jet 2 Cl 1.5 1 exp. : ff30 (no control) num. : pf0 (no control) 0.5 num. : pf30 (no control) num. : pf30 (81% jet) num. : led20, pf30 (12% jet, 81% jet) 0-10 0 10 20 30 angle of attack(deg.) No control Control
공기흐름의성질 Synthetic jet 응용 (Smart UAV) 유동제어를이용하여수익하중 (wing loading) 감소가능 Smart UAV (Tilt-rotor type) rotor flow No control C d = 1.501 Control C d = 1.236
비행원리 Any questions?