항공기에 작용하는 항력(Drag)의 정의와 종류 #2 : 유해항력

오늘은 유해항력(Parasite Drag)에 대해 자세히 설명하겠습니다.

유해항력

(Parasite Drag)

양력과 관련이 없는 비행을 방해하는 모든 항력

즉, 유도항력을 제외한 모든 항력

형상항력

(=마찰항력 + 압력항력)

(Profile/Form Drag)

물체의 모양에 따라 값을 가지는 항력

공기의 점성에 의해 발생하는 항력

압력항력

(Pressure Drag)

흐름이 물체 표현으로부터 분리되면서 하류 쪽으로

와류를 발생시킴에 따라 생기는 항력

물체 표면이 유선형일수록 압력항력은 작다

마찰항력

(Friction Drag)

물체 표면과 유체 간 점성 마찰로 인해 생기는 항력

우선 마찰항력에서 나오는

"점성(Viscosity)"이란

유체의 흐름에 대한 저항, 즉 액체의 끈끈한 성질

액체나 기체 내부에 나타나는 내부 마찰력 

으로,

고체와 접촉하는 면과 유체는 공기의 점성력에 의해 고체 표면에 달라붙게 되고,

이는 마찰력을 발생시킵니다.

간단한 예시로, 물은 점성이 아주 낮고, 

기름과 꿀은 아시는 바와 같이 끈적하기 때문에 점성이 높습니다.

https://www.quora.com http://www.pilotfriend.com

유체의 흐름 방향에 대한 물체의 단면 형상에 따라 

압력항력(Pressure drag)/마찰항력(Skin friction drag)의 크기가 다릅니다.

먼저 일반적인 날개의 단면, 에어포일(Airfoil)의 경우

유선형의 모양을 가지고 있기 때문에

물체 표면에 따라 유체가 흐르면서 마찰이 발생하고, 흐름이 적게 분리되어 

압력항력은 작고 마찰항력은 크게 발생합니다.

구 형상의 경우 굴곡이 더 큰 유선형으로 볼 수 있기 때문에 

유체가 표면을 따라 흐르다가 분리되는 양이 훨씬 많습니다.

따라서 마찰항력보다 압력항력의 많이 발생합니다.

유체의 속도, 물체의 단면인 구의 지름에 따라 흐름의 분리(separation point) 정도가 다르지만,

위의 오른쪽 비교표에 보시는 것과 같이 압력항력(pressure drag)이 압도적으로 높게 발생합니다.

수직평판의 경우에는 만약 유체가 "액체"라면, 

흐름이 평판을 수직으로 부딪치고 지나갈 것이기 때문에 

마찰항력이 보다 높게 나올 수 있겠지만

"기체"의 경우에는 물체면에 마찰을 일으키기보다 지나가려 하기 때문에 

사실상 마찰항력은 거의 발생하지 않습니다.

그러나 그림에서 보시는 것과 같이 흐름이 많이 분리되기 때문에 

압력항력이 압도적으로 높게 발생합니다.

간섭항력

(Interference Drag)

항공기 파트 사이를 지나는 흐름이 간섭을 일으키는 항력

(날개, 동체, 바퀴다리 등)

http://knotsaviation.com

위 사진에서 형상항력(Form Drag)를 확인할 수 있고,

형상항력 중 하나인 마찰항력(Friction Drag)도 확인할 수 있습니다.

날개 및 동체 표면과 유체 간 점성에 의해 발생하는 마찰입니다.

또한 주날개와 동체, 꼬리날개와 동체가 붙는 날개 뿌리(Wing Root) 부근에서 

간섭항력(Interference Drag)가 발생하는 것을 확인할 수 있습니다.

https://groupidea.com https://www.faa.gov

 

위 사진에 간섭항력만 보다 자세히 보여주고 있습니다. 

주날개 엔진 연결부위, 동체와 날개 연결부위에 특히 간섭항력이 많이 발생합니다.

조파항력

(Wave Drag)

"초음속" 흐름에서 충격파의 압력에 의해 발생하는 항력

"음속"은 "소리의 속도" 입니다. 

소리의 속도와 비행체의 속도의 비를 마하수(Mach Number)로 표현합니다.

비행 속도가 음속 보다 낮을 때(아음속), 

속도를 높일 수록 비행기 앞쪽에 공기가 압축되며 파면(Wavefronts)이 발생합니다. 

속도가 더 증가하여 음속이 되었을 때, 

비행기 앞쪽에 파면이 겹치며(Overlapping) 충격파(Shock wave)가 발생하게 됩니다. 

음속에서 속도가 더 증가해서 초음속이 되면, 

Shock Cone 형태로 충격파가 점점 크게 발생하는 것을 확인할 수 있습니다.

이에 따라 조파항력(Wave Drag)가 더 커지게 됩니다. 

다른 이유도 많지만, 일반 여객기에서는 초음속으로 비행하지 않으며, 

전투기는 다른 부정적인 요소를 감안하더라도 빠른 속도가 필요하기 때문에 

전투기에서 초음속 비행을 많이 활용하고 있습니다.

*관련 글 보기*

[항공/비행역학] - 항공기에 작용하는 항력(Drag)의 정의와 종류 #1 : 유도항력

[항공/항공산업의 역사] - 항공기의 역사(발명 과정)