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패러글라이딩 기술강좌

날개의 과학화는 어디까지?!

윙 래트(Winglet)는 무엇 때문에 있을까?

최근에는 대부분의 여객기에 붙어 있는 윙 래트(Winglet).

공기저항을 줄이기 위해 붙어 있다는 것은 알아도 <그 구조>에 대해 물으면 정확하게 대답할 수 있는 사람이 적은 것은…….

혹시 패러나 행글라이더의 윙 래트(Winglet)라면 , <정말로 도움이 될까?>라고 의문을 품는 사람도 있을 법하다.

그래서 이번에는 윙 래트(Winglet)의 효과와 그 구조를 살펴봅니다.

◐날개 위쪽과 아래쪽의 압력차이가 날개 끝에 와류를 만든다. ☞익단 와류의 발생

◐와류를 만드는 것이 줄어들어 저항이 된다. ☞유도저항의 발생

유도저항은, 날개가 양력을 만들 때 그 반작용으로 일어나는 피할 수 없는 저항. 그러한 이유로 " 유도" 저항(induceddrag)이라고 하는 이름이 붙어 있습니다.

연비를 8%나 절감!

~윙 래트(Winglet)의 효과~

우선은 윙 래트(Winglet)가 실제 어느 정도 도움이 되는지 살펴봅시다.

제트여객기에서는, 그림1과 같은 윙 래트(Winglet)가 붙어 있습니다만, 이 비행기는 윙 래트(Winglet) 장착에 의해 8%이상 연비가 좋아졌습니다.

8%라고 하면 감이 오지 않는 분이 있을 지 모르겠습니다.

기술적으로 완성에 가까운 여객기에서는, 1~2%의 효율을 좋게 하는 것만도 굉장히 어려운 일입니다.

엔진의 세부를 고친다거나 기체의 저항을 줄이려고 검토해봐도 성과는 극히 작습니다.

그것이, 날개 끝에 작은 윙 래트(Winglet)를 다는 것만으로도 8%나 연비가 좋아지기 때문에, 얼마나 윙 래트(Winglet)가 큰 역할을 하고 있는 지 상상이 되시겠죠.

조금 더 자세히 설명을 하겠습니다.

시속 800~900㎞로 비행하는 제트 여객기는, 기체 전체에서 발생하는 저항의 50%는 마찰 저항, 35%는 유도 저항, 나머지 15%는 형상 저항, 압축 저항 등입니다,

윙 래트(Winglet)는 이들 중의 유도 저항을 대폭 줄여 주는 역할을 합니다.

저번 호에서 <유도 저항은 양력을 만드는 데 따른 반작용으로서 발생되기 때문에 유도 저항은 피할 수 없다.>라고 설명했습니다만,

윙 래트(Winglet)는 유도 저항의 발생 원인이 되는 익단 와류를 잘 이용해서 유도 저항의 24%를 줄이고 있습니다.

그리고 그 효과는, 공기 저항 전체에서 보면 8%의 저항이 줄어드는 것입니다.

순항 비행중의 비행기는 연비를 공기 저항을 극복하기 위해서만 사용하기 때문에 저항의 감소는 그대로 연비의 감소로 연결됩니다.

게다가 연비가 좋아지면 이륙 시에 탑재할 연료가 작아지므로 중량이 가벼워지며 연비가 더욱 작아지는 일석이조의 효과가 생깁니다.

<그림 1> Winglet geometry

<그림 2>윙 래트(Winglet)의 움직임과 구조

제트 여객기의 윙 래트(Winglet)

익단 와류가 윙 래트(Winglet)에 닿으면 추진력이 생긴다.

익단 와류의 영향으로 윙 래트(Winglet)에는 비스듬하게 바람이 부딪친다

윙 래트(Winglet)에 발생하는 양력은 비스듬하게 앞쪽을 향하고 있다.

따라서 윙 래트(Winglet)에는 기체를 앞으로 미는 힘(추진력)이 작용한다.

<그림 3>윙 래트(Winglet)의 장점

윙 래트(Winglet)에 의한 저항감소효과를 대신하여 아스펙트비를 크게 해서 실현하려고 하면 날개폭을 길게 할 필요가 있고, 그 결과 날개가 붙어 있는 부분에 작용하는 힘이 커지기 때문에 강도를 높이기 위해 중량이 크게 늘어 버린다.

익단 와류가 추진력을 만들어 낸다!?

~윙 래트(Winglet)의 구조~

윙 래트(Winglet)의 굉장한 효과를 알았으니 다음으로 그 구조를 살펴봅시다.

구조라고 해서 어려울 것은 없습니다.

그림을 보면서 살펴보면 실제로 단순하고, 그 발상에 고개가 끄덕여집니다.

그림 2를 보아주십시오.

날개의 윗면과 아래 면에서는 압력차이가 생기고 있기 때문에 날개 끝에서는 아래 면에서 윗면으로 흐르는 바람이 생깁니다.(이것이 익단 와류의 시작입니다.)

그 모양을 날개의 바로 위에서 보면, 윙 래트(Winglet)에는 비스듬하게 바람이 충돌하게 됩니다.

그래서 날개 형태를 하고 있는 윙 래트(Winglet)에도 양력과 저항(공기 저항)이 발생하고, 그 합력(양력과 저항을 합한 힘)은 비스듬하게 앞쪽을 향하고 있습니다.

즉, 진행 방향으로 기체를 미는 힘이 생기는 것입니다.

이 기체를 앞으로 미는 힘을 추진력이라고 부릅니다만, 윙 래트(Winglet)에는 저항이 되기는커녕 실제로는 그 반대로, 마치 "날개 끝에 작은 엔진이 붙어 있는 것과 같은 역할"을 하고 있습니다.

말하자면, "윙 래트(Winglet)는 익단 와류를 잘 이용해서 설계한 추진력을 얻는 장치"인 것입니다.

그리고 그 추진력으로 유도 저항의 일부를 없애고 있습니다.

윙 래트(Winglet)의 장점은?

그런데, 날개를 크게 해서 아스펙트비를 높게 해도 유도 저항을 줄일 수 있습니다.

그러면, 윙 래트(Winglet)와 비교해서 어느 쪽이 더 이익일까요?

그림 3을 보아주십시오.

위의 비행기와 아래의 비행기는 똑같은 유도 저항이 발생하고 있습니다만, 윙 래트(Winglet)를 사용하지 않을 경우, 날개의 폭을 크게 확장하지 않으면 안되고, 제작비용이 비싸지고 중량도 늘어나 버립니다.

또 날개폭이 커지면 날개가 붙어 있는 쪽에 걸리는 하중도 늘어나기 때문에 보강도 필요하게 됩니다.

이처럼, 윙 래트(Winglet)에는 비용과 중량 면에서 장점이 있습니다.

또, 이러한 점 덕분에 원래 윙 래트(Winglet)가 없는 비행기에도 윙 래트(Winglet)를 나중에 붙이는 것이 가능합니다.

결국, 소형경량의 윙 래트(Winglet)를 날개 끝에 붙이는 것만으로 날개에 걸리는 하중을 늘리지 않고 간단히 저항을 줄일 수 있는 것입니다.

한국보다 널리 비행기가 보급되어 있는 미국에서는 윙 래트(Winglet)를 붙이는 것을 전문으로 하는 회사도 있다고 합니다.

또, 윙 래트(Winglet)는 후퇴익의 꼬리날개가 없는 비행기에 있어서는 안정성을 대폭 개선하는 작용도 있어서 많은 꼬리날개 없는 비행기에 사용되고 있다.

패러와 행글라이더의 윙 래트(Winglet)는 어떤 것인가?

엔진이 없는 패러와 행글라이더에서는 저항의 감소는 활공비의 향상으로 연결됩니다.

예를 들면, 그림 1의 비행기와 같이 윙 래트(Winglet)로 8%저항을 감소시키면, 활공비가 10이었던 글라이더는 활공비 10.9가 됩니다.

<100m를 날면 9m의 차이가 생기기 때문에 이것은 대단한 것이다.>라고 생각하고 싶지만, 실제로는 이 계산처럼 되지는 않습니다.

유감이지만, 패러와 행글라이더에 윙 래트(Winglet)를 붙여도 엔진 여객기만큼의 효과는 기대할 수 없습니다.

그 이유는 공기 저항의 내역이 다르기 때문입니다.

제트기에서는 유도 저항이 전체 저항의 35%를 차지하지만, 패러와 행글라이더에서는 유도 저항의 비율은 훨씬 적어져 버립니다.

윙 래트(Winglet)는 유도 저항의 일부를 없애는 것만 가능하므로, 가령 제트기와 같은 24%의 유도 저항감소효과가 있어도 전체의 공기 저항은 그 만큼 감소하지 않게 됩니다.

패러와 행글라이더에서는 공기 저항의 대부분이 <형상 저항>이라고 불리는 저항입니다.

이것은 물체가 유선형이 아니기 때문에 생기는 저항입니다.

조종사가 나와 있고 날개의 형태나 표면도 울퉁불퉁하고, 라인과 와이어도 있기 때문에 비행기에 비교하면 상당히 큰 저항이 발생해서 윙 래트(Winglet)는 그 만큼 기능을 발휘하지 못합니다. <그러면, 윙 래트(Winglet)따위는 필요 없지 않아!>라고 느낄지도 모릅니다만,

공기 저항과는 다른 목적으로 윙 래트(Winglet)가 붙어 있습니다.

그리고, 제트기의 윙 래트(Winglet) 이상의 기능을 하고 있습니다.

구체적으로는,

1.패러의 윙 래트(Winglet): 익단 실속방지에 의한 저속 선회성의 향상이 최대 의 장점

2,행글라이더의 윙 래트(Winglet): 고속시의 요잉 안정 증가의 효과가 최대의 장점

<그림>환상익기

환상익기(고리 모양 날개의 비행기)

날개 끝이 있으면, 반드시 익단 와류가 발생해서 유도 저항이 생깁니다.

무한으로 긴 날개라면, 유도 저항을 제로로 만들 수 있지만, 현실적으로는 불가능합니다.

그래서, 아스펙트비를 올리거나 윙 래트(Winglet)를 붙이거나 해서 가능한 유도 저항을 줄이려고 하는 것입니다만, 실제로 더 좋은 방법이 있습니다.

그림과 같은 도너츠 모양의 날개를 가지고 있는 비행기는 환상익기라고 불립니다.

도너츠 날개에는 익단이 없기 때문에 이것은 무한히 긴 날개와 마찬가지로 유도 저항이 생기지 않습니다.

이러한 형상의 비행기는 실제로 미국이나 유럽에서 실험기가 비행했다고 합니다만, 제작이 곤란하고 비용이 너무 비싸 실용화는 되어 있지 않습니다.

DHV의 비행 시험

1. 이륙 : 힘이 들지 않고 자연스러워 보이는가? 비행자에 따라 여러 각도에서 시험필요.

균일하다........................................................................................ 1

공기 들어가는 상태 치우친다..........................................................2-3

나쁘다........................................................................................... 1-2이외는 3

스무스 하다................................................................................... 1

라이져 업 쇼크가 있다.....................................................................1-2

빠르게 지나간다........................................................................... 1-2이외는 3

간단...............................................................................................1

이륙조작 중간................................................................................ 1-2이외는 2

어렵다........................................................................................... 1-2이외는 3

2. 직선 활공 : 최대속도는 크라스 분할과 관계없음.

나쁘다........................................................................................... 2이외는 불합격

안전성 보통................................................................................... 1이외는 1-2

좋다.............................................................................................. 1

3. 회전성능 : 회전성은 크라스 분할과 관계없음.

회전조작에 대한 반응 느리다......................................................... 1-2이외는 2

보통-퀵턴 반응 좋다...................................................................... 합격

없다.............................................................................................. 1

플랫스핀 시도 작다........................................................................ 1이외는 2-3

보통.............................................................................................. 2이외는 2-3

심하다........................................................................................... 3 불합격

4. 실속 : 양쪽 브레이크 코드를 천천히 당긴다.

70cm............................................................................................ 2-3 불합격

70-90cm....................................................................................... 1-2이외는 2

실속점 90cm................................................................................. 1

실속이 없다.................................................................................. 1

실속회복이 용이하다..................................................................... 2

뒷라이져로 실속 시킬 때

실속이 없다.................................................................................. 1

회복이 용이.................................................................................. 2

5. A스톨 : A 라이져를 당겨 시도 할 때.

당긴 상태

25cm 이상................................................................................... 1

15cm 이하................................................................................... 3이외는 불합격

회복

자연스레 회복.............................................................................. 1-2

자연스레 되지 않음...................................................................... 2-불합격

6. 비대칭 접힘(한쪽날개 면적) : 에어인테크의 70%이상.

자연 회복된다. 90도 이하 회전 고도손실 적다................................ 1

천천히 회복되며 회전정지까지 180도 회전, 용이한 회복................. 2

방향의 변화 빠르게 회전한다.

자연회복까지 360도 이하 회전하며 제어 해주어야 안정을 찾는다.... 2-3

빠르게 회전 감속제어에는 안정성이 없으나 문제없이 회복한다....... 3

빠르게 회전하고, 안정성이 없다.................................................... 불합격

7. 빠른 접힘 : 윙오바 상태에서의 테스트

* 평가는 6항과 같음(비대칭 접힘)

8. 풀 스톨

피칭이 조금 있다.......................................................................... 1

회복후의 진동 피칭이 조금 심하다................................................ 1-2

강한 피칭이 있으나 제재할 필요가 없다......................................... 2

강한 피칭이 있고 제재해 주어야 됨................................................ 3

브레이크 코드를 타이밍에 맞춰 의도적으로 캐노피를 흔들 때

피칭이 작다.................................................................................. 1

피칭이 보통.................................................................................. 1-2

피칭이 심하다............................................................................... 3

9. 플랱스핀 : 한쪽 브레이크 코드를 당겨 실속을 걸었을 때 360도 회전은

자연히 회복. 피칭 조금 있음........................................................... 1

회복후의 진동 자연히 회복. 피칭 조금 많음.................................... 1-2

자연히 회복. 피칭 크다.................................................................. 2-3

회전이 계속된다(안정이 되어있어도)............................................. 불합격

10. 스파이럴

개시

곤란............................................................................................... 1

간단............................................................................................... 2-3

회복

자연히 회복.................................................................................... 1

자연한 회복이 없다(지시가 필요하면)............................................. 불합격

11. B스톨 : 최대한의 B스톨 상태에서 회복 평가 (10항과 같음)

12. 착륙

간단............................................................................................... 1

착륙특성

평균적............................................................................................ 1-2이외는 2

곤란............................................................................................... 2-3이외는 3

*패러글라이드의 안정성을 취급하는 단체는

DHV.......... 독일의 행글라이드 연맹 (1982년)

ACPUL.... 유럽 패러글라이드 공업회 (1991년 4월)

JHTC........ 일본 행글라이드 기술위원회(1988년)