미국식: Airfoil
영국식: Aerofoil
1. 정의
흔히 에어포일 혹은 익형(翼型)이라 일컫는 날개골은 항공기의 날개 단면 및 프로펠러 항공기와 헬리콥터의 로터 단면 형상을 의미한다. 만약 수중에서 사용한다면 더 이상 에어(Air)포일이 아니기 때문에, 수중날개(Hydrofoil)라고 부른다.2. 에어포일과 양력
에어포일이 유체를 가르고 지나가면서 발생하는 유체입자의 운동의 변형이 힘을 발생시키고 이때 발생하는 힘은 대표적으로 양력, 항력, 모멘트가 있다. 이 힘의 수직 방향으로 작용하는 힘의 요소를 양력이라고 한다. 이 힘의 평행 방향으로 작용하는 힘의 요소는 항력이라고 한다.
에어포일에 작용하는 양력은 받음각과 형상으로 결정된다. 에어포일에 의하여 변형된 유체의 운동은 이에 대한 반작용을 만들어내고 이 결과가 양력과 항력등의 공력이다. 대부분의 날개 모양은 양력을 발생시키기 위해 받음각이 양의 각으로 설정되어 있는데, 비대칭 에어포일은 받음각이 0일 때에도 양력을 발생시킬 수 있다. 비대칭 에어포일은 유동을 아래쪽 방향으로 밀어내는데 이로 인하여 아래쪽에는 높은 압력 위쪽에는 낮은 압력이 발생한다. 이때 압력의 불균형은 양력을 발생시킨다.
3. 에어포일의 형상과 명칭
항공공학의 태동기부터 지금까지 더 효율적인 에어포일의 형상에 대한 항공공학자들의 연구는 계속되고 있다. 미국, 러시아, 독일, 영국 등 많은 국가들의 연구기관이나 각국의 항공우주 관련 사기업에서 에어포일을 연구하고 있고, 그에 따라 에어포일에 부여한 다양한 명칭이 존재한다.http://airfoiltools.com/에서 에어포일의 받음각에 따른 양력/항력계수 등의 그래프와 같은 매우 다양한 정보들을 알아볼 수 있다.
3.1. 에어포일의 형상 변수
에어포일 형상에서의 각 변수를 다음과 같이 정의할 수 있다.
- 앞전(leading edge): 에어포일의 가장 앞부분. 주로 둥글다.[1]
- 뒷전(trailing edge): 에어포일의 가장 뒷부분. 주로 뾰족하다.
- 윗면(upper surface): 에어포일의 윗부분.
- 아랫면(lower surface): 에어포일의 아랫부분.
- 시위선(chord line): 에어포일의 앞전과 뒷전을 직선으로 이은 선. 시위(chord)라고도 한다.
- 시위 길이(chord length): 시위선(chord line)의 길이.
- 앞전 원(leading edge circle): 에어포일의 앞전에 내접하는 원.
- 앞전 반경: 앞전 원(leading edge circle)의 반경.
- 두께(thickness): 에어포일의 윗면과 아랫면에 내접하는 원을 그릴 때, 이 원의 지름.
- 최대 두께: 두께(thickness)가 최대일 때의 값.
- 최대 두께의 위치: 두께(thickness)가 최대가 되는 곳의 위치.
- 평균 캠버선(mean camber line): 에어포일의 윗면과 아랫면에 내접하는 원을 무한히 많이 그린 뒤, 그 원의 중심들을 모두 이어서 그린 직선[2] 혹은 곡선[3].
- 캠버(camber): 평균캠버선(mean camber line)과 시위선(chord line)의 높이 차이.
- 최대 캠버의 위치: 캠버(camber)가 최대가 되는 곳의 위치.
이를 통해 다음을 알아낼 수 있다.
- 대칭 에어포일: 시위선을 기준으로 위아래가 완벽히 대칭되고, 최대 캠버의 크기가 0인 에어포일을 말한다. 즉 최대 캠버가 존재하지 않는다.
- 비대칭 에어포일: 시위선을 기준으로 위아래가 완벽히 대칭되지 않고, 최대 캠버의 크기가 0이 아닌 에어포일을 말한다. 즉 최대 캠버가 존재한다.
3.2. NACA 에어포일
1930년대 미국 NASA의 전신으로 여겨지는 NACA[4]에서 수많은 풍동 실험을 통해 만든 에어포일. CFD도 컴퓨터도 없던 시절에 오직 실험만으로 엄청나게 많은 에어포일을 만들어 두었다. 개발 당시부터 지금까지 가장 대표적인 에어포일이고, 또 그만큼 흔하게 쓰인다. 지금도 고아음속기나 초음속기가 아닌 속도가 그렇게 빠르지 않은 항공기들은 대부분 NACA의 에어포일을 그대로 쓰거나 약간 개량해서 쓰는 수준이니.또한 에어포일의 형상 또는 유체역학적 특성을 활용하여 몇 자리의 숫자로 된 명칭을 부여하는 아주 체계적인 분류법을 만들었다. 4자리 및 5자리 에어포일의 경우 형상을 이용해서 분류했기 때문에 명칭만 알고 있으면 간단한 식을 사용해서 에어포일의 모양을 좌표평면에 그릴 수 있다. 단, 1자리 계열과 6자리 계열 에어포일은 형상보다는 층류, 압력과 같은 유체역학적인 특성들에 더욱 집중하였기 때문에 형상과 캠버선을 나타내는 식은 없다.
다만 아래의 분류법을 읽으면서 주의할 것은 명칭을 만들고 형상을 만든 것이 아니라, 형상을 만들고 명칭을 붙인 것이라는 점이다. 최대캠버가 어떻고 무슨 위치에 있느니 하는 것들은 실험을 통해 형상을 만들고 난 뒤에 분류법에 따라 명칭을 붙인 것이지, 처음부터 정하고 만든 것이 아니다. 따라서 딱 떨어지는 정확한 값이 아니라 약간의 오차가 있다.
3.2.1. 4자리 계열 분류법
4자리 에어포일의 명칭은 'NACA abcd'와 같이 나타낸다.- 첫째 자리: 최대 캠버의 크기는 시위 길이의 약 a%이다.
- 둘째 자리: 최대 캠버의 위치는 앞전에서부터 시위 길이의 약 (b×10)%인 곳이다.
- 셋째와 넷째 자리: 최대 두께는 시위 길이의 약 cd%이다.
즉 'NACA 2412'는 시위 길이의 약 2% 크기인 최대 캠버가 앞전에서부터 시위 길이의 약 40%인 곳에 위치하고, 최대 두께가 시위 길이의 약 12%인 에어포일을 나타내는 것이다.
또한 'NACA 0012'는 최대 캠버의 크기와 위치가 0이고(=최대 캠버가 존재하지 않고), 최대 두께가 시위 길이의 약 12%인 에어포일을 나타내는 것이다. 최대 캠버가 존재하지 않음은 이 에어포일이 대칭 에어포일임을 나타낸다.
3.2.1.1. 형상과 캠버선의 식
[출처]- 대칭 에어포일의 경우
- 평균 캠버선은 시위선과 같다.
- 에어포일의 앞전을 좌표평면의 원점, 시위선을 [math(x)], 위쪽 방향을 [math(z)], 최대 두께를 [math(t)], 시위 길이를 [math(c)]라고 할 때, 다음과 같은 식을 사용해 에어포일의 형상을 좌표평면에 나타낼 수 있다.
[math(\pm\frac{z_{t}}{c}=\frac{t}{0.2c}[0.2969\sqrt{x/c}-0.1260(x/c)-0.3516(x/c)^{2}+0.2843(x/c)^{3}-0.1015(x/c)^{4}])]
- 비대칭 에어포일의 경우
- 에어포일의 최대 캠버를 [math(m)], 앞전으로부터 최대 캠버의 위치를 [math(p)], 캠버를 [math(z_{c}(x))]라고 할 때, 다음과 같은 식을 사용해 평균 캠버선을 알아낼 수 있다.
[math(0\leq x\leq p)]일 때: [math(\frac{z_{c}}{c}=\frac{m/c}{p^{2}}(2px-x^{2}))]
[math(p\leq x\leq c)]일 때: [math(\frac{z_{c}}{c}=\frac{m/c}{(c-p)^{2}}[(c^{2}-2pc)+2px-x^{2}])] - 이를 통해 에어포일 윗면[math((x_{U},z_{U}))]과 아랫면[math((x_{L},z_{L}))]의 좌표를 알아낼 수 있다.
[math(x_{U}=x-z_{t}sin\theta)], [math(z_{U}=z_{c}+z_{t}cos\theta)]
[math(x_{L}=x+z_{t}sin\theta)], [math(z_{L}=z_{c}-z_{t}cos\theta)]
이때 평균 캠버선의 기울기 [math(\theta=tan^{-1}(\frac{dz_{c}}{dx}))]이다.
3.2.2. 5자리 계열 분류법
5자리 에어포일의 명칭은 'NACA abcde'와 같이 나타낸다.- 첫째 자리: 설계 양력 계수는 (a×0.15)인 동시에 최대 캠버의 크기는 시위 길이의 약 a%이다.
- 둘째와 셋째 자리: 최대 캠버의 위치는 앞전에서부터 시위 길이의 약 (bc÷2)%인 곳이다.
- 넷째와 다섯째 자리: 최대 두께는 시위 길이의 약 de%이다.
즉 'NACA 23015'는 설계 양력 계수가 약 0.3이고, 시위 길이의 약 2% 크기인 최대 캠버가 앞전에서부터 시위 길이의 약 15%인 곳에 위치하고, 최대 두께가 시위 길이의 약 15%인 에어포일을 나타내는 것이다.
3.2.2.1. 형상과 캠버선의 식
[출처]- 5자리의 숫자 가운데서 앞의 3자리를 '평균 캠버선 형식'이라고 할 때, 다음 표에서 알맞은 값을 찾는다.
| 평균 캠버선 형식 | 최대 캠버의 위치([math(p)]) | [math(m)] | [math(k_{1})] |
| 210 | 0.05 | 0.0580 | 361.4 |
| 220 | 0.10 | 0.1260 | 51.64 |
| 230 | 0.15 | 0.2025 | 15.957 |
| 240 | 0.20 | 0.2900 | 6.643 |
| 250 | 0.25 | 0.3910 | 3.230 |
- 다음과 같은 식을 사용해 평균 캠버선을 알아낼 수 있다.
[math(0\leq \frac{x}{c}\leq m)]일 때: [math(\frac{z_{c}}{c}=\frac{k_{1}}{6}[{(\frac{x}{c}})^{3}-3m(\frac{x}{c})^{2}+m^{2}(3-m)(\frac{x}{c})])]
[math(m\leq \frac{x}{c}\leq 1)]일 때: [math(\frac{z_{c}}{c}=\frac{k_{1}}{6}m^{3}[1-\frac{x}{c}])] - 에어포일의 형상을 좌표평면에 나타낼 때는 4자리 계열에서와 동일한 식을 사용한다.
3.2.3. 1자리 계열 분류법
1자리 에어포일의 명칭은 'NACA 1a-bcd'와 같이 나타낸다.- 첫째 자리: 1자리 계열 분류를 뜻하는 숫자 1이다.
- 둘째 자리: 최소 압력(=최대 속도)을 갖는 위치는 앞전에서 시위 길이의 약 (a×10)%인 곳이다.
- 하이픈[7]
- 셋째 자리: 설계 양력 계수는 약 0.b이다.
- 넷째와 다섯째 자리: 최대 두께는 앞전에서부터 시위 길이의 약 cd%이다.
3.2.4. 6자리 계열 분류법
6자리 에어포일의 명칭은 'NACA 6a(b)-cde, a=f'와 같이 나타낸다.- 첫째 자리: 6자리 계열 분류를 뜻하는 숫자 6이다.
- 둘째 자리: 최소 압력(=최대 속도)을 갖는 위치는 앞전에서 시위 길이의 약 (a×10)%인 곳이다.
- 셋째 자리: 설계 양력 계수의 범위는 넷째 자리의 값을 중심으로 약 ±(b×10)%의 범위를 갖는다.[8][9]
- 하이픈[10] 또는 A[11]
- 넷째 자리: 설계 양력 계수는 약 0.c이다.
- 다섯째와 여섯째 자리: 최대 두께는 시위 길이의 약 de%이다.
- a=으로 나타낸 자리: 층류가 형성되는 위치는 앞전에서부터 시위 길이의 약 (f×100)%인 곳이다.[12]
즉 'NACA 64(3)-218, a=0.5'는 6자리 계열에 속하고, 앞전에서부터 시위 길이의 약 40%인 곳에서 최소 압력을 가지고, 설계 양력 계수가 약 0.2를 중심으로 약 ±30%의 범위를 가지고, 최대 두께가 시위 길이의 약 18%이고, 앞전에서부터 시위 길이의 약 50%인 곳에서 층류가 형성되는 에어포일을 나타내는 것이다.
3.3. TsAGI 에어포일
구 소련부터 현 러시아까지 이어지는 항공우주공학 연구기관인 TsAGI[13]에서 만든 에어포일. TsAGI-S12 에어포일 등이 알려져 있으나 철의 장막으로 대표되는 구 동구권의 폐쇄적인 문화 특성상 알려진 것이 별로 없다.3.4. RAF 에어포일
영국 국방과학기술연구소[14]의 전신 중 하나로 1904년부터 1988년까지 존재했던 RAF[15]에서 만든 에어포일. 1912년에 개발된 RAF 6, 1915년에 개발된 RAF 15, 1926년에 개발된 RAF 34 등 다양한 에어포일들이 있다. NACA처럼 체계적인 분류법은 없고 숫자는 단지 개발 순서를 나타냈다.3.5. 괴팅겐 에어포일
독일의 괴팅겐 대학교에서 1910년부터 만든 에어포일. 괴팅겐 622, 괴팅겐 625 등 다양한 에어포일이 있다. NACA처럼 체계적인 분류법은 없고 숫자는 단지 개발 순서를 나타냈다.4. 둘러보기 틀
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| 평면 형태 구분 | 평익 · 타원익 · 테이퍼익 · 전진익 · 후퇴익 · 델타익 · 원형익 | |
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| 작동 방식 | 고정익 · 가변익(경사익) · 회전익(동축반전로터 · 탠덤로터 · 테일로터 · 틸트로터) · 오니솝터 | |
| 개수 구분 | 고정익 단엽익 · 복엽익 · 다엽익 | |
회전익 멀티콥터 · 쿼드콥터 | ||
| 기능 구분 | 주익 · 미익(회전익의 경우 테일로터) | |
주·미익 일체형 전익(동체익기 · 리프팅 바디) | ||
| 기타 | 러더 · 플랩 · 엘리베이터 · 윙렛 · 카나드 · 스피드 브레이크 | |
| ※참고: 날개 / 항공기 관련 정보 | ||
[1] 아음속과 천음속에서 비행하는 항공기의 에어포일의 앞전은 둥근 형상으로 만드나 초음속에서 비행하는 항공기 중 에어포일 앞전형상을 날카롭게 만든 경우가 있다. 이는 초음속 영역에서 날카로운 앞전형상이 부착충격파를 발생시켜 더 작은 조파항력을 발생시키기 때문이다. 다만 극초음속 영역에서는 열전달을 줄이기 위해서 이탈 충격파를 발생시켜 유체의 에너지를 줄이는데 이를 위해서는 둥근 형상의 앞전을 이용한다. 저항이 크면 더 큰 열을 받을 것 같지만 그 반대이다. 대기권 재진입체가 뭉툭한 형상을 가지는 것은 이러한 이유도 있다. 다만 열전달이 줄어드는 것이지 항력이 줄어드는 것은 아니라 이에 대한 연구가 진행되고 있다. 한가지 예로 에어포일 중간에 통로를 뚫어 조파항력을 줄이면서 앞전은 둥글게 하는 방법이 있다.[2] 대칭 에어포일의 경우[3] 비대칭 에어포일의 경우[4] National Advisory Committee for Aeronautics, 미국 국가항공자문위원회[출처] 『항공역학』 - 이봉준, 김학봉, 김문상 공저[출처] [7] 간혹 생략하고 NACA 1abcd 식으로 모두 붙여쓰는 경우도 있다.[8] 괄호에 담겨 있거나 아래첨자(NACA 6ab-cde)로 처리되어 있거나 띄어쓰기(NACA 6a b-cde) 혹은 쉼표(NACA 6a, b-cde)를 사용해 앞의 자리와 분리되어 있어야 한다.[9] 경우에 따라 주어지지 않는 경우(NACA 6a-cde)도 있다. 그럴 경우 셋째 자리는 빼고 해석하면 된다.[10] 간혹 생략하고 NACA 6abcde 식으로 모두 붙여쓰는 경우도 있다.[11] 개량형이라는 의미.[12] 경우에 따라 주어지지 않는 경우도 있으나 그럴 때는 a=1을 기본값으로 한다.[13] Центральный аэрогидродинамический институт, ЦАГИ, 중앙유체역학연구소[14] Defence Science and Technology Laboratory, DSTL[15] Royal Aircraft Factory, 왕립 항공기 공장. 이니셜이 같은 왕립 공군과는 다른 곳이다.