Drag (항력)

Drag 는 항공기가 공기를 통과하면서 받는 저항 입니다

Drag 는 항공기가 움직이는 방향과 반대로 작용합니다

항공기의 형상이나, Rivet 의 형태, 항공기 표면의 매끄러운 정도 등에 따라 Drag 를 감소 시킬수 있습니다

Propeller 에 의해 Thrust 가 만들어 지는데, Drag 보다 크기 때문에 항공기가 앞으로 나아갈수 있습니다

따라서 적은양의 Thrust 가 요구되어지는 항공기는 

작은 엔진으로도 비행이 가능하고, 적은 연료 소모량, 적은 운용비용 등의 장점을 가지게 됩니다

 

Drag (항력)

 

Total Drag

Total Drag 는 항공기에 작용 하는 다양한 Drag 의 합 입니다

보통 2개의 기본 그룹으로 나누어 볼 수 있습니다

1. Lift 와 관련 없는 Drag : Parasite Drag, 이것은 Form Drag, Skin Friction, Interference Drag 를 포함 합니다

책에 따라 Form Drag 와 Skin Friction 을 Profile Drag 라고도 합니다

2. Lift 와 관련 있는 Drag : Induced Drag, 이것은 날개의 Trailing Edge, Wingtips 의 Vortices 와 관련이 있습니다

 

 

Parasite Drag

Skin-Friction

Friction Forces (마찰력) 은 항공기 표면과 공기 사이에 발생 하게 됩니다.

항공기 표면의 면적, 항공기 표면의 거친정도 (Roughness, icing과 rivet, polishing 등의 요인), 항공기 속도 (속도가 증가하면 Skin-friction Drag 증가) 와 연관이 있습니다

 

Form Drag

Airflow 가 Airfoil 에 의해서 분리 될 때,  유선형의 흐름이 방해되고 회오리를 (eddies) 를 형성합니다

이렇게 형성되는 Drag 가 Form Drag 입니다

이 Turbulent wake (eddies) 에 의하여 Drag 가 증가 하게 됩니다

Form Drag 를 쉽게 이해 하기 위해서 달리는 차의 창문 밖으로 손을 내밀었을 때,

손바닥을 수평으로 유지 했을 때와 수직으로 하였을 때의 저항의 차이로 이해 할 수 있습니다

Skin-Friction and Form Drag

 Streamline Airflow 가 airfoil 에서 Separate 되는 지점을 separation point 라고 합니다

항공기 날개의 Angle of attack 이 증가 함에 따라, 이 separation point 는 앞쪽으로 움직이게 되고 turbulent wake 는 더 많아 집니다.

 wake 의 크기는 form drag 의 강도를 지시 할 수 있습니다 (wake 가 클 수록 form drag 증가)

Angle of Attack 과 Separation Point

streamlining shape (유선형) 일수록 뒤쪽 turbulent 가 적고 form drag 의 감소를 확인 할수 있다

Streamlining reduces form drag

실제로 Landing Gear 에 Fairing 을 사용 하여 유선형으로 만들어 form drag 를 감소시키기도 한다

Cessna 의 POH 에서도 Fairing 장착시 속도의 차이를 확인 할 수 있다

 

 

Interference Drag

 총 Parasite Drag 는 Skin friction 과 Form Drag 의 합 보다 더 만들어진다

추가적인 Drag 는 항공기 표면의 접합부에서 Airflow 의 혼합 과 간섭으로 인하여 만들어진다 

동체와 날개의 접합부, 꼬리날개와 접합부 등 같은곳에서 만들어 진다

이 Drag 는 Lift 과 직접적인 관계가 없다

Interference Drag 는 Parasite Drag 의 종류로,

유선형으로 매끄럽게 이어진 부분이라면 Interference Drag 를 감소 시킨다

interference Drag

Interference Drag 를 감소 시키기 위해 동체와 연결부에 Fairing 를 추가

 

 

Parasite Drag Vs. Airspeed

 항공기 속도가 0 일때는 항공기와 공기간의 relative motion 이 없다

따라서 Parasite Drag 가 없다

항공기 속도가 증가 할수록, Skin friction, Form drag, Interference drag 가 증가 한다

항공기의 속도가 parasite drag 에 가장 큰 영향을 미친다

속도의 제곱으로 paratide drag 가 증가 한다

Parasite Drag 과 반대로 속도가 감소할때도 Drag 가 증가 하는데 그 이유는

Induced Drag 때문이다. 항공기가 감소 하면서 Angle of Attack 이 증가 하기 때문

stall speed 보다 조금 많은 속도로 항공기가 비행 할때의 Total Drag 중,  parasite drag 의 영향은 약 25% 이고 나머지는 induced drag 가 차지 한다

Airspeed 가 증가 할 수록 Parasite Drag 도 증가 한다

 

 

Induced Drag

 Induced Drag 는 Lift 가 생성 될때 발생하고, Angle of Attact 과 연관이 매우 크다

Lift 는 Vertical Reaction 이다. 속도가 낮은 상황에서 Angle of Attact 는 클것이고, Total Vector 는 뒤쪽으로 기울 것이다. 이때 Horizontal component 가 Induced Drag 이다.

따라서 Lift 가 발생 할때 필연적으로 Induced Drag 도 같이 생긴다

Angle of Attact 이 증가 할 수록 Drag 가 증가 한다

 

 

Vortices

 날개의 위쪽면의 static pressure 는 날개의 아래쪽 보다 낮다

 공기가 날개의 표면을 지나 갈때, 바깥쪽으로 향한다. 반대로 날개 윗면을 통과하는 공기는 낮은 압력을 가지고 안쪽으로 향한다(동체쪽으로) 

날개 위쪽과 아래쪽으로 흐르는 공기가 날개의 Trailing edge 에서 만나고 교차 하고 회전 하게 된다.

wingtip (날개끝단) 에서 twisting 하게 되는데 이것은 wingtip vortices 라고 한다.

 

 

Angle of Attck

Lift 가 많이 생성되면, Induced Drag 도 많아 진다

AOA 가 높은 상태, 저속비행이나 저속 기동을 할 경우 (Maneuvering) (Slow flight, Stall 등), Induced Drag 가 많아 진다

거의 stall speed 에 가까운 Level flight 시, Induced Drag 는 총 Drag 의 75% 를 차지 한다.

반대로 High speed Level flight 시 에는 총 Drag 중 Induced Drag 는 1% 정도 기여 한다.

 

 

Wing Design

Induced Drag 는 Span-to-Chord Ratio 에 영향을 받는다 => Aspect Ratio 라고 한다

High Aspect Ratio 인 Sailplanes, Glider 의 경우 적은 Induced Drag 를 생성한다.

compare wings Aspect ratio

 

Aspect Ratio : AR = Wing Span^2 / Wing Area  =  Wing Span^2 / Span X Chord  = Span / Chord

Definitions of Wing

 

 

The Total Drag on an Airplane

Total Drag = Parasite Drag + Induced Drag

Total Drag Vs. Airspeed

앞서 기술한것 처럼, 속도가 낮은 경우(그래프의 왼쪽) High AOA 이고 Induced Drag 가 많은 상태

그래프의 오른쪽으로 갈수록 항공기 속력은 증가하고 Parasite Drag 가 증가 한 상태, AOA 는 낮은 상태이다.

 

 

Lift/Drag Ratio

 AOA 가 증가 함에 따라  Lift 곡선은 증가하다가 CL 지점 이후로는 감소한다.

Drag 곡선은 적은양의 AOA 라도 증가하는 것을 보여준다

Stall 지점 부터 Streamline airflow 가 Separation 되고, Turbulent wake 가 생성 되면서 Drag 가 크게 증가 한다