출처 : 국토교통부 표준교재_비행이론(비행기)
소개(Introduction)
이 단원에서는 항공기가 비행하는 대기의 구성 및 공기의 특성을 이해하고, 비행 중인 항공기에 작용하는 물리적인 힘의 법칙과 작용하는 힘이 항공기 성능과 특성에 어떠한 영향을 주는지를 설명한다. 비행기, 헬리콥터, 활공기 등의 항공기를 조종하기 위해서는 비행에 관련된 기본적인 힘과 그것들이 상호 작용하는 결과를 이해하여야 한다.
1.1 대기의 구성 및 특성 (Structure of the Atmosphere)
대기는 지구의 표면을 감싸고 있는 공기이다. 대기는 여러 종류의 혼합된 가스로 구성되어 있으며, 질량과 무게가 있고 모양이 정해져 있지 않다.
대기는 78%의 질소와 21%의 산소, 그리고 아르곤, 헬륨과 같은 1%의 다른 가스로 구성되어 있다. 산소처럼 다른 기체에 비하여 상대적으로 무거운 기체는 낮은 고도에, 가벼운 기체들은 더 높은 고도에 위치하게 된다. 산소의 대부분은 지표면으로부터 3만 5,000ft 미만에 존재한다.
1.1.1 공기도 유체이다(Air is a Fluid)
흐르는 성질을 가진 물체를 “유체”(Fluid)라 한다. 대기를 구성하는 공기 또한 흐르는 성질을 가진 유체이다.
유체는 압력이 가해지더라도 쉽게 변형되지 않거나 또는 약간 변한다.
우리는 이것을 저항 점성(resistance viscosity)이라고 한다. 액체의 흐름은 용기의 공간을 채우고 일정한 밀도로 유지하지만, 공기의 흐름은 용기를 채우기 위해 팽창한다. 액체와 공기는 밀도 면에서 상당히 다르지만, 둘 다 이런 독특한 유체로서의 특성을 보인다. 공기의 유체 특성을 이해하는 것은 비행 원리를 이해하는 데 필수적이다.
1.1.2 유체의 특성(Characteristics of Fluid)
점성(Viscosity)
점성은 유체가 흐르지 않으려 하는, 즉 이동하지 않으려는 성질이다. 각각의 유체 분자는 서로 붙어 있으려는 성질에 따라, 얼마나 흐르지 않으려 하는지를 결정한다. 높은 점성의 유체는 두껍고 잘 흐르지 않으며, 낮은 점성의 유체는 얇고 쉽게 흐른다. 공기는 낮은 점성을 가지고 있어 쉽게 흐른다.
점성에 대하여 두 개의 경우를 설명하면 이해하기 쉽다. 비슷한 양의 기름과 물을 같은 경사로에 붓게 되면 두 액체는 점성이 다르므로 물은 자유롭게 흐르지만 기름은 느리게 흐르게 된다. 모든 유체는 점성을 가지며 흐름에 대한 저항을 가진다. 공기의 점성을 쉽게 관찰할 수 없지만 공기는 유체이고 점성을 가지기 때문에, 물체 주위에 흐름에 대해 어느 정도 저항을 가진다.
마찰(Friction)
유체가 물체 위나 주변을 흐를 때 작용하는 또 다른 요인을 마찰이라 한다. 마찰은 표면 위로 물체가 움직일 때 생기는 저항이다. 마찰은 두 개의 물체 사이에 서로 접촉하면서 발생한다.
마찰의 효과는 다음의 사례에서 알 수 있다. 만약 동일한 유체를 같은 경사로에 부으면 같은 속도로 흐를 것이다. 그러나 경사로 표면의 거칠기가 다르다면 흐름의 속도도 달라질 것이다. 거친 표면의 경사로는 표면으로부터의 저항으로 인해(마찰) 유체의 흐름이 방해되어 속도가 느려진다.
날개의 표면도 다른 물체의 표면처럼 어느 정도 거칠어서 공기 흐름에 대한 저항을 초래하고 날개 위의 공기 흐름 속도를 늦춘다. 날개 표면 위를 지나가는 공기는 점성과 마찰로 인해 유체 경계의 아주 좁은 범위에서 속도가 느려지는 영역이 발생한다. 날개 표면 근처의 공기 분자는 마찰과 표면의 거침으로 인하여 흐름이 방해를 받는다.
날개 표면에서 유체 유동 속도의 영향을 받는 분자층을 경계층(boundary layer)이라 한다.
공기의 경계층이 마찰로 속도가 느려지면, 추가적인 공기 흐름은 공기 자체에 붙으려 하는 점성에 의해 저항이 유발된다. 이 두 개의 힘(마찰과 점성)이 날개 위의 공기 흐름을 방해하면서 항력(Drag)으로 작용된다.
압력(Pressure)
압력은 물체의 표면에 수직 방향으로 작용하는 힘이다. 무게는 물체의 표면에 가해지는 것으로 압력의 크기가 측정된다. 유체에 완전하게 담긴 물체는 물체의 전체 표면 주위로 일정하게 압력을 골고루 전달한다. 압력이 가해진 표면의 압력보다 다른 쪽 물체 표면의 압력이 낮아지면, 물체는 압력이 낮은 쪽으로 흐른다. 물체의 한 표면에 가해지는 압력이 다른 표면에 가해지는 압력보다 작아지면, 물체는 낮은 압력의 방향으로 움직인다.
대기압(Atmospheric Pressure)
대기압은 기상 변화에 가장 밀접한 인과관계가 있으며 항공기를 부양(Lift)하게 해주고, 중요한 비행 계기를 작동시킨다. 대기압을 이용하는 계기로는 고도계, 속도계, 승강계, 다기관(manifold) 압력 계기가 있다.
공기는 매우 가볍지만 질량을 가졌기 때문에 중력의 영향을 받으며 다른 물질처럼 무게를 가지고, 무게로 인하여 힘을 가진다. 공기는 유체이기 때문에, 힘은 모든 방향으로 동일하게 가해진다.
무게를 지닌 공기는 물체에 압력을 끼치는데, 이를 대기압이라 한다. 표준 대기 조건에서 해수면의 평균 대기압은 대략 14.70psi 혹은 1,013.2mb가 되고, 고도가 높아질수록 중력의 영향이 적어지므로 단위 체적당 공기의 양은 적어진다. 이러한 이유로, 18,000ft에서 대기의 무게는 해수면에서보다 절반으로 낮아진다.
대기압은 시간과 위치에 따라 다르고 항상 변화하므 로 국제기구에서는 표준대기조건을 설정하였다. 해수 면에서 표준 대기압은 1,013.2mb 혹은 29.92inHg 온 도는 15°C 혹은 59°F가 된다.
표준대기 상태에서 기온은 1,000ft당 약 2°C 혹은 3.5°F씩 감소되며 36,000ft에서부터는 약 -55°C 혹은 -65°F의 기온이 80,000ft까지 일정한 것으로 고려한다. 기압은 1,000ft당 약 1inHg씩 감소한다. ICAO는 이러 한 대기상태를 전 세계 표준으로 설정하고, 이것을 국 제 표준대기(International Standard Atmosphere, ISA) 혹은 ICAO 표준대기로 정하고 있다. 항공기 성능은 표준대 기를 기준으로 비교되고 평가되기 때문에 모든 항공 기 계기는 표준대기로 계산된다.
기압 고도(Pressure Altitude)
기압 고도는 표준 기준면(Standard Datum Plane, SDP)으로부터의 고도이며, 표준 기준면은 대기압이 1,013.2mb(29.92in Hg) 되는 곳의 높이이다. 기압이 변하면 표준 기준면이 낮아지거나 높아질 수 있다.
1.1.3 공기 밀도(Air Density)
밀도고도(Density Altitude)
공기의 밀도는 항공기 성능에 상당한 영향을 미치므로 항공기 성능을 정확히 파악하고 운용하기 위해서는 밀도고도를 알아야 한다. 공기의 밀도가 적어짐에 따라서 항공기 성능이 저하되는 이유는 다음과 같다.
• 동력 – Power(엔진에 적은 공기가 공급되므로)
• 추력 – Thrust(엷은 공기에서 프로펠러 효율의 감소로)
• 양력 – Lift(엷은 공기는 에어포일에 적은 힘을 가하므로)
밀도고도는 기압고도에서 공기의 비표준 온도를 수정한 고도이다.
밀도에 대한 압력의 영향 (Effect of Pressure on Density)
공기는 가스이기 때문에 압축되거나 팽창될 수 있다. 온도가 일정하다고 가정했을 때 공기가 압축되면 공기의 양은 많아지고, 압력이 감소하면 공기는 팽창하여 일정한 공간에 포함되는 공기의 양은 적어진다. 온도가 일정하다고 가정할 때 밀도는 압력에 비례한다. 압력이 두 배가 되면 밀도는 두 배로 높아지고, 압력이 낮아지면 밀도는 감소한다.
밀도에 대한 온도의 영향 (Effect of Temperature on Density)
압력이 일정하다고 가정했을 때 공기 밀도는 기온과 반비례한다. 실제 대기 상태는 고도가 증가함에 따라 기온과 대기압이 같이 감소하여 밀도에 상반되는 영향을 미친다. 하지만 온도의 감소에 따른 공기 밀도의 증가보다 대기압이 감소함에 따라 밀도가 감소하는 양이 많으므로 고도가 증가하면 공기 밀도는 전반적으로 낮아진다.
밀도에 대한 습도/수분의 영향 (Effect of Humidity/Moisture on Density)
지금까지의 설명은 공기가 완전히 건조한 상태를 가정하여 설명하였다. 그러나 실제 대기 상태는 공기보다 가벼운 수증기가 포함되어 있으며, 공기보다 가벼운 수증기는 공기 분자를 대체하므로 습한 공기는 건조한 공기에 비하여 단위 체적당 공기의 양이 적어 밀도가 낮아진다. 그러므로 공기 중에 포함되는 수분이 증가할수록 밀도가 낮아지고 밀도고도는 증가하며, 이에 영향을 받는 항공기의 성능은 떨어진다. 공기가 포함할 수 있는 최대 수증기량의 백분율(percentage)로 하여 대기에 포함된 수증기의 양을 상대습도(Relative Humidity)로 나타내는데, 완벽히 건조한 공기는 0%의 상대습도, 더 이상의 수증기를 포함할 수 없는 공기는 100%의 상대습도로 표시한다. 상대습도는 공기의 온도에 따라 달라지는데, 따뜻한 공기일수록 상대습도가 높다. 상대습도가 높을수록 공기 밀도는 희박하여 항공기 성능은 저하된다.
출처 : 국토교통부 표준교재_비행이론(비행기)