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About Airplane. 2003 A-FEC 비행기 이론세미나 발표자 : 서진원. 모형항공기란 ?. 모형항공기란 사람이 타지 않는 항공기로 크기가 작고 실물 항공기의 형상을 그대로 본 떠서 만든 항공기 또는 취미 차원의 항공기라고 보면 무난할 것 같다 . 국제항공연맹 (FAI) 에서는 놀랍게도 자체중량이 25,000kg 이내이고 엔진행정체적이 250cc 이내이면 모형항공기라고 볼 수 있다고 정의. 모형항공기의 종류. 고정익기와 회전익기
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About Airplane 2003 A-FEC 비행기 이론세미나 발표자 : 서진원
모형항공기란? • 모형항공기란 사람이 타지 않는 항공기로 크기가 작고 실물 항공기의 형상을 그대로 본 떠서 만든 항공기 또는 취미 차원의 항공기라고 보면 무난할 것 같다. • 국제항공연맹(FAI)에서는 놀랍게도 자체중량이 25,000kg 이내이고 엔진행정체적이 250cc 이내이면 모형항공기라고 볼 수 있다고 정의
모형항공기의 종류 • 고정익기와 회전익기 고정익기란 날개가 고정되어 있는 항공기로 보통 비행기로 불리우는 형태이다. 회전익기란 날개가 회전하는 항공기로 대표적인 것이 헬리콥터이고 이외에 자이로콥터와 최근에 등장하고 있는 틸트로터기가 이에 속한다.
기초 물리학 • 1. 뉴튼의 운동법칙 ( 1,2,3 법칙 ) • 2. 질량과 무게 ( W = Mg ) • 3. Work and Power[ W = FS , HP = W(FS) / 550t ] • 4. Vector • 5. Moment • 6. Energy
공기역학 (Aerodynamics) • 공기는 유체에 속한다. 유체는 적절한 압력을 가함으로써 흐름이나 모양을 쉽게 바꿀 수 있다. 액체(liquid)와 가스(gas)는 어떤 상태 하에서는 특성이 같기 때문에 둘 다 유체라고 한다. 액체와 가스는 점성(viscosity) 또는 내부 마찰(internal friction)의 특성이 있으며 가스가 액체보다는 점성이 적다고 볼 수 있다.
공기역학 (Aerodynamics) • 2. Constituents of Air
공기역학 (Aerodynamics) • 3. Standard atmosphere • 대류권 : 지표면에서 약 11km 까지(대류권 계면이라는 곳에 제트기류가 존재, 항공기의 운항에 도움을 준다.) • 성층권 : 지표면에서 약 50km 까지(오존층이 자외성을 흡수) • 중간권 : 지표면에서 약 80km 까지(가장 기온이 낮은 층) • 열 권 : 지표면에서 약 400km 까지 • 극외권 : 열권 위의 고도
공기역학 (Aerodynamics) 4. Density, Temperature, pressure, Humidity • 공기의 밀도(density)는 항공기의 비행성능, 엔진의 출력 등에 대단히 중요한 요소이다. 밀도는 이륙(take-off), 상승률(rate of climb), 최대하중(maximum load), 진대기 속도(true airspeed) 등에 영향을 준다. 따라서 공기의 밀도와 온도, 압력, 습도 상호간의 관계를 이해 하는 것은 대단히 중요하다.
공기역학 (Aerodynamics) • 밀도1/밀도2 = 압력1/압력2 = 온도2/온도1 • 위의 식에서 밀도는 압력에 비례하고, 온도에 반비례 관계에 있다. 즉, 압력이 높을수록 밀도는 증가하고, 압력이 낮을수록 밀도는 감소한다. 또한 밀도는 온도가 높을수록 감소하고, 온도가 낮을수록 증가한다.
공기역학 (Aerodynamics) • 습도의 경우 흔히 수증기(water vapor)는 공기보다 무거울 것 같으나, 공기의 밀도가 0.002378 slug/ft3인데 비해 수증기의 밀도는 0.001476 slug/ft3 으로 공기보다 훨씬 작다. 즉, 공기의 밀도는 습도가 높을수록 밀도가 낮아짐을 알 수 있다. 항공기가 무더운 날씨나 습한날씨에 이륙거리가 길어지는 것은 공기의 밀도가 낮아져서 엔진의 효율과 날개의 양력이 떨어지기 때문이다.
비행기 구조 ( 프로펠러기 구조설명 1 ) • 프로펠러 : 비행기가 앞으로 나가는 추력을 발생시킨다. • 기관 : 엔진을 지칭한다. • 윈드시일드 : 자동차 앞유리에 해당된다. • 도움날개(에어론) : 비행기를 좌나 우로 기울리게 하는 조종장치 (서로 반대로 움직인다.) • 플랩 : 고양력장치로 이륙시나 착륙시에 쓰인다. • 수평 꼬리날개 : 가로축 비행 안정을 유지시켜주는 꼬리날개 • 수직 꼬리날개 : 수직축 비행 안정을 유지시켜주는 꼬리날개
비행기 구조 ( 프로펠러기 구조설명 2 ) • 방향키(라다) : 수직축을 중심으로 비행기를 좌나 우로 방향을 틀어주는 조종면 • 승강키(엘리베이타) : 가로축을 중심으로 비행기를 상승 또는 하강하도록 방향을 틀어주는 조종면 • 트림 탭 : 조종장치가 중립일 때 비행기가 직선비행을 할 수 있도록 미세하게 조종하는 장치 • 착륙장치 : 비행기가 지상에서 있을 때 비행기를 지지해 주는 장치 • 날개 : 비행기가 공중을 날 수 있게 양력을 발생시켜 주는 구조물 • 동체 : 날개를 뺀 나머지 구조물로 날개과 각종 장치가 부착되어 있는 구조물
비행기에 작용하는 힘 (전체 힘) • 1. 추력(Lift) : 항공기에 달린 엔진에 의한 앞으로 나아가려는 힘입니다. 작용 반작용의 법칙에 의한 것이죠 • 2. 항력(Thrust) : 추력의 반대방향으로 작용하는 힘입니다. 공기저항같은 것이 이거죠 • 3.양력(Lift) : 공기와 날개가 만나서 항공기가 위로 뜨게 만드는 힘입니다. 베르누이의 정리! 날개 위아래의 공기의 압력이 달라지면서 생기는 힘 • 4.중력 (Weight) : 지구와 항공기 사이의 중력이죠.뉴턴의 만유인력, 모든 물체는 끌어당긴다!
레이놀즈 수 • 유체의 흐름은 속도에 따라 저속에서는 층류(laminar flow)로, 고속일 때는 난류(turbulent flow)의 흐름 특성을 가진다. 층류란 유체가 나란히 흐트러지지 않고 흐르는 것을 말하고, 난류란 유체가 불규칙하게 뒤섞이어 흐르는 것을 말한다. • 유체의 흐름이 층류에서 난류로 바뀌는 것을 천이(transition)라 하고, 천이가 일어나는 레이놀즈수를 임계레이놀즈수(critical reynolds number)라 한다. 즉, 레이놀즈수가 어느 정도를 넘으면 층류는 난류로 변한다. 레이놀즈 수는 이러한 유체 흐름의 특성을 규정할 때 사용한다.
비행기에 작용하는 힘 ( 베르누의 정리 ) • 1) 정압(static pressure,P) • 유체가 모든 방향에 대하여 같은 크리고 작용하는 유체의 압력 • 2) 동압(dynamc pressure,q) • 유체가 가진 속도에 의하여 생기는 압력, 즉 유체의 흐름을 직각되게 막았을 때 판에 작용하는 압력. • 3)전압(total pressure Pt) • 정압과 동압의 합은 전압으로 전압은 항상 일정하다. • P + q = 일정(전압)위 식이 의미하는 것은 압력(정압)과 속도(동압)는 서로 반비례 한다는 것이다.
비행기에 작용하는 힘 ( 베르누의 정리) • 관내에서 압력(정압 P1)을 측정해 보면 P1 > P3 > P2 와 같다. 즉, 단면적이 작을수록 압력은 작다. • 위 식에서 밀도의 영향을 고려하지 않을 경우, 단면적 2에서 압력이 감소하면 속도가 증가해야 한다. 3의 위치에서는 압력이 다시 올라가고 속도는 감소하기 시작한다. • 즉, 베르누이는 단면적이 다른 관 (벤츄리관 등)을 흐르는 공기는 "속도가 증가하면 압력이 감소하고, 속도가 감소하면 압력이 증가한다."라는 원리를 발견하였다. 이것이 베르누이의 원리이다.
비행기에 작용하는 힘 ( 베르누의 정리 ) • 유체(기체,액체)가 위의그림(Venturi Tube)처럼 면적이 넓은 곳에서 면적이 점차적으로 좁은 곳으로 똑같은 양의 유체가 이동시 속도가 빨라지므로 압력이 감소하고 다시 면적이 점차적으로 녋은 곳으로 똑같은 양의 유체가 이동시 속도가 느려지므로 압력은 증가 합니다
비행기에 작용하는 힘 (양력) 비행기를 뜨게 하는 힘이다.위에서 설명한 것처럼 공기가 날개골(AIRFOIL)을 흐르면서 발생하게 되는데 이 양력은 날개골에 수직하게 발생을 한다.
(1) 평 판 (2) 오목반구 (3) 역 원 뿔 (4) 원형 (5) 글라이더 날개골 위 시험에서 보는 바와 같이 현재 사용되고 있는 글라이더의 날개골 모양이 가장 작은 항력을 받는다. 비행기에 작용하는 힘 ( 항력 )
비행기에 작용하는 힘 ( 전진력 = 추력 ) • 글라이더의 항력을 이기고 앞으로 전진하는 힘으로 중력의 수평성분에 의해 전진력이 발생을 한다.
비행기에 작용하는 힘 ( 중력 ) • 비행기 및 비행자의 무게가 지구 중심으로 작용하는 힘
비행기에 작용하는 힘 • 일반적으로 항공기의 비행속도가 증가하면 항력이 증가하고 엔진에서 낼 수 있는 최대추력도 조금씩 증가한다. ①은 항공기가 수평비행할 수 있는 최소 속도(항공용어로 실속속도라 함)②는 엔진 추력과 항력의 차이, 즉 잉여 추력이 최대인 점으로써 가장 빠르게 상승할 수 있다. • ③에서는 항력과 엔진의 최대 추력이 같은 점이며 이 때 항공기는 최대 수평속도를 갖는다. ③보다 큰 속도에서는 엔진의 추력보다 항력이 더 크므로 상승 및 수평비행이 불가능하고 하강비행만이 가능하다.
앙각 (Angle Of Attack) & 받음각 • 일부 사람들이 앙각(Incidence Angle)과 받음각(Angle of Attack)을 혼동하는 경우가 있는데 앙각은 붙임각이라고도 말하며 동체중심선에 대한 날개의 각도를 뜻한다. 따라서 제작시에 앙각이 결정되어 변화를 주기가 매우 곤란하다. • 그러나 받음각은 비행중에 기체의 자세에 따라 달라지는 각도로 기체의 진행방향에 대한 날개의 각도를 말한다.
익형 (Airfoil) 날개의 단면형을 익형(Airfoil)이라 하는데 1908년 라이트 형제의 비행성공 이후로 수천가지 익형이 개발되고 테스트 되었다. 비행에 있어서 가장 복잡하고 오묘한 특성과 함께 가장 중요한 요소로 작용하는 것이 익형이 아닌가 생각한다. 실물기를 축소한 실물축소기의 경우에는 실물기의 익형을 그대로 사용할 수 없다. 간단히 말해서 실물기의 익형은 레이놀드수가 다르기 때문이다. 대체로 속도가 얇은 익형은 속도가 빠른 기체이며 두꺼운 익형은 속도가 느린 기체에 어울린다. 또한 앞전반경이 작은 익형은 저속특성이 나빠지고 앞전반경이 큰 익형은 저속특성이 좋다.
익형 구조 설명 • 앞전 : 날개골의 앞부분 끝을 말하며 둥근 원호나 뾰족한 쐐기 모양을 하고 있다. • 뒤전 : 날개골의 뒷부분 끝을 말하며 뒤전의 모양은 뾰족한 곡선이나 직선모양을 이루어 날개골이 유선형이 되게 한다. • 시위 : 앞전과 뒷전을 연결하는 직선을 말하며, 시위선이라고도 한다. 시위선의 길이를 C로 표시 한다. • 두께 : 시위선에서 수직선을 그었을 때 윗면과 아래면 사이의 수직거리를 말한다. 가장 두꺼운 곳의 길이를 최대 두께라 하고 두께와 시위선과의 비를 두께비라고 한다. • 평균 캠버선 : 두께의 2등분점을 연결한 선을 말하며, 날개의 휘어진 모양을 나타낸다.
익형 구조 설명 • 캠버 :시위선에서 평균 캠버선까지의 길이를 말하며, 시위선과의 비로 나타낸다. • 앞전 반지름 :앞전에서 평균 캠버선상에 중심을 두고 앞전곡선에 내접하도록 그린 원의 반지름을 말하며, 앞전 모양을 나타낸다. • 윗면과 아래면 :날개골의 위쪽과 아래쪽의 곡면을 말하며, 이들 면을 따라 공기가 흘러간다. • 받음각 :공기 흐름의 속도 방향과 날개골의 시위선이 만드는 사이각을 말하며, 비행자세, 양력 및 항력에 영향을 주는 요소이다. • 최대 두께의 위치 :앞전에서부터 최대 두께까지의 시위선상의 거리를 말하며, 시위선 길이와 비로 나타낸다. • 최대 캠버의 위치 :앞전에서부터 최대 캠버까지의 시위선상의 거리를 말하며 그 거리는 시위선 길이와 비로 나타낸다
익형의 특성 • 캠버의 영향:캠버를 크게 하면 양력이 증가하는 데, 캠버를 크게 해 주는 데는 플랩(Flap)장치가 쓰인다. 캠버를 크게 하면 양력이 커지는 동시에 항력도 증가한다.최대 캠버는 보통 시위의 12~20%에 위치하고, 그 크기는 시위의 2~6% 정도가 된다. • 두께의 영향 :날개의 두께가 얇으면 항력이 작아지고, 또 양력이 작아진다. 두께가 얇은 날개는 고속기에 유리하지만 강도면으로 볼 때에는 불리하다. 저속기에서는 보통 12%의 두께를 가지 날개골이 양력이 최대가 되며, 강도면에서 적당한 두께이기 때문에 많이 사용된다. • 앞전 반지름의 영향 :앞전 반지름이 크면 양력은 커지지만 항력도 커지기 때문에 너무 크게 하면 좋지 않다.날개골은 실속각에서 최대 양력을 얻고, 그 각보다 큰 받음각에서는 양력이 갑자기 감소되고 항력이 현저히 증가한다.
실 속 • "실속". 글자 그대로 속도를 잃는다는 말이다. 비행기가 속도를 잃게 되면 어찌 될 것인가? 당연히 더 이상 공중에 떠있을 수 없게 된다. 수평비행중에 엔진회전을 내려가며 엘리베이터를 조금씩 업시켜 보면 기체는 기수를 위로 치켜든 상태가 된다. 마치 브레이크를 건 것처럼 속도가 떨어지다가 어느 정도 이하의 속도가 되면 기수를 앞으로 급히 숙이면서 축락상태가 된다. 아니면 좌우로 뒤집히는 상태가 될 수도 있다. 이것이 가장 알기쉽게 표현한 실속상태라고 할 수 있다. 이 때의 어느 정도라는 속도를 그 비행기의 최저속도로서 실속속도라고 한다.
