깨끗한 공기 흐름

잡지에 실린 글을 번역해봤습니다.

꽤 오래전에 읽었었는데 정보공유 차원에서 공유해드립니다.

국내에서는 유럽처럼 시승할 기회가 없습니다.

테크니컬 데이터를 활용하면 글라이더를 어느정도 판단할수있는 자료를 만들 수 있습니다.

이러한 글라이더 이해도를 통해 자신이 원하는 스타일의 글라이더를 찾아보는것도 재밌는 방법 중 하나입니다.

※ 이 자료가 모든 성능을 대변하진 않습니다. 2차적인 판단 과정이라 생각해주세요.

왜 어떤 조건에서는 더 높은 종횡비의 날개가 더 잘오르는 반면 아닐 때도 있을까요?

표면적이 정말 중요한가요? 패러글라이딩 설계에서 진실은 종종 출시 당시 친구들로부터 들을 수 있는 단정적인 주장이나 추측보다 더 복잡합니다..

글라이더 디자인이란 균형을 잡는 일입니다.

날개 디자이너는 위태롭고 상충되는 특성을 저울질하고, 매 단계마다 무수히 많은 선택을 하며, 무게와 예산에 맞는 성능을 갖춘 제품을 제공하기 위해 줄타기를 하고, 위태롭고 상충되는 특성을 저울질합니다.

하지만 이륙을 위해 양력을 이용하면 작동 방식에 대한 많은 오해 중 하나를 들을 수 있습니다.

노바의 디자인 및 개발 책임자이자 기계 엔지니어인 필립 메디쿠스와 함께 이러한 궁금증을 해소하고 날개 디자인의 매혹적인 세계에 대해 조금 더 자세히 알아보고자 합니다.

항력

항력이 증가하면 활공 비율이 감소합니다. 항력은 양력에 수직인 힘으로, 이동 방향과 반대쪽을 향합니다.

일반적으로 항력을 설명하는 사람은 항력을 기생항력과 유도항력의 두 가지 범주로 나누고 하나의 차트에 두 가지를 모두 표시한 후 이를 끝으로 설명합니다.

일반적으로 항력을 설명하는 사람은 항력을 유해항력과 유도항력의 두 가지 범주로 나누고 하나의 차트에 두 가지를 모두 표시한 후 이를 끝으로 설명합니다.

유해 항력은 바람직하지 않거나 도움이 되지 않는 방식으로 물체 주변의 유체(이 경우 공기)를 이동시키는 데 필요한 힘입니다. 이 에너지는 낭비되므로 다른 곳에 사용할 수 없습니다.

필립은 흥미롭게도 일부 독일 문헌에는 양력을 발생시키는 표면이 포함되어 있지 않은 반면, 제가 알고 있는 정의에는 포함되어 있다고 조언합니다. 더 세분화된 정의가 있지만 저희 범위 밖의 이야기입니다.

반면 유도 항력은 양력의 부산물입니다. 이는 공기 속도에 따라 기하급수적으로 감소하며, 주어진 양력 계수인 CL(표면당 양력의 척도)에 대해 종횡비인 AR에 따라 선형적으로 감소합니다.

주로 날개 위쪽과 아래쪽 표면의 압력 차이로 인해 발생하는데, 전자는 대기압보다 낮고 후자는 대기압보다 높습니다.

시스템은 평형을 추구하기 때문에 높은 압력은 날개 끝에서 낮은 압력 쪽으로 이동하려고 합니다.

진행하면서 소용돌이를 만듭니다. 또한 날개 위쪽의 공기는 안쪽으로 향하여 중앙에 가까워질수록 점점 줄어들고 아래쪽은 바깥쪽으로 향하여 끝부분에서 증가합니다. 움직임의 정도는 주로 평면 종횡비와 양력 분포에 따라 달라진다고 필립은 설명했습니다. 이 공기역학적 춤은 양력의 결과이기 때문에 항력을 유도합니다(그림 1).

(그림1) : 날개 끝의 유도 항력은 풍속에 따라 기하급수적으로 증가하고 종횡비에 따라 선형적으로 감소합니다.

날개끝의 소용돌이는 받음각에 따라 증가합니다.

사진은 브레이크를 적용한 노바의 프로토타입을 보여주는데, 이 경우 날개 끝 소용돌이가 잘 보입니다.

이제 결합된 드래그 그래프(그림 2)를 살펴 보겠습니다.

유해 항력과 유도 항력을 더한 총 항력이 가장 낮은 공기 속도가 어디인지 더 명확하게 알 수 있습니다.

이는 정지된 공기에서 가장 잘 미끄러지는 속도이며, 최신 글라이더에서는 일반적으로 브레이크를 잡지 않은 상태입니다.

날개의 장력에 대한 논의는 효율성과 같은 의미가 되었으며, 그 이유는 명확합니다. 느슨한 날개는 팽창으로 인해 더 많은 항력을 발생시키고, 기하학적 응집력 떨어지며, 더 많은 주름이 생기게 됩니다. 또한 리딩엣지 근처에서 흐름이 분리됩니다. 이러한 이유로, 2라이저과 2.5라이저 글라이더가 매력적인 선택이 됩니다.

(날개가 충분히 팽팽하지 않고 느슨할 때, 공기 흐름이 날개를 팽창시켜 항력을 증가시킨다는 의미.)

날개하중

날개 하중은 "모든 것을 포함한 무게"를 투영 면적으로 나눈 값이며, kg/m²로 측정됩니다. 이는 일반적으로 EN-B 날개의 경우 낮은 3대에서 높은 4대 범위까지 다양합니다, 그리고 종횡비(aspect ratio)가 높아질수록 증가합니다.

"일반적인 규칙으로, 종횡비가 높아질수록 합리적인 무게 범위는 좁아진다"고 필립이 말했습니다.

그는 또한 날개가 어떻게 작동할지 결정할 때 무게 범위보다 이 지표가 더 도움이 된다고 생각하며 "무게 범위는 임의적이므로 그 대신 날개 하중에 대해 이야기하고 그 편차에 대해 이야기해야 합니다."라고 말했습니다.

(역자 해석: 날개 하중은 날개가 공중에서 어떻게 동작할지 이해하는데 도움을 주며, 무게범위보다 더 정확한 정보를 제공할 수 도 있습니다.)

물론, 범위가 유용한 것은 사실이지만, 그가 말한 것처럼 특정 날개 클래스 내에서의 임의성에 대해서는 옳습니다. 무게 범위 숫자가 거의 항상 아주 예쁜 0이나 5로 끝나는 것을 주목하세요. 무게 범위의 상한선은 대상 조종사 그룹의 기대, 회사의 명성(더 온순하거나 역동적인 글라이더를 생산하는 것으로 알려진), 그리고 안전성보다는 덜한 것들의 기능입니다. 대부분의 글라이더는 더 높은 하중에서도 의도된 등급을 통과할 것입니다.

(역자 해석: 무게범위 상한선이 항상 안전한 지표는 아니다. 무게범위의 숫자가 0이나 5로 깔끔하게 끝나는 것에서 볼 수 있는 임의성 때문이다. 날개를 선택할 때 고려해야할점은 단순한 안전성을 넘어서 제조사의 명성, 대상 파일럿 그룹의 기대성 등 다양한 지표에 영향을 받음.)

비슷한 종횡비의 글라이더 두 대를 비교하면 하중이 더 큰 글라이더가 더 역동적으로 작동하고 더 빨리 날지만 더 빨리 가라앉습니다.

(그림3)

높은 EN-B 글라이더의 표 (그림 3)에서 날개 하중이 얼마나 변화하는지 확인할 수 있습니다. 균형과 조건에 따라 달라집니다. 동일한 글라이더의 크기 사이에서도 일반적으로 날개 하중이 어떻게 변화하는지 주목하세요.

흔히 오해하는 것 중 하나는 가로 세로 비율이 높은 글라이더가 가로 세로 비율이 낮은 날개보다 더 잘 오른다는 것입니다. 이 주장은 더 나은 것이 더 작은 원(낮은 종횡비에 유리), 더 높은 CL(높은 종횡비에 유리) 또는 더 낮은 싱크율(거의 동일)을 의미하는지 정의하지 않으며, 일반적으로 주어진 종횡비를 조종하는 파일럿의 기술을 고려하지 않습니다.

싱크율과 상승 성능에 영향을 미치는 것은 하중입니다.

정지 상태의 활공 비율에 영향을 미치지 않는 한쪽 날개의 하중을 비교하면, 하중이 10% 감소하면 싱크율이 약 5% 감소하는 것과 같습니다.

이는 작은(일반적으로 10kg 미만) 무게 변화에 대한 일반적인 규칙입니다.

따라서 100kg으로 비행하고 1m/s로 가라앉는다면 90kg으로 비행하면 0.95m/s로 가라앉게 됩니다. 이는 상당한 장점이지만, 그에 상응하는 낮은 비행 속도(따라서 어느 정도 안전)와 안정성 및 제어 응답성 저하라는 단점이 있습니다. 실제 환경에서는 경량 날개의 유용성이 제한되는 경우가 많습니다.

다른 모든 조건이 동일할 때 상승이 매우 약할 때는 종횡비가 높은 날개가 더 뛰어납니다.

필립은 이렇게 설명합니다: "고종횡비 날개는 CL이 더 높은데, 이는 고종횡비 날개가 높은 받음각에서 더 좋다는 말과 비슷합니다(높은 CL은 곱하기 때문에 주어진 받음각에서 더 많은 상승을 의미합니다).

이는 주어진 크기에서 높은 종횡비 날개가 낮은 공기 속도에서 더 좋다는 말과 같습니다(높은 받음각은 낮은 공기 속도를 유발하고 높은 종횡비 날개는 유도 저항이 더 낮습니다)."

가로 세로 비율이 높은 날개가 빨리 날기 때문에 이 말이 맞지 않는다고 주장할 수도 있지만, 속도는 글라이더에 따라 상대적입니다.

따라서 가로 세로 비율이 높은 날개를 날릴 때는 천천히 상승하고, 가로 세로 비율이 낮은 날개를 날릴 때는 그 반대입니다.

좁은 써멀 환경은 낮은 종횡비 글라이더의 좁은 회전 반경에 유리하지만, 항상 그런 것은 아닙니다. 고종횡비 글라이더가 저종횡비 글라이더를 앞지르는 것을 목격했다면 조종사를 생각해 보세요. 숙련된 조종사는 제 날개와 상관없이 저를 앞지릅니다.

다른 연구에서도 알 수 있듯이 최고의 파일럿(호노린 하마드와 마우러)은 다른 파일럿보다 훨씬 더 좁은 선회 반경을 그리는 경향이 있습니다.

▲초급

프로그레스2 (EN-A)와 같은 초급자용 글라이더는 종횡비가 낮고(4.68) 아크가 낮습니다.

따라서 다루기 쉽고 예측 가능하며 초보 파일럿에게 적합합니다.

▲중급

에덴7, 종횡비 6.06.

종횡비가 높을수록 날개 하중이 커지고 동적 붕괴 및 실속 동작이 더 심해진다는 단점이 있습니다. 짧은 코드와 긴 스팬은 더 높은 파일럿 기술을 요구합니다.

그 결과 대부분의 주말 파일럿을 타겟으로한 EN-B 글라이더는, 우수한 성능과 쉬운 핸들링의 균형이 잡혀있습니다.

▲고급

마구스, 종횡비 6.7.

드래그를 줄이려면 디자이너는 스팬을 늘리고 코드를 줄이면 종횡비가 증가합니다.

그 결과 비행에 더 많은 주의가 필요하지만 더 멀리 날아가는 글라이더가 탄생했습니다.

표면적

표면적이 넓으면 양력이 커지겠죠? 더 많은 표면적은 더 많은 양력을 의미하겠죠? 종횡비가 높은 날개는 이차 함수인 속도 증가를 통해 더 많은 양력을 생성하지만, 종횡비가 낮은 날개는 하중이 적기 때문에 더 잘 올라갈 수 있습니다. 기술과 사용 사례를 고려하면 이 이야기는 금세 논쟁의 여지가 없어집니다.

글라이더의 사이즈가 다르다고 해서 큰 차이가 나는 것은 아니며, 이는 주로 대회 및 장거리 비행을 하는 파일럿의 영역입니다.

대회에서 밸러스트를 사용하는 추세도 민첩성을 선호하는 추세로 바뀌고 있습니다.

대신 무게 목표를 쉽고 안정적으로 달성할 수 있는지, 크기가 비행 스타일과 조건에 어떤 영향을 미치는지에 초점을 맞춰야 합니다.

예를 들어 하이킹 및 비행을 즐기는 파일럿이라면 밸러스트가 없는 작은 기체를 선택할 것입니다.

이에 대해 필립은 이렇게 말했습니다: "무게추가 있는 것보다 없는 것이 비틀거리는 것이 낫습니다. 저는 모든 레저용 파일럿에게 추가 무게를 싣고 비행하는 것을 권장하지 않습니다."

양력과 항력은 크기에 따라 조금씩 변하지만 초기 값은 글라이더 선택에 따라 크게 설정됩니다. 따라서 날개 하중이 동일하게 유지되는 경우(예: 밸러스트를 싣고 있거나 더 무거운 하네스를 비행하는 경우) 한 사이즈 더 크게 하면 스팬이 약간만 증가합니다.

예를 들어, 천의 주름은 글라이더의 크기와 상관없이 같은 크기이므로, 더 큰 글라이더에서는 그것이 드래그에 기여하는 비율이 더 작아진다고 필립이 제안했습니다. 라인과 파일럿의 드래그는 선형적으로 확대되지 않아, 더 큰 날개에 약간의 우위를 제공합니다. 물론, 대신에 볼라스트를 이용한 비행, 포장 시의 무게와 부피 증가, 더 큰 회전, 혹은 가벼운 로딩 등의 트레이드오프가 있습니다.

(의역 : 글라이더가 크기가 커질수록, 날개 원단의 주름과 같은 요소들이 항력에 미치는 영향이 줄어든다, 또한 산줄과 파일럿의 항력은 선형적으로 확대되지 않기 때문에 크기가 큰 글라이더가 약간의 더 이점을 가질 수있다. 하지만 큰 글라이더는 발라스트, 무게 및 부피증가, 더 큰 회전 반경 등의 단점이 있다.)

종횡비

종횡비는 "스팬(날개폭)을 제곱한 값을 넓이(면적)로 나눈 값"입니다.

평면 또는 투영적 종횡비(projected a.r.) - 각각 날개를 바닥에 평평하게 놓았을 때와 완벽하게 평행한 빛원에서 날개의 부풀린 그림자를 측정한 것을 의미하며, 이는 단위가 없는 숫자입니다.

플랫의 경우 약 5에서 8 사이이며, 이는 다양한 특성에 영향을 미칩니다.

날개는 스팬을 늘리면 항력을 줄이고, 코드를 줄이면 유해항력을 줄이도록 최적화되며, 둘 다 종횡비를 증가시킵니다.

앞서 언급했듯이 유도 항력은 종횡비와 반비례 관계에 있습니다. 실제로 이론적으로 무한한 길이를 가진 날개는 공기가 날개 끝을 돌 수 없기 때문에 유도 항력이 없을 것입니다. 이 때문에 종횡비가 높은 날개가 더 멀리 활공합니다. 양력의 대부분은 상단 표면에서 발생하며, 그 양력의 대부분은 리딩 엣지 바로 뒤에 있습니다.

그림 4: 압력 분포

날개의 양력은 대부분 이미지에서 파란색 띠가 있는 앞쪽 가장자리 바로 뒤에 있습니다. 나머지는 항력 감소로 전환됩니다.

그림은 압력 분포를 보여줍니다(그림 4).

나머지 포일 모양은 양력에 기여하지만 항력 감소로 전환되며 특히 패러글라이더의 경우 안정성을 제공합니다.

바닥면은 내부 구조가 노출되지 않아 항력 감소에 도움이 됩니다.

종횡비가 높을 때의 단점은 명백합니다. 날개 하중이 현저히 높으면 더 많은 동적 붕괴와 유동성 정지 현상을 유발하지만, 빈도는 덜 합니다.

패러글라이더에서 짧은 코드 길이와 긴 폭은 뱀처럼 꼬이는 경향을 제어하기 위해 더 높은 조종사의 기술을 요구하며, 이는 패러글라이더의 기동성을 떨어뜨립니다.

세 번째로, 지상 조작이 부족해서 이륙을 잘못하게 되면 바보처럼 보입니다. 2021년 패러글라이딩 세계 챔피언 러셀 오그덴이 말했듯이, "종횡비를 속일 수는 없습니다.“

패러글라이딩에서 흔히 저지르는 실수 중 하나는 종횡비를 쫓는 것입니다. 모든 것에는 조종사의 현재 능력과 균형을 맞추어야 하며, 그들의 야망이 아닙니다. 저도 마찬가지로 제 조언을 따라야 합니다.

윙 아크

(그림5) 날개 아크가 글라이더 동작에 미치는 영향. 예를 들어, 더 평평한 아크는 더 나은 활공을 제공합니다.

그래프는 다양한 EN-C 글라이더의 날개 아크의 양을 보여줍니다. 숫자가 낮을수록 아크가 높다는 뜻입니다.

날개의 호(아크, 익형)는 많은 것들을 결정합니다. 팽창, 뱅크턴 상승 성능, 붕괴 경향성, 활공능력에 이르기까지 아크에 영향을 받습니다.

표(그림 5)를 참조하세요. 하지만, 이 모든 것은 양력의 방향과 관련이 있습니다.

양력은 이동 방향과 수직이며 주어진 단면(예: 리브)과 같은 평면에 있음을 기억하세요. 따라서 양력은 반드시 위쪽을 향할 필요는 없습니다. 따라서, 날개가 곡률을 가질 때, 폭 방향의 양력 방향이 변하고 더 수평적이 됩니다. 곡률은 항력에 미미한 영향을 줍니다.

상대적으로 높은 아크를 가진 글라이더의 목표는 폭 방향의 양력을 더 이상적인 방식으로 감소시키는 것이었습니다. 각 리브는 특정 받음각, CL(양력계수), 그리고 양력을 가집니다. 예를 들어 타원형과 같은 특정 스팬별 양력 분포를 원하지만, 유도 항력을 증가시키는 날개끝에 너무 많은 양력을 원하지 않습니다.

아크가 높은 날개의 이점은 전체 속도 범위에 걸쳐 이상적인 양력 분포에 가까워질 수 있다는 것입니다.

평평한 날개는 위쪽을 향한 양력이 더 많지만, 폭 방향의 장력이 적어 더 "흔들리는" 경향이 있고 민첩성이 떨어지지만, 활공에는 더 우수합니다.

더 둥근 날개는 폭 방향의 장력이 더 많아 주어진 셀 폭에서 부풀어 오르기가 덜하지만, 활공 성능이 떨어집니다.

특정 범위 내에서 이러한 타협은 제로섬 게임이며, 그리고 대부분 회사 이미지나 디자인 선택, 주어진 조건의 변동성을 감안할 때, 완전한 성능보다는 조종사의 비행 스타일과 더 관련이 있다고 언급했습니다.

이 비율, 즉 투영 면적 대 평면 면적 비율은 일반적으로 EN-B 날개에 대해 0.84에서 0.86 사이입니다.

라운드아크와 플랫아크의 비교

어떤것이 더 뛰어나고 좋다고 말할 수 없습니다.

I want it all

우리는 한 번에 하나의 날개만 날 수 있습니다. 그렇다면 어떻게 해야 할까요?

모호하지만 시험되고 검증된 조언은 여전히 유효합니다: 당신이 비행하는 조건, 당신의 스타일, 유지하는 기술과 현재 능력, 그리고 어떻게 이륙지점에 도달하는지를 고려하여 최적의 균형을 선택하세요.

어떤 날개 구성도 모든 상황에 완벽하지 않으며, 항상 타협이 이루어집니다.