에어포일 공기역학
02는 형상만으로는 알 수 없는 것에서 끝났습니다. 양력이 얼마나, 어느 각도에서, 항력을 얼마 내면서 나오고, 어디서 더는 안 통하는지. 그 답은 형상에 없습니다. 점성 계산에서 나오고, 레이놀즈수에 따라 달라집니다. 01에서 속도와 대략의 코드를 물어본 이유입니다.
양력 곡선
받음각에 대해 cl을 그리면 대부분이 직선입니다. 그 직선은 숫자 두 개로 설명됩니다. 0을 지나는 지점이 영양력각이고, 캠버가 정합니다. 대칭 단면은 0에서, NACA 2412는 −2 근처에서 지나야 합니다. 기울기는 얇은날개이론이 라디안당 2π, 도당 약 0.11로 두께나 캠버와 무관하게 같다고 말합니다.
표시된 값으로 둘 다 확인해 보세요. Re 200k에서 영양력각이 −2.02도로, 캠버 2%가 줘야 할 값입니다. 레이놀즈수를 50k까지 내리면 +0.30으로, 0의 반대편으로 넘어갑니다. 양의 받음각을 줘야 비로소 뜬다는 뜻입니다. 곡선이 세로 기준선 오른쪽에서 0을 지나는 게 그림에 보입니다. 캠버는 그대로 있는데 제 값을 못 하고 있습니다.
기울기는 200k에서 도당 0.093으로, 이상값 0.11보다 15%쯤 낮습니다. 그 차이가 경계층입니다. 얇은날개이론은 경계층이 없는 단면을 말하니, 2π는 목표가 아니라 천장입니다. 100k·200k·300k· 500k를 눌러보면 기울기는 거의 움직이지 않습니다. 0.096, 0.093, 0.094, 0.096 — 매번 같은 직선이기 때문입니다. 50k에서는 0.139가 나오는데, 이건 양력 기울기가 아니라 곡선이 제 버블을 지나며 휘는 모습입니다.
폴라 불러오는 중…
50k에서는 영양력 근처 곡선이 직선이 아닙니다. −2와 0 사이가 평평해지다가 다시 가팔라집니다. 그 평평한 구간이 층류 분리 버블입니다. 흐름이 표면에서 떨어졌다가 다시 붙는 동안, 단면은 교과서 속 그것처럼 굴지 않습니다. 코드 20 cm에 15 m/s면 레이놀즈수 200k이니, 작고 느린 폼 비행기는 이 대역에 살고, 거기서 얇은날개이론은 맞는 도구가 아닙니다.
어디서 멈추는가
아무 곡선이나 따라 올라가면 더는 오르지 않는 지점이 나옵니다. 그게 실속이고, 표시된 점이 거기입니다. 2412는 그 지점의 양력이 50k에서 cl 1.15, 500k에서 1.34로 올라가고, 위치도 뒤로 갑니다. 대역 아래쪽에서는 10도, 위쪽에서는 14도입니다. 같은 날개가 얼마나 빨리 나느냐에 따라 다른 각도에서 실속합니다.
표시 지점 뒤로는 선이 점선이 되고, 데이터도 몇 도 안에서 끝납니다. 어떤 폴라는 표시 지점에서 바로 끝나 점선이 아예 없습니다. 전부 의도한 것입니다. XFOIL은 경계층을 푸는데, 흐름이 본격적으로 떨어지고 나면 수렴은 하되 의미 없는 값을 내놓습니다. 원본 캠페인에는 양력이 두 배가 되면서 항력이 무너지는 점들이 있습니다. 점선 구간은 “이쯤에서 실속한다” 정도로만 읽으시고, 그보다 정밀하게 읽지 마세요.
항력 폴라
항력은 얼마나 오래 떠 있을지를 정하는 쪽입니다. 받음각 대신 양력에 대해 그리면 양동이 모양이 나옵니다. 항력이 가장 낮은 바닥, 그리고 양끝에서 올라가는 벽. 양동이 바닥에서 나는 게 효율적으로 나는 것입니다.
폴라 불러오는 중…
2412에서 레이놀즈수를 하나씩 눌러보면서 최대 양항비를 읽어보세요. 50k에서 32.2, 200k에서 66.7, 500k에서 88.1입니다. 단면은 아무것도 바뀌지 않았습니다. 같은 형상이 이 대역 위쪽에서는 아래쪽보다 거의 세 배 잘 나는 글라이더입니다. 이 페이지에서 가장 쓸모 있는 사실이 이것입니다. 코드와 속도가 레이놀즈수이고, 레이놀즈수가 성능입니다.
하나 고르기
이제 실제로 날릴 레이놀즈수에서 단면끼리 비교해 보세요. 먼저 두께로 2408 · 2412 · 4415. 얇은 쪽이 낮은 양력에서 항력이 적고 위쪽에서 더 일찍 포기합니다. 2408은 cd 0.0086까지 내려가는데 2412는 0.0098이고, 대신 2408은 cl 1.07에서 실속하는 반면 4415는 1.40까지 갑니다. 다음은 캠버로 0012 · 2412 · 4412. 캠버는 실속 시 양력을 사 옵니다. 셋이 각각 1.08, 1.28, 1.37이고, 양동이도 실제 순항할 만한 양력 쪽으로 옮겨갑니다. 공짜는 아닙니다. cl 0에서 대칭 단면은 0.0102, 4412는 0.0165로 60% 더 듭니다. 순서가 뒤집히는 지점은 cl 0.35쯤이라, 그보다 낮은 양력으로 순항하는 기체는 쓰지도 않는 캠버 값을 치르는 셈입니다.
가장 좋은 단면은 없고, 요구조건에 맞는 단면이 있을 뿐입니다. 01이 그걸 위한 단계였습니다. 느리게 떠 있는 기체와 빠른 기체는 이 트레이드의 반대쪽 끝을 원합니다. 여기 숫자들은 지난번 기체가 쓴 걸 그대로 베끼는 대신 어느 쪽인지 따질 근거입니다.
이것이 아닌 것
이건 XFOIL 결과이지 풍동 측정이 아닙니다. XFOIL은 부착류에 강하고 그 용도로 널리 쓰이지만 어디까지나 모델입니다. 낮은 레이놀즈수에서 최대 양력을 높게 잡고, 천이 설정에 민감하며 (여기서는 표준값인 Ncrit 9로 돌렸습니다), 실속 이후로는 현실을 전혀 설명하지 못합니다. 기울기와 양동이는 믿을 만한 것으로, 최대 양력은 근사로, 점선 구간은 경고로 읽으세요.
그리고 이 페이지의 모든 것은 2차원, 곧 무한 스팬의 단면 이야기입니다. 실제 날개는 그렇지 않습니다. 3차원이 이 숫자들을 어떻게 바꾸는지가 04입니다.