개념 한 쪽
날개 평면 형상은 종횡비와 후퇴각 등으로 유도항력과 임계마하수에 큰 영향을 준다는 점을 중심으로 출제된다. 문제는 종횡비 계산, 유도항력 공식 적용, 후퇴각이 임계마하수에 미치는 물리적 이유 등을 묻는다.
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출제기준 단원 「날개 평면 형상」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 후퇴각과 임계마하수 이유 판단 | 1 | 후퇴각이 임계마하수를 올리는 물리적 이유를 고르기 |
| 4자 계열 날개골 특징 판별 | 1 | NACA 4자 계열의 특징 중 틀린 설명을 가림 |
| 유도항력 성질 설명 선택 | 1 | 유도항력의 발생 조건과 성질 중 옳은 진술을 고름 |
유도항력은 양력을 만들 때 부수적으로 발생하는 항력으로 날개끝에서 생기는 익단 와류 때문이라고 설명한다. 타원형 양력분포를 가정한 이상적인 경우 유도항력계수는 CDi = CL²/(π·AR·e) 또는 타원날개 단순형에서는 CDi = CL²/(π·AR)로 표현된다고 정리한다. 여기서 AR은 종횡비로 날개폭의 제곱을 날개면적으로 나눈 값(AR = b²/S)이라고 설명한다.
종횡비가 클수록 같은 CL에서 유도항력계수가 작아진다고 밝힌다. 따라서 같은 양력을 얻는 조건에서 종횡비를 키우면 유도항력 감소가 기대된다고 정리한다. 유도항력 문제는 먼저 면적과 AR을 계산한 뒤 공식을 대입하는 2단계 해법을 고정 패턴으로 삼아야 한다고 조언한다.
날개의 후퇴각은 시위 직각 방향으로 작용하는 유효 속도를 V·cosΛ로 줄여 날개가 실제로 느끼는 국부 마하수를 감소시키므로 임계마하수가 상승한다고 설명한다. 이 논리로 후퇴각이 클수록 충격파 발생 시점이 늦어지는 이유가 되므로 임계마하수가 올라간다고 정리한다.
평면 형상 관련하여 NACA 4자 계열 등 공기역학적 형상 설명도 출제되며, 4자 계열은 두께 증가에 따라 앞전 반지름이 커지고 실속각과 최대 양력계수가 변동한다고 서술한다. 지나치게 얇은 앞전은 반대로 항력을 키울 수 있으므로 '얇을수록 항력이 작다'는 일반화는 틀리다고 지적한다.
박판 이론 관점의 양력계수 표현도 빈번하게 출제되며, 얇은 판에 대해 CL = 2π sin α로 표현되고 작은 받음각에서는 sin α ≈ α이므로 CL ≈ 2πα로 근사할 수 있다고 정리한다. 공기력 중심은 받음각 변화에 대해 피칭 모멘트가 거의 일정하게 유지되는 점으로 정의된다고 덧붙인다.
타원날개 예제는 AR 계산을 먼저 수행한 뒤 CDi 공식을 적용하는 방법을 따른다. 예컨대 폭 20 m, 평균시위 2 m인 경우 면적 S = 40 m², AR = 20²/40 = 10으로 구하고 CL = 0.7을 대입하면 CDi ≈ 0.49/(π·10) ≈ 0.016이 된다고 풀이한다. 유도항력 감소와 관련한 보기들은 CDi 식의 분자·분모 증감 효과를 대입해 소거하는 방식으로 접근하라고 권한다.
후퇴각 관련 설문은 '유효 속도가 V·cosΛ로 줄어들어 국부 마하수가 낮아진다'는 물리적 설명을 핵심으로 답을 구성하라고 제시한다. NACA 4자 계열의 특징 문제는 앞전 반지름·두께·캠버 범위와 항력의 관계를 대조해 옳지 않은 진술을 골라야 한다고 안내한다.
날개의 후퇴각을 크게하면 임계마하수를 높일 수 있다. 그이유로 가장 올바른 것은?
정답 ④ · 날개의 후퇴각을 크게하면 날개에 미치는 공기의 유속은 크게 두 가지 방향(날개 직각 방향과 날개 시위 평행 방향)으로 분해됩니다. 이때 양력 발생에 직접적인 영향을 미치는 날개 직각 방향의 유효 속도가 전체 비행 속도보다 작아지므로, 항공기의 비행 마하수가 임계 마하수에 도달하더라도 날개 자체의 국부 마하수는 그보다 낮게 유지됩니다.
후퇴각이 있으면 시위 직각방향 유효속도가 V·cosΛ로 줄어 국부 마하수가 낮아져 임계마하수가 올라간다.
4자 계열 날개골의 특징이 아닌 것은?
정답 ④ · 4자 계열 날개골은 두께가 두꺼워질수록 앞전 반지름이 커져 실속각과 최대 양력 계수가 증가하는 특징이 있습니다. 하지만 두께가 15~18% 이상이면 큰 받음각에서 최대 양력 계수가 떨어지며, 캠버의 실용 범위는 약 4%입니다.
4자 계열 날개골은 두께가 얇으면 앞전이 뾰족해져 항력이 커지므로 '얇을수록 항력이 작다'는 틀린 특징이다.
유도항력(induced drag)계수에 대한 설명 중 가장 올바른 것은?
정답 ① · 유도항력계수의 특성에 대한 올바른 설명을 고르는 문제이다. 유도항력계수는 CDi = CL²/(π·AR·e)로 양력계수의 제곱에 비례하므로, 양력이 발생하지 않으면 CL = 0이 되어 유도항력도 존재하지 않는다.
유도항력은 양력의 부산물이므로 양력이 발생하지 않으면(CL=0) 유도항력도 존재하지 않는다.
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