날개 끝이 왜 접혀있나요? - 작은날개 (윙팁)

에어버스 A350의 윙팁. 날개 끝이 구부러져있다.

간혹가다 비행기 창문을 통해 밖을 보면 날개 끝이 구부러져있거나,

조그마한 날개가 달려있는 것을 볼 수 있다.

이번 글에서는 이 조그마한 날개, 윙팁에 대해 알아보도록 하자

 

윙팁(Wing Tip)의 정의는 다음과 같다.

"part of the wing that is most distant from the fuselage  of a fixed wing aircraft"

"고정익 항공기의 동체에서 가장 멀리 떨어진 날개의 일부"

 

또한 윙팁의 핵심 역할은 다음과 같다

" to increase fuel efficiency by reducing drag from wingtip vortices"

"날개끝 와류에 의한 항력을 줄여 연료효율을 증가시키기 위해"

 

위의 문장이 이번글의 핵심내용으로, 이를 풀어설명하면 다음과 같다

비행기에 양력이 발생하는 것에 대해서는 다양한 해석과 설명이 가능하지만,

본질적으로 날개 윗면과 아랫면의 압력차에 의해 위로 뜨려는 힘이

발생한다고 할 수 있다.

 

여기서 위아래의 압력차, 즉 윗면보다 높은 압력을 가진 아랫면의 공기가 

아래 그림과 같이 날개 끝에서 날개 위로 휘말려 올라오려는 흐름이 발생하고,

이는 날개끝에서의 원형 유동으로 이어진다. 

 

날개끝 와동 (출처 : 구글이미지)

 

여기서 이 원형흐름을 날개끝 와류(와동), Wing Tip Vortex라고 한다

 

그렇다면 어떻게 날개끝 와류에 의해 항력이 발생하고, 또 어떻게 윙팁을 통해

이를 줄일 수 있을까? 이는 다음그림을 통해 설명할 수 있다.

 

 

그림의 비행기는 받음각 a로 수평비행을 하고 있는 상태로, 상대풍은 항공기의

진행방향과 나란하게 속도 V로 들어오고 있는 상태이다. 또한 양력은 상대풍에

수직으로 연직 윗방향으로 작용하고 있는 상태이다.

 

여기서 날개끝 와류에 의한 하향흐름, 즉 w에 의해 항공기 날개가 마주하게 되는

유효상대풍은 기존의 속도 V와 w의 벡터합인 V'이 된다.

 

따라서 비행기의 유효한 받음각(Effeftive AOA, ae)은 기존의 받음각 a에서 하향흐름에

의해 줄어든 받음각인 유도받음각(induced AOA, ai) 을 뺀것이 된다

 

또한 양력은 상대풍에 수직방향으로 작용하는 힘으로 상대풍이 V에서 V'으로

바뀌었으므로 양력의 방향도 그림과 같이 뒤로 경사지게 된다.

 

따라서 경사진 양력의 수평성분이 항공기의 진행방향에 반대로 작용하는

항력으로 작용하게 되며, 이 항력을 유도항력, Induced Drag라고 한다

 

여기서 날개끝에 평판을 달아주면, 날개 아랫면에서 윗면으로 휘말려 올라오는

유동을 줄일 수 있고, 이는 날개끝 와류의 세기를 줄여주게 된다.

이를 통해 유동의 하향흐름을 줄이고, 결과적으로 양력축의 기울어짐 또한

줄여 유도항력을 적게 할 수 있다.

 

 

윙팁에 의한 날개끝 와류 감소 (출처 : 구글이미지)

 

  

결론적으로 작은날개, 즉 윙팁은

날개끝 와류를 줄임으로써 양력축의 기울어짐을 줄이고,

이를 통해 유도항력을 줄이기 위한 장치임을 알 수 있다.