에어포일 이론(Airfoil Theory)
에어포일(airfoil)은 항공기가 움직이거나 또는 항공기를 지나가는 공기흐름으로 인하여 발생되는 공기 역학적인 힘(Aerodynamic force)이 날개의 표면에서 반작용을 얻도록 설계된 구조물이다. 공기 역학적인 힘은 공기흐름의 압력과 속도에 따라 다르게 작용한다. 에어포일은 양력을 얻기 위해 설계되었으며 전형적인 에어포일의 단면을 보면(날개의 단면과 같은) 몇 가지 뚜렷한 설계 특징을 볼 수 있는데 에어포일의 윗면과 아랫면의 곡률(camber)이 다르게 되어있다. 윗면의 캠버는 다소 평평한 아랫면보다 뚜렷하게 camber 되어 있다. 에어포일의 앞부분을 앞전(leading edge)이라 하고 뒷부분을 뒷전(trailing edge)이라 하는데 앞부분은 뒷전에 비해 둥글고 뒷전으로 갈수록 좁고 가늘어진다. 에어포일의 앞전과 뒷전을 연결하는 직선을 시위선(chord line)이라 한다. 에어포일의 각 지점에서 시위선으로부터 윗면과 아랫면까지의 길이는 위 캠버와 아래 캠버의 길이를 나타낸다. 평균 캠버선(mean camber line)은 윗면과 아랫면의 길이가 같은 지점을 연결한 선이다. 에어포일은 공기의 움직임으로부터 양력을 만들어 내는 방법으로 고안되었다. 이는 에어포일의 위아래로 흐르는 공기의 흐름과 속도 차이로 발생하는 두 가지 압력을 만들어 낸다. 공기 흐름 속도가 윗면보다 느린 날개의 아랫면에서는 정압(positive) 작용, 날개 윗면에서는 낮아진 압력으로 인한 부압(negative)으로 작용하게 되어 그 압력의 차이로 위로 향하는 양력을 발생시킨다. 에어포일의 윗면은 최대 캠버지점을 지나며 아래로 경사진다. 따라서 윗면을 흐르는 공기 흐름은 최대 캠버지점을 지나면서 아래로 향하게 된다. 아래로 향하는 공기의 힘은 그 반작용으로 위쪽으로 향하게 하는 힘을 발생시키며 이 힘 또한 양력의 발생에 기여하게 된다. 에어포일은 형태에 따라 다른 비행특성을 가진다. 많은 에어포일이 풍동 실험(wind tunnel)과 실제비행에서 시험되었지만, 모든 비행 요구조건을 만족하는 에어포일을 찾지는 못했다. 무게, 속도 등 항공기 사용목적에 따라 에어포일의 모양이 다르다. 많은 양력을 발생시키는 에어포일의 형태는 아랫면이 오목한 혹은 둥글게 파인(scooped out) 형태의 에어포일이다. 그러나 이 에어포일은 양력을 발생시키는 동안 많은 속도를 상실하므로 고속 비행에는 적합하지 않다. 그러나 기술의 발달로 오늘날 고속 항공기에 오목한 에어포일의 높은 양력 특성의 이점을 이용 가능하게 했다. 즉, 고양력 장치인 앞전(Kreuger) 플랩과 뒷전(Fowler) 플랩을 장착하여 이것들을 펼쳤을 때 에어포일 모양이 전형적인 오목한 모양으로 완전히 바뀌게 되어 저속에서 많은 양력을 발생시켜 저속 특성을 좋게 하였다.
에어포일에 작용하는 공기흐름으로 인한 압력의 변화(Air Flow on Airfoil)
날개 윗면의 낮은 압력(Low Pressure Above), 에어포일의 위, 아래 캠버가 같은 대칭형 에어포일이라면 위와 아래를 흐르는 공기의 속도는 같으며 그에 따라 압력변화 또한 같게 된다. 그러나 대칭모양의 에어포일을 아랫면이 직선형태가 되도록 반으로 나눈 형태에서 공기흐름을 생각해 보면 윗면을 흐르는 공기는 에어포일의 아랫면보다 더 빨리 움직일 것이다. 증가된 속도는 에어포일 윗면의 압력을 감소시킨다. 베르누이 원리를 적용하면 에어포일의 윗면을 지나가는 공기 속도의 증가는 압력의 감소를 생성한다. 낮아진 압력으로 인해 양력이 생성된다. 에어포일의 윗면과 아랫면의 압력 차이로 인하여 아래/뒤쪽 흐름은 내리 흐름(down wash)을 생성한다. 내리 흐름은 뒷전에서 에어포일의 아랫면 흐름과 만나며 반작용의 힘으로 위로 향하는 힘이 생긴다. 에어포일의 뒤쪽에서는 아래흐름이 발생되며 에어포일의 앞쪽에서 위쪽흐름(up wash)이 발생한다. 이러한 에어포일의 앞전과 뒷전에서 발생하는 위쪽흐름(up wash)과 내리 흐름(down wash)은 에어포일의 주변에서는 회전력(Circulation force)을 발생시키며 이 회전력은 에어포일 윗면에 흐르는 공기 흐름을 더 빠르게 한다. 날개 아랫면의 높은 압력(High Pressure Below), 양력은 에어포일 아래쪽의 압력이 윗면보다 높을 때 생성된다. 에어포일 아래쪽의 공기흐름은 특히 높은 받음각에서 정압이 이루어진다. 베르누이 원리를 적용하여, 에어포일 아래에서 공기흐름이 느려지는 지점에서 위로 향하는 정압이 생성되며 에어포일 윗면과 아랫면 사이의 압력 차이가 증가하기 때문에 위로 향하는 힘, 곧 양력이 증가한다. 압력 분배(Pressure Distribution), 항공기 설계자들은 풍동실험에서 날개의 받음각 변화에 따라 날개의 표면에 공기가 흐르면서 압력이 대기압보다 낮은 지점과 대기압보다 높은 지점이 있다는 것을 알았다. 날개 윗면과 아랫면의 압력차이로 생기는 힘은, 날개 아랫면으로 흘러 생기는 공기의 내리 흐름(down wash)에 대한 반작용의 힘보다 상대적으로 큰 힘을 발생한다.