보배드림

항공기 동체는 왜 날씬한 허리곡선을 가졌는가?


<F-5 전투기. 허리부분이 잘록한 것이 마치 늘씬한 여인의 허리를 연상하게한다>



면적 법칙 (AREA RULE)이란?

코카콜라의 특징은 병의 모양에서부터 잘 알려져 있다.
여자의 스커트를 입은 모양에서 착안하여 만든 것이다. 항공기의 동체모양도 잘 살펴보면 이와 같이 잘록한 허리를 하고 있음을 볼 수 있다. 어느 항공기나 정면에서 엔진을 보려 하면 엔진이 정면에서 잘 보이지 않는다. 이는 공기흡입구 도관이 휘어져 있기 때문인데 바로 동체의 중앙부분이 잘록해졌기 때문이다.


<F-4 항공기도 전투기 면적 법칙을 적용하여 제작되었다. 공기흡입구 Intake가 매우 크지만 정면에서 엔진을 보기는 쉽지않다. 인테이크 도관이 휘어져있다>

전투기의 잘록한 허리 곡선은 코카콜라의 병처럼 보기 좋게 특징짓기 위해서는 아니다. 초기의 항공기는 이러한 형태가 아닌 일직선 형태였다.

<면적 법칙이 발견되기 이전에 설계된 F-80과 F-86. 이들에게서는 동체의 잘록한 허리가 없는 통짜허리를 가지고있다. 동체를 유선형으로 설계하고 날개를 유선형으로 설계한 후 서로 붙이는 개념이었다.>

<코카콜라의 성공비결에서 날씬한 병모양이 성공에 일조를 한것에 비해 전투기 설계에서 날씬한 허리모양은 초음속 비행에 필수 조건이었다>

이렇게 항공기의 형태를 결정짓는 잘록한 허리의 동체 유선형을 AREA RULE(면적법칙)이라 한다.
초기의 항공기 설계 개념에서는 날개가 유선형이고 동체가 유선형이면 각각이 최소의 항력을 가지므로 최적 방안이라 생각하였다. 그래서 동체는 동체대로 유선형을 만들고, 날개는 날개대로 유선형을 만들어 붙이는 개념이었다.
 그러나 항공기의 속도가 증가하여 천음속 영역대(마하 1 근방)와 초음속 영역(마하 1 이상)을 비행하면서 이러한 개념이 무너졌다. 고속비행을 위해서는 저항을 최소화하는 것이 무엇보다 중요한 요소인데 기존의 개념(동체, 날개 각각 유선형)으로는 저항으로 인해 초음속 비행을 할 수 없었던 것이었다.


<둔하게 생긴 F-4도 가만히 보면 동체부분에 잘록한 허리를 가진 아름다운 몸매를 가지고있다>

1950년대 초 NASA(당시 NACA)에 근무하던 위트콤(WHITCOMB)이 “외부 장착물을 갖는 날개-동체 결함의 형상이 최소 항력을 갖기 위해서는 흐름의 수직인 방향으로 단면적 분포가 최소 항력을 갖는 형상이 될 때 이 물체의 항력이 최소가 된다.”는 AREA RULE 개념을 발표하였다. 부연설명을 위해 그림을 참고하자.


<좌측 그림은 Area Rule을 적용하지않은 상태. 즉 유선형 동체와 유선형 날개를 붙인 그림이다. 그러면 날개와 동체를 합한 면적은 전체적으로 유선형이 되지 못한다.
우측 그림은 유선형 동체에 날개가 장착될 부위를 미리 동체면적을 줄여서 날개를 붙이면 면적의 합이 전체적으로 유선형을 이룬다는 것이다.>

<위의 그림을 그래프로 만든것. 좌측은 기존 설계방식, 우측은 Area Rule을 적용한 방식. 아래그림도 동일한 내용을 설명하고있다.>


위 (좌측)그림에서 동체가 갖는 단면적 분포에 날개의 단면적이 추가되었을 시의 동체 각 부분(STATION)의 면적 분포가 불규칙적임을 알 수 있다. 하지만 AREA RULE을 적용한 (우측)그림에는 날개가 장착될 동체 부분에서 날개의 단면적에 해당하는 부분을 미리 감소시켜 동체-날개가 연결된 후에도 단면적의 분포가 유선형임을 볼 수 있다.
이럴 경우 천음속 영역에서 최소의 공기저항을 가져 쉽게 초음속에 달한다는 원리다. 항공기의 동체를 자세히 살펴보면 대개 잘룩해지는 부분이 날개가 끝나는 부분에서 다시 넓어지는 것을 볼 수 있는데 바로 AREA RULE 원리 때문이다.

AREA RULE의 최초 적용사례

미국의 콘베어사는 델타익 항공기를 만드는 항공 제작사로 유명하였다. 그중 DELTA DAGGER라는 F-102 항공기가 최초의 면적 법칙 적용기로 사용되었다. F-102는 미 공군의 요구로 그 당시 가장 강력한 엔진을 장착하여 고공 초음속 비행을 달성하도록 설계되었으나 1952년 시험비행에서 F-102는 마하 0.95 이상을 낼 수가 없었다. 미 공군은 계약을 취소하려고 하였으며 생산라인이 가동 중인 콘베어사 입장에서는 엄청난 결과를 초래할 것이 자명하였다. 이에 NASA에 자문을 의뢰하여 F-102에 면적 법칙을 적용하게 되었고 사진에서 처럼 가능한 동체의 개조와 날개 후방에 두 개의 커다란 돌출부가 추가되었다. 이러한 수정을 가한 후 F-102는 초음속에 쉽게 달할 수 있었으며 마하 1.2를 쉽게 기록하였다.



<좌측이 Area Rule 적용전이며, 우측이 Area Rule 적용후의 F-102 모습이다>

<우측의 그림과 그래프가 변경된 형상을 설명해주고있으며, 아래 그래프는 개조후에 아이디얼한 전체적인 유선형에 근접함을 설명하고있다. 개조는 날개가 접합된 동체부분과 동체 끝 부분에 면적을 넓히는 부착물을 달았다. 아래 그림도 동일한 설명을 하고있다>


70년대에 제작된 항공기는 쉽게 면적 법칙을 적용한 부분을 확인할 수가 있는데 이후 80년대 생산된 항공기는 면적 법칙을 적용한 모양이 쉽게 나타나지 않는다. 그것은 여러 가지를 조합한 형태로 인해서 인데 날개 위와 아래의 부분을 나누어서 위나 아래 한 부분의 면적을 감소시켜 적용하였기 때문이며 동체를 측면에서 보았을 때 동체의 높이를 조절하여 AREA RULE을 만족시키기도 한다.

<현대의 항공기는 Area Rule 적용이 전방향으로 적용되어 측면으로도 확인이된다.  F-16은 옆에서 봐야 잘록한 허리를 볼수있다>

F-18의 특징으로 주날개와 수평 꼬리날개 사이에 두 개의 경사진 수직 꼬리날개가 장착되어 있는데 이것도 면적분포 곡선에서 나타나는 틈을 메우기 위해서이다.


<F-18의 면적법칙은 수직 꼬리날개를 특징적으로 만들었다>

앞에서 살펴본 대부분은 항공기에 외부 장착물을 장착하지 않은 경우인데 실지로 외부 장착물을 장착하게 되면 면접 법칙의, 많은 부분이 깨지게 된다. 실제로 외부 연료탱크의 경우 연료탱크 용량의 50%가 사실상 연료탱커가 장착됨으로 인해 발생되는 공기저항을 이기는데 사용된다. 다시 말해 F-4 항공기가 600 Gallon 외부 연료탱커를 장착하여 비행거리를 증가시키고자 하였다면 이중 300 갤런은 연료탱커 장착으로 인한 공기저항을 이기는데 사용되며 300 갤런 만이 항속거리를 증가시키는데 사용된다.


<연료 탱크나, 폭탄은 Area Rule 효과를 감소시켜 초음속 비행의 제한이나, 항속거리 제한에 영향을 미친다>

이를 비유하면 각종 외부 연료탱커나 폭탄을 날개의 전후로 달게 되는 델타익의 경우 옆으로 장착하는 일반적인 날개에 비하여 면적 법칙 곡선을 비교적 적게 이탈하게 되어 효율적이라 할 수 있다.
F-5A/B 항공기의 WING TIP FUEL TANK(날개끝 보조 연료탱커)는 고정적으로 장착되어 운영하므로 항공기와 함께 면적 법칙을 만족하는 방법으로 설계되었다. 그래서 일반적인 외부 연료탱커와는 모양이 다소 특이한 형태를 가지고 있다.
그리고 F-15E와 F-16 Blcok 60계열에는 Conformal Fuel Tank(일체형 연료탱크)를 사용하는데, 이것은 Area Rule을 깨지 않고 외부 연료를 추가로 달기위해 고안된 특이한 구조 형태를 가지고있다.

<F-16 Blcok 60동체 상부에는 Area Rule을 만족시키는 일체형 보조연료 탱크(Conformal Fuel Tank)를 장착하고있다>

<F-15E에는 날개와 동체가 연결되는 부분, 사진에서 기총 아래부분에 일체형 연료탱크를 달고있다. F-15E는 일체형 연료탱크에서 무장을 달수있는 Pylon-파일런 장착공간도 제공해준다>

<F-5의 Wing Tip에 장착된 연료탱크는 Area Rule을 충족하기 위해 특이한 형태가 되었다>


<초음속 비행을 하지않는 F-117 같은 경우는 Area Rule이 필요치 않다>

초음속 면적 법칙

초음속으로 비행하는 항공기의 면적 법칙은 여러 가지가 있는데 앞서 설명된 “외부 장착물을 갖는 날개-동체 결합의 형상이 최소 항력을 갖기 위해서는 흐름의 수직인 방향으로 단면적 분포가 최소 항력을 갖는 형상이 될 때 이 물체의 항력이 최소가 된다”는 AREA RULE에서 흐름의 수직방향이 아음속이나 천음속일 때는 한 가지이나 초음속으로 마하 원추(마하콘)가 생기면 흐름의 수직인 면은 수없이 많이 존재한다(아래 그림 참조). 대개 이럴 경우 360도 전체의 평균 면적을 적용하는데 B-1이 등의 항공기가 독특한 기체 곡선을 가지는 이유가 바로 면적 법칙 때문이다.

<B-1의 경우에는 Area Rule을 전방위 각도를 조합하여 컴퓨터 설계한 동체구조이다.>