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Wake turbulence - 1 [Wake turbulence의 특징]

나래훈 2020. 8. 8. 13:53
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비행기가 비행 중일 때 날개에서는 'Wake turbulence'라는 소용돌이 난류를 만들어 냅니다.

 

 

토네이도와 같은 Wake turbulence (영상출처: Aero-Pictures)

 

그리고 이 소용돌이 난류는 작은 비행기에서 만들어 지는 경우는 큰 문제가 없지만 대형 비행기에서 만들어질 때에는 여러가지 문제를 일으키기도 합니다.

 

 

대형기가 만드는 Wake turbulence (사진출처: imgur)

 

 

이번 글에는 이러한 'Wake turbulence의 특징'에 대해 다룰 텐데요, 그 전에 먼저 'Wing tip vortex'에 대해 다시 살펴보는 시간을 갖겠습니다.

 

왜냐하면 Wake turbulence가 결국은 Wing tip vortex(pl.vortices)라고 보아도 무방하기 때문이죠.

 

 

날개 밑면의 높은 압력의 공기가 낮은 압력의 위면으로 치고올라와 Tip vortex가 만들어진다 

 

 

앞서 우리는 '양력의 3차원적 문제'에 관한 글에서 Wing tip vortex에 대해서 살펴 보았습니다.

 

 

 

Wing tip vortex 현상은 날개 윗면과 아랫면의 압력차로 인하여 3차원 공간에서 개방된 날개끝단에서 가로방향의 공기흐름이 나타나는 현상이었으며, 이 때 날개 바깥쪽에서는 Up wash, 날개 안쪽에서는 Down wash 현상이 반복되어 소용돌이 형태의 와류가 만들어 졌습니다.

 

 

Wing tip vortices 도 결국은 Wake turbulence 임 (출처: NATIONAL GEOGRAPHIC)

 

이러한 소용돌이 형태의 와류가 항공기가 지나간 자리에 잔류하면서 다른 항공기에 영향을 미치는 것을 Wake turbulence 라고 부릅니다.

 

따라서 Wake turbulence 는 비행기의 양 쪽 날개에서 시작 되므로 보통 비행기가 지나간 자리에는 아래 그림과 같이 한 쌍의 서로 마주보며 회전하는 원통형 와류가 나타나게 됩니다. 

 

 

FAA AC 90-23G, Figure 1. THE ROLLUP PROCESS

 

이 때 이 원통형 와류는 수 분간 지속되며 천천히 강하하는 양상을 보입니다.

 

 

한 편, 앞에서 살펴본 '비행기에 미치는 힘 - 2'의 글에서는 아래 영상과 같이 Wing tip vortex 가 받음각(AOA)이 커질수록 강하게 생긴다는 것을 알았습니다.

 

<출처: Wingtip vortices #2(YouTube)>

 

이 것은, 즉 Wake turbulence 역시 받음각(AOA)이 커질수록 강해진다고 볼 수 있는 근거가 됩니다.

 

 

이렇듯 Wake turbulence 는 기본적으로 받음각(AOA)이 커질수록 강해지게 됩니다. 그렇다면 비행 중 받음각은 어떤 조건에서 커지게 되는지 한번 생각해 봅시다. 

 

 


 

Wake turbulence 와 받음각(Angle Of Attack)

 

받음각이 커진다는 것은 양력계수(CL)가 커진다는 말과 같습니다. 양력계수가 커지면, 당연히 양력이 증가하게 됩니다.

 

그렇다면 언제 많은 양력을 필요로 하게 될까요?

 

 

1. 바로 무거울 때(Heavy) 입니다.

 

 

출처: boldmethod

                             

비행기가 무겁다는 것은 달리 표현하면 중력(Weight)이 클 때이고, '힘의 평형'을 이루기 위해서는 양력이 증가해야 합니다. 이 때 비행기에서 양력을 증가시킬수 있는 요소는 단 두 가지 입니다.

 

바로 '속도' '받음각' 이죠.

 

그래서 비행기가 항상 똑같은 속도로 날고 있다고 가정하면 가벼울때 보다 무거울 때 더 많은 받음각이 필요하게 됩니다. 그래서 무거울때 Wake turbulence는 커지게 됩니다.

 

 


 

 

다시 비행기가 중력과 양력, 이 두 힘이 평형을 이루고 있는 수평비행 상태를 생각해 봅시다.

 

앞 서 살펴보았 듯 비행 중 양력을 조절할 수 있는 요소는 오직 두가지 입니다. 속도받음각 입니다.

 

그런데 만약 이 상태에서 속도를 줄인다고 가정해 봅시다. 이 때 여전히 중력과 양력이 힘의 평형을 이루어 수평비행을 유지하기 위해서는 어떻게 해야할까요?

 

기수를 들어 받음각을 증가시켜 속도로 줄어든 양력만큼 양력계수로 보상해야 합니다. 

 

 

2. 그래서 느리게 비행할 때(Slow),

 

받음각은 커지고 Wake turbulence 역시 강해지게 되는 것입니다.

 

 

그렇다면 비행기는 언제 느리게 비행을 하게 될까요?

 

 

 

 

이륙(Take-off) 및 상승(Climb), 그리고 착륙(Landing) 할 때를 떠올릴 수 있을 것입니다.

 

 

인용출처: Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge(PHAK, 2016), 5-9p

 

따라서 이 시점에 나타나는 Wake turbulence 는 매우 강력하며 특히 제트여객기와 같은 대형기가 만들어내는 Wake turbulence 를 반드시 주의해야 합니다.

 

 


 

 

그 외에 Wake turbulence 에 영향을 미치는 요소로는 '날개 길이' '비행기의 외장(configuration) 상태'가 있습니다.

 

 

앞서 '양력의 3 차원적 문제'에서 살펴 보았듯이 Wing tip vortex의 강도는 날개 길이(wingspan)가 길수록 약해집니다.

 

 

 

 

따라서 마찬가지로 Wake turbulence의 강도도 비행기의 날개 길이(wingspan)에 반비례 합니다.

 

한편, 플랩(Flap)이나 착륙장치(Landing gear) 등과 같은 비행기의 외장이 Wake turbulence에 영향을 주기도 하는데요,

 

 


 

Wake turbulence 와 비행기의 외장(Configuration)

 

많은 사람들이 궁금해 하는 부분이라, 이 부분은 따로 자세히 살펴보겠습니다.

 

우선 비행기의 외장, 즉, Configuration은 'Clean configuration'과 'Dirty configuration'으로 나눌 수 있습니다.

 

 

여객기(B-707)의 Clean configuration

 

Clean configuration은 플랩과 착륙장치 같은 외장이 모두 펼쳐지지 않고 접혀있는 상태를 말하며,

 

여객기(B-707)의 Dirty configuration

 

Dirty configuration은 플랩과 착륙장치 같은 외장이 완전히 펼쳐친 상태를 말합니다.

 

통상 일반적으로, 비행기가 이러한 외장을 전개하게 되면("Dirty"), 아래 그림과 같이 날개 끝단(wingtip)에서 나타나던 하나의 강한 vortices가 외장의 간섭을 받아 여러개로 쪼개진 다수의 약한 vortices 로 나타나게 됩니다.

 

 

Dirty configuration일 때 vortices의 형태 (출처: AOPA)

 

따라서 "Dirty" 상태에서는 Wake turbulence 또한 빠르게 소산되는 것이 일반적입니다.

 

 

 

Clean configuration일 때 vortices의 형태 (출처: AOPA)

 

반면 외장이 "Clean" 상태일때는 다수로 쪼개져 있던 약한 vortices가 날개 끝단(wingtip)에서 강력한 하나의 vortices로 나타나기 떄문에 Wake turbulence는 오랫동안 지속적으로 영향을 미치게 됩니다.

 

 

 

 

위 영상은 "Dirty"상태일 때와 "Clean"상태일 때 실제로 vortice가 어떻게 나타나게 되는지를 실험한 영상 입니다. 비행기 외장에 의한 Wake turbulence를 이해하는데 참고하시면 좋을것 같습니다.

 

 


 

 

그밖에 간혹 항공기 외장에 의한 Wake turbulence의 영향을 "플랩을 전개하면 AOA가 작아지기 때문에 Wake turbulence가 약해진다"는 식으로 설명하는 것을 종종 듣거나 보게되는데요, 물론 이것은 공식적인 문헌에서 설명하는 방식은 아니며 저 개인적으로도 이렇게 설명하는 것에 대해선 상당히 회의적입니다.

 

 

왜냐하면 날개 형상이 바뀌는 문제이기 때문에 AOA가 줄어도 Wing tip vortices 가 줄어들 것이라는 보장이 없기 때문입니다.

 

 

플랩을 전개한 B-747의 날개, 늘어난 면적으로 인해 델타익(Delta wing)을 방불케 한다

 

플랩이 전개 됨 으로써 vortices가 잘 발생하는 형태의 날개로 바뀔지, 아닐지는 알 수 없습니다. 가령 예를 들면, 플랩 전개로 인해 시위선(Chord line)이 늘어나 날개의 면적이 넓어지면 가로세로비(Aspect ratio)는 오히려 더 작아졌다고도 볼 수 있지 않을까요?

 

똑같은 날개에서 AOA를 비교해야지 형상이 달라진 날개에서 AOA를 비교하여 Wing tip vortices의 강도를 예상하는것에는 문제가 있어 보입니다.

 

그리고 결정적으로 공식자료인 PHAK에서 플랩을 전개하면 '유도항력'이 증가한다고 나옵니다.

 

Flaps are the most common high-lift devices used on aircraft. These surfaces, which are attached to the trailing edge of the wing, increase both lift and induced drag for any given AOA.
(인용출처: PHAK(2016), p6-8)

 

 


 

 

어째든, 이렇게 Wake turbulence가 강해지는 AOA에 의한 조건(HEAVY, SLOW)과 외장상태(CLEAN)의 조건를 묶어서,

 

'HEAVY-SLOW-CLEAN 상태'라고 말합니다.

 

특히 HEAVY-SLOW-CLEAN 상태의 대형 제트 여객기가 만들어 내는 Wake turbulence 는 굉장히 위험합니다. 그리고 HEAVY-SLOW-CLEAN 상태가 굳이 아니더라도, 아무것도 안 실어도 기본적으로 무거운 대형기들이 만들어내는 Wake turbulence는 그 크기가 워낙에 거대하기 때문에 소형 항공기들에게는 특히나 매우 위험합니다.

 

 

 

 

 

그럼, 다음글 2편에서는 이러한 Wake turbulence가 다른 항공기, 특히 소형 항공기에게 어떻게 영향을 줄 수 있는지 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

 

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