단엽기
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1. 개요
단엽기는 날개가 하나인 항공기를 의미하며, 효율적인 구조를 위해 날개 내부에 힘을 전달하는 캔틸레버 날개를 사용하거나 외부 버팀대를 사용한다. 날개는 동체에 부착되는 위치에 따라 저익기, 중익기, 고익기, 파라솔익기로 분류된다. 초기 항공기는 복엽기가 주류였으나, 1930년대 이후 금속 구조와 엔진 기술 발전으로 단엽기가 대세가 되었으며, 현대의 고속 항공기는 모두 단엽기이다.
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단엽기 | |
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개요 | |
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정의 | 주날개가 단 한 쌍으로 구성된 고정익기 |
분류 | 날개 위치: 고익기, 중익기, 저익기, 파라솔 날개 날개 형태: 직사각형 날개, 테이퍼 날개, 타원 날개, 델타 날개, 스위프 백 날개 |
날개 위치에 따른 분류 | |
고익기 | 날개가 동체 상부에 위치 |
중익기 | 날개가 동체 중앙에 위치 |
저익기 | 날개가 동체 하부에 위치 |
파라솔 날개 | 날개가 동체 위로 솟아오른 형태 |
장점 | |
구조적 강도 | 날개와 동체 연결 부위의 단순화로 구조적 강도 증가 |
무게 감소 | 날개 지지용 스트럿 불필요 |
공기역학적 효율성 | 날개와 동체 사이의 공기 흐름 간섭 감소 |
역사 | |
초기 항공기 | 대부분의 초기 항공기는 복엽기였으나, 단엽기의 장점이 점차 부각됨 |
1930년대 | 단엽기가 주류로 자리 잡음 (예: 더글러스 DC-3, 보잉 247) |
현대 항공기 | |
일반 여객기 | 대부분의 현대 여객기는 단엽기 형태 |
군용기 | 전투기, 폭격기 등 다양한 군용기에서 단엽기 디자인 활용 |
2. 특징
현재 대부분의 비행기는 주 날개가 1개인 단엽기이다. 그러나 1940년대 이전의 오래된 비행기나 경비행기 중에는 주 날개가 2개 이상인 것도 있어, 이들과 구분하기 위해 단엽기라고 부른다. 단엽기에서 "주 날개가 1개"라는 것은 좌우 각각의 주 날개를 합쳐 1개로 계산하는 것이다.[13]
1930년대 후반에는 금속제 주 날개 구조에 대한 연구가 진행되었고, 비행 속도가 중요해지면서 단엽기가 일반화되었다. 최초의 근대적인 단엽기(와이어로 주 날개를 매달지 않는)로 알려진 P.1은 폴란드의 즈비그뉴 푸와프스키가 개발한 "갈매기 날개"를 사용해 세계의 주목을 받았다.[13]
단엽기는 자체 강도를 유지하는 설계가 필요하기 때문에, 금속제라도 복엽기의 주 날개보다 두꺼워지는 경향이 있었다. 그래서 복엽기보다 공기역학적으로 항상 우월한 것은 아니었고, 1920년대부터 40년대까지는 복엽기와 단엽기가 병용된 과도기였다. 그러나 주 날개 단면 설계가 발전하면서 두꺼운 주 날개라도 공기 저항을 줄일 수 있게 되어 단엽기로 전환이 이루어졌다.[13]
복엽기보다 두꺼운 주 날개는 내부 공간을 활용할 수 있다는 장점이 있었다. 가장 큰 장점은 날개 내부에 연료를 탑재할 수 있다는 것이다. 연료 탱크 배치가 적절하지 않으면 연료 소비에 따라 기체의 무게 균형이 무너지는 문제가 발생하는데, 날개 내부는 연료 탱크 설치 장소로 최적이었다. 따라서 단엽기는 복엽기보다 항속 거리가 긴 경우가 많다.
또한, 공기 저항 감소를 위해 주 다리(착륙 장치) 수납 구조가 채택되면서, 날개 내부 공간이 수납 공간으로 활용되었다. 수납식 다리와의 병용은 단엽기가 공기역학적으로 복엽기를 능가하는 데 기여했다.[14]
전투기의 기관총 탑재 공간, 공격기·폭격기의 폭탄 등 탑재 위치로 주 날개를 이용하는 데에도 두껍고 튼튼한 단엽기의 주 날개가 더 편리했다.
2. 1. 지원 및 무게
단엽기의 고유한 효율성은 모든 구조적 힘을 내부적으로 전달하는 캔틸레버 날개에서 가장 잘 달성된다. 그러나 실제 속도로 비행하기 위해서는 날개를 얇게 만들어야 하는데, 이를 위해서는 날개를 충분히 강하고 단단하게 만들기 위해 무거운 구조가 필요하다.외부 버팀대를 사용하면 구조적 효율성을 높이고 무게와 비용을 줄일 수 있다. 주어진 크기의 날개에 대해 무게가 감소하면 더 느리게 비행할 수 있으며, 더 낮은 출력과 더 경제적인 엔진을 사용할 수 있다. 이러한 이유로 개척 시대의 모든 단엽 날개는 보강되었으며 대부분은 1930년대 초반까지 사용되었다. 그러나 노출된 스트럿이나 와이어는 추가적인 항력을 발생시켜 공기역학적 효율성을 저하시키고 최대 속도를 감소시킨다.[1]
고속 및 장거리 설계는 순수한 캔틸레버인 경향이 있는 반면, 저속 단거리 유형에는 버팀대가 제공되는 경우가 많다.
2. 2. 날개 위치 (동체 기준)

단엽기에서 주익(主翼)을 동체에 부착하는 방법에는 크게 저익, 중익, 고익, 파라솔익의 4가지 방식이 있다.
- 저익: 동체 하단 또는 그 근처에 날개가 위치한다. 위쪽 시야를 확보하고 날개 뼈대 지지대로부터 동체 중앙부를 자유롭게 해주며, 스핏파이어와 같이 펜듈럼 안정성을 감소시켜 기동성을 높여준다. 하지만 기동성보다 안정성을 중시하는 항공기에는 약간의 상반각이 필요할 수 있다. 상당한 지면 효과로 착륙 전에 항공기가 더 멀리 떠다니는 경향이 있고, 반대로 이 지면 효과는 더 짧은 이륙을 가능하게 한다.[2][3] 초기 단엽기에 채용된 사례가 많고, 보잉 747 점보 제트기, 제로식 함상 전투기 등이 있다.
- 중익: 동체의 (상하 방향으로) 중앙부에 주익을 부착하는 방식이다. 공기 저항이 가장 작기 때문에 초기 초음속기에 채용된 사례가 많다. Yak-55, MiG-15 등이 있다.
- 고익: 주익을 동체 상면에 부착하는 방식이다. 저익기에 비해 안정성이 뛰어나고 하방 시계가 뛰어나 정찰기나 지상 관측기 등에서도 채용 사례가 보인다. 군용 수송기에서는 주익에 부착한 엔진·프로펠러의 지상과의 간섭 및 이물질 충돌 흡입을 피하고, 기체 하부의 착륙 장치의 단경고(短輕頑固)가 요구되어 C-123과 C-130 이후 고익기가 일반적이다. P.1 및 그 발전형 P.11, 세스나기 등이 있다.
- 파라솔익: 동체 상방에 지주를 통해, 고익 배치보다 더 높은 위치에 주익을 우산처럼 부착한 것이다. 주익을 가능한 한 높은 위치에 부착하고 싶은 비행정 등에서 채용된 사례가 있다. 97식 대형 비행정 등이 있다.
2. 2. 1. 저익 (Low wing)
'''저익'''은 동체 하단 또는 그 근처에 날개가 위치한 형태이다.저익은 위쪽 시야를 확보하고 날개 뼈대 지지대로부터 동체 중앙부를 자유롭게 해준다. 스핏파이어와 같이 펜듈럼 안정성을 감소시켜 기동성을 높여준다. 그러나 기동성보다 안정성을 중시하는 항공기에는 약간의 상반각이 필요할 수 있다.
저익의 특징은 상당한 지면 효과로, 착륙 전에 항공기가 더 멀리 떠다니는 경향을 보인다.[2][3] 반대로, 이 지면 효과는 더 짧은 이륙을 가능하게 한다.
주익을 동체 하부에 부착하는 방식이다. 초기 단엽기에 채용된 사례가 많다. 주익에 착륙 장치를 부착하는 경우가 많았는데, 중익이나 고익에서는 지면이 멀어 다리가 너무 길어지기 때문이다. 또한, 다리 길이가 같으면 지상고를 높게 할 수 있어, 기수에 엔진을 배치하는 프로펠러기에서는 블레이드를 대형화할 수 있다는 장점도 있다. 기체 구조와 기내 탑재물의 하중이 많이 걸리는 바닥 구조와 주익 기부와 착륙 장치를 일체로 또는 근접하게 설치할 수 있어, 구조 질량의 제한으로 저연비화를 기대할 수 있고, 주익 기부의 기내 돌출이 적어 넓은 객실 및 화물실을 설치할 수 있다는 장점과 함께, 민간 여객기 및 화물기에서 정석적인 레이아웃으로 계속 사용되고 있다. 안정성이라는 관점에서는 다른 방식에 비해 불리하지만, 안정성과 운동성은 상반되는 관계에 있기 때문에, 운동성을 중시하는 전투기 같은 기종에서는 프로펠러기 시대에 특히 채용된 사례가 많았다. 제트기 시대에는 통상 꼬리 날개 형식의 초음속 전투기에서는 채용 사례가 줄었지만, 무미익기나 카나드(Canard)가 달린 델타익 전투기에서는 현대에도 채용 사례가 많다.
2. 2. 2. 중익 (Mid wing)
'''중익기'''는 동체의 중간 부분에 주익(날개)을 부착하는 방식이다. 중익 방식은 공기 저항이 가장 작아, 초기 초음속 항공기에 많이 사용되었다. 초음속 항공기는 주익이 얇아져 착륙 장치를 부착하기 어려워졌기 때문에 중익 방식을 채택했다.그러나 일반적인 꼬리 날개를 가진 초음속 전투기에서는 중익 방식이 점차 줄어들었다. 하지만, 베스트셀러 전투기 F-16, 카나드(Canard) 델타익 기종인 프랑스의 라팔, 무미익기인 인도의 테자스는 여전히 중익 배치를 사용하고 있다. 개발 당시 최고의 성능을 추구했던 A-12·SR-71도 주익 중앙부에 주각 기부가 부착되어 중익이며, XB-70는 전방 동체 블록에서는 저익, 후부 엔진 무장 블록에서는 고익으로 종합하면 중익이 된다.
2. 2. 3. 고익 (High wing)
고익기는 주익을 동체 상면에 부착하는 방식이다. 저익기에 비해 안정성이 뛰어나, 이를 중시하는 기체에 채용된 사례가 많다. 또한, 하방 시계가 뛰어나 정찰기나 지상 관측기 등에서도 채용 사례가 보인다. 특히 1960년대 이후의 통상 꼬리 날개 형식의 초음속 전투기에 채용된 사례가 많은데, 이는 꼬리 날개가 주익보다 높은 위치에 있을 경우 고속 비행 시 받음각을 크게 하면 피치업 등의 악영향이 있다는 것이 앞서 언급한 중익 형식의 전투기를 운용한 경험에서 판명되었기 때문이다. 따라서, 고익 형식으로 하여 주익을 수평 미익보다 상위에 배치하게 되었다. 또한, 주익 하부에 크기가 큰 폭탄, 미사일 및 증조(增槽) 등을 매달기에 편리하다는 점도 있다.[4]군용 수송기에서는 주익에 부착한 엔진·프로펠러의 지상과의 간섭 및 이물질 충돌 흡입을 피하고, 기체 하부의 착륙 장치를 짧고 가볍고 튼튼하게(단경고(短輕頑固))만들기 위하여 C-123과 C-130 이후 고익기가 일반적이다. 세스나 152와 같은 경비행기에서 날개는 일반적으로 객실 위에 위치하여 날개 지지대가 탑승자 머리 위로 지나가 날개가 이상적인 앞뒤 위치에 놓이게 된다.[6]
2. 2. 4. 파라솔익 (Parasol wing)
'''파라솔 날개'''는 동체에 직접 부착되지 않고, 카베 버팀대 또는 파일런에 의해 동체 위쪽에 고정되는 날개 형태이다.[7] 동체 측면에서 뻗어나오는 스트럿이나 와이어로 추가적인 버팀을 제공할 수 있다.최초의 파라솔 단엽기는 모란-소르니에 L에서 확인할 수 있듯이, 숄더 윙 단엽기를 개조하여 숄더 윙을 동체 위로 올려 아래쪽 시야를 크게 개선한 형태로 정찰기에 유용했다.[8] 파라솔 날개는 조종사의 시야가 좋고 효율적인 설계를 가능하게 하며, 제1차 세계 대전 후반기에는 포커 D.VIII와 모란-소르니에 AI와 같은 전투기 기종에 채택되었다.[9]
파라솔 날개는 엔진을 높은 위치에 장착할 수 있어, 전간기에는 프로펠러를 물보라로부터 멀리 떨어뜨려야 하는 비행정에 널리 사용되었다. 마틴 M-130, 도르니에 Do 18, 컨솔리데이티드 PBY 카탈리나가 그 예시이다.
복엽기에 비해 파라솔 날개는 버팀대가 적고 항력이 낮아, 수륙양용기, 소형 자가 제작 항공기, 초경량 항공기에 여전히 인기 있는 구성이다.
- - 동체 상방에 지주를 통해, 고익 배치보다 더 높은 위치에 주익을 우산처럼 부착한 것이다. 주익을 가능한 한 높은 위치에 부착하고 싶은 비행정 등에서 채용된 사례가 있다. 지주 지지가 아니지만 패러모터나, 주로 행글라이더 계열의 초경량 동력기에서도 파라솔익기 레이아웃이 되는 경우가 많다.
3. 역사
초기 항공기는 복엽기가 주류였으나, 1930년대 이후 금속 구조와 엔진 기술 발전으로 단엽기가 대세가 되었다. 최초의 성공적인 항공기는 복엽기였지만, 최초의 시도는 단엽기였으며, 많은 선구자들이 단엽기 설계를 계속 개발했다. 예를 들어, 최초로 생산된 항공기는 1907년의 상투스-뒤몽 데모아젤이었고, 블레리오 XI은 1909년에 영국 해협을 횡단했다.[10] 1909년에서 1910년까지 위베르 라탐은 그의 앙투아네트 IV 단엽기로 여러 고도 기록을 세웠다.[11]
독일어 용어 "Eindecker"는 1915년의 미드윙 포커 아인데커 전투기가 한동안 "포커의 재앙"으로 알려진 하늘을 지배 할때 사용되었다. 그러나 포커의 성공은 오래가지 못했고, 제1차 세계 대전은 복엽기가 지배했다. 전쟁 말기에 파라솔 단엽기가 인기를 얻었고 1920년대까지 성공적인 디자인이 생산되었다.[12]
1914년에서 1920년대 후반 사이에는 복엽기에 비해 비교적 적은 수의 단엽기 유형이 제작되었다. 그 이유는 주로 실용적인 이유였다. 사용 가능한 낮은 엔진 출력과 속도로 인해, 단엽기의 날개는 충분한 양력을 생성하기 위해 커야 했지만, 복엽기는 두 개의 작은 날개를 가질 수 있어서 더 작고 가볍게 만들 수 있었다.
제1차 세계 대전 말기에 복엽기의 본질적인 높은 항력은 성능을 제한하기 시작했다. 엔진은 아직 무거운 캔틸레버 날개 단엽기를 실용적으로 만들 만큼 강력하지 않았고, 버팀대 파라솔 날개는 전투기에 널리 사용되었지만, 실제로 전투에 투입된 것은 거의 없었다.
수상 비행기는 얕은 선체를 가지고 있어서, 파라솔 날개는 이착륙 시 물에서 튀는 물보라 위로 엔진을 장착할 수 있게 해준다. 이 배열은 1930년대의 수상 비행기에서 인기가 있었고, 컨설리데이티드 PBY 카탈리나가 후기 예시이다. 이것은 제2차 세계 대전 동안 더 높은 선체가 일반화되면서 사라졌고, 높은 날개를 선체에 직접 부착할 수 있게 되었다.
점점 더 증가하는 엔진 출력이 완전 금속 구조와 캔틸레버 날개의 무게를 더욱 실용적으로 만들면서 1930년대까지 캔틸레버 단엽기는 고정익 항공기의 표준 구성으로 빠르게 자리 잡았다. 소련과 미국 모두에서 1930년대 초중반에 전 세계 군사용으로 고급 단엽기 전투기 설계가 대량 생산되었으며, 각각 폴리카르포프 I-16과 보잉 P-26 피슈터가 생산되었다.
제2차 세계 대전의 대부분의 군용 항공기는 단엽기였으며, 일부 전문 유형을 제외하고 거의 모든 항공기가 그 이후로 단엽기를 사용했다. 제트 엔진과 로켓 엔진은 훨씬 더 많은 출력을 가지고 있으며, 모든 현대 고속 항공기, 특히 초음속 유형은 단엽기이다.
1930년대 후반에는 금속제로 강도가 있는 주 날개 구조에 대한 연구가 진행되었고, 또한 비행 속도가 중요해지면서 단엽기가 일반화되었다. 최초의 근대적인 단엽기(즉, 와이어로 주 날개를 매달지 않는)로 알려진 P.1은 폴란드의 즈비그뉴 푸와프스키가 개발한 "갈매기 날개"를 사용했으며, 세계의 주목을 받았다.
하지만 단엽기는 그 자체로 강도를 유지하는 설계가 필요하기 때문에, 금속제라도 기존의 복엽기의 주 날개보다 두꺼워진다. 그렇기 때문에 반드시 복엽기보다 공기역학적으로 우월한 것은 아니었고, 1920년대부터 40년대까지는 복엽기와 단엽기가 병용된 과도기였다. 그러나 주 날개 단면의 설계도 진보하여 두꺼운 주 날개라도 공기 저항을 줄일 수 있게 되어 단엽기로 이행했다.[13]
복엽기보다 주 날개가 두꺼운 것은 날개 내부 공간을 이용할 수 있다는 장점도 있었다. 가장 큰 장점은 날개 내부에 연료를 탑재할 수 있다는 것이다. 연료 탱크의 배치 위치가 좋지 않으면, 연료의 소비에 의해 기체의 무게 균형이 무너지는 문제가 있었다. 그 점에서 날개 내라는 위치는 연료 탱크의 설치 장소로 최적이었다. 때문에 단엽기는 복엽기보다 항속 거리가 긴 것이 많다. 특히 유명한 것은 P-51 전투기이다. 층류 익형의 채용으로 주 날개의 공기 저항을 줄인 것으로 알려져 있지만, 기존의 주 날개보다 오히려 두꺼워 날개 내부의 공간이 늘어나 큰 항속 거리를 갖는 것으로 알려져 있다.
또한, 공기 저항을 줄이기 위해 주 다리(착륙 장치)의 수납 구조가 채용되면서, 수납 시의 주 다리 수납 공간으로도 날개 내부를 이용하게 되었다. 수납식 다리와 병용함으로써, 공기역학적인 면에서 단엽기는 복엽기를 전면적으로 능가하게 되었다.[14] 공기 저항과 양력 손실의 원인이 되는 익단 와류 발생원이 감소하는 만큼, 단엽기는 복엽기 이상으로 연비가 향상되는 면도 있다. 전투기의 경우 기관총 탑재 공간으로, 공격기·폭격기의 경우 폭탄 등의 매달기 위치로 주 날개를 이용하는 데에도, 두껍고 튼튼한 단엽기의 주 날개가 더 편리했다.
참조
[1]
웹사이트
ch4-3
https://history.nasa[...]
1985-01-00
[2]
웹사이트
Ground Effect in Aircraft
http://www.aviation-[...]
Aviation-history.com
2009-11-30
[3]
웹사이트
Ground Effect
http://www.avweb.com[...]
Avweb.com
2003-10-22
[4]
서적
Aircraft Design
https://archive.org/[...]
Cambridge University Press
2010-04-12
[5]
간행물
Pilot
Pilot magazine
1986-02-00
[6]
간행물
The Aeroplane (Technical)
1997-00-00
[7]
서적
Dictionary of Aeronautical Terms, third edition
Aviation Supplies & Academics
1997-00-00
[8]
문서
1997-00-00
[9]
문서
[10]
서적
Historical Dictionary of Aviation
History Press
2008-00-00
[11]
문서
Windkiller
[12]
문서
[13]
문서
ただし単純に主翼の厚みが小さければ抵抗が減るというものではない。主翼が揚力を発生するには迎角を取る必要がある。一方で一定以上の厚みをもった主翼は翼型の設計次第で迎角をつけなくとも揚力を発生する事が可能である。
[14]
문서
F2FやF3Fという複葉機で引き込み脚を採用した例もあるが、主脚を胴体に引き込むために胴体が太くなり、その分空気力学的に不利となった。とはいえ、同時代の固定脚の単葉機の多くを上回る速度性能を発揮した。
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