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윙렛

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목차

1. 개요

윙렛은 항공기 날개 끝에 장착되어 와류 감소를 통해 항공기 효율을 높이는 장치이다. 1897년 프레더릭 W. 란체스터가 날개 끝판에 대한 특허를 낸 이후, 1970년대 NASA의 리처드 T. 휘트컴에 의해 현대적인 윙렛 개념이 발전되었다. 윙렛은 수직 윙렛, 블렌디드 윙렛, 캔티드 윙렛, 윙팁 펜스, 레이크드 윙팁, 스플릿팁 윙렛 등 다양한 형태로 구분되며, 민간 및 군용 항공기에 널리 사용된다. 윙렛은 연료 효율을 높이고 소음을 줄이는 효과가 있으며, 최근에는 능동형 윙팁 장치와 같은 미래 기술 개발도 진행 중이다.

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  • 비행기 날개 - 윙팁
    윙팁은 항공기 날개 끝 부분으로, 양력 증가 및 항력 감소를 통해 항공기 효율성을 향상시키는 다양한 디자인(연료 탱크, 활, 홀너 스타일, 윙렛, 엔진 등)이 존재하며, 공간 효율성을 위해 접이식으로 제작되기도 한다.
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윙렛
개요
에어버스 A380 날개 끝에 장착된 윙렛
에어버스 A380 날개 끝에 장착된 윙렛
종류혼합 윙렛
래크 윙렛
윙팁 펜스
스플릿 팁 장치
레이크 윙팁
설명
정의양력 유도 항력을 줄이고 항공기의 양력을 개선하기 위해 날개 끝에 설치되는 표면
기능양력 유도 항력 감소
항공기 효율 향상
연료 소비 감소
상승률 개선
항속 거리 증가
선회 성능 향상
안정성 향상
역사
개발 초기1897년 프레더릭 란체스터에 의해 처음 연구됨
현대적 개발1970년대 후반 NASA의 리처드 휘트컴에 의해 현대적인 형태로 개발됨
상업적 적용1980년대 초 보잉과 에어버스 항공기에 처음 적용됨
작동 원리
유도 항력 감소날개 끝에서 발생하는 와류를 줄여 유도 항력을 감소시킴
공기 흐름 제어날개 위아래의 압력 차이를 줄여 공기 흐름을 개선함
에너지 효율연료 소비를 줄여 항공기 운영 비용을 절감함
항속 거리를 늘려 더 먼 거리를 비행할 수 있게 함
디자인 종류
혼합 윙렛 (Blended Winglets)날개 끝에서 부드럽게 이어지는 형태
래크 윙렛 (Raked Wingtips)날개 끝이 뒤로 젖혀진 형태
윙팁 펜스 (Wingtip Fences)날개 위아래로 뻗어 있는 형태
스플릿 팁 장치 (Split Tip Devices)날개 끝이 여러 갈래로 나뉜 형태
레이크 윙팁 (Raked Wingtip)윙렛과 유사하지만 날개 끝이 더 길고 유선형인 형태
장점
연료 효율성연료 소비를 줄여 운영 비용 절감
성능 향상상승률, 항속 거리, 선회 성능 등 항공기 성능 향상
환경적 이점배기가스 감소로 환경 오염 저감
단점
무게 증가윙렛 추가로 인한 항공기 무게 증가
구조적 복잡성날개 구조 변경으로 인한 복잡성 증가
비용설계, 제조, 유지보수 비용 발생
적용 분야
민간 항공기보잉 737, 에어버스 A320, 보잉 787 드림라이너 등 다양한 민간 항공기에 적용
군용 항공기일부 군용 항공기에도 적용되어 성능 향상
비즈니스 제트기비즈니스 제트기의 항속 거리 및 연료 효율성 향상
글라이더글라이더의 성능 향상
추가 정보
참고 문헌Boeing Aero magazine: Blended winglets for improved airplane performance
National Academies Press: Assessment of Wingtip Modifications to Increase the Fuel Efficiency of Air Force Aircraft

2. 역사

윙렛의 초기 개념은 19세기 말 영국 엔지니어 프레더릭 W. 란체스터가 제안했으며, 20세기 초 미국에서 윌리엄 E. 서머빌이 기능성 윙렛을 특허받았다.[4] 제2차 세계 대전 중에는 독일에서 Heinkel He 162A 전투기에 "Lippisch-Ohren"(Lippisch-귀)이라고 불리는 아래로 꺾인 윙팁 장치가 적용되었다.

전후 지하르트 F. 훼르너 박사의 연구를 통해 드룹 윙팁(훼르너 팁)이 개발되었다. 현대적 의미의 윙렛은 1970년대 NASA의 리처드 T. 휘트컴이 개발했으며, 연료 효율성, 이착륙 성능, 소음 감소 등의 이점을 제공한다. 1983년, 미국의 한 고등학생이 윙팁 에어포일 관련 연구로 국제 과학 기술 박람회에서 대상을 수상하고 특허를 출원했다.[16][17]

KC-135 스트라토탱커에 장착된 터프트가 있는 윙렛 (1979–1980년 NASA 테스트 중 기류를 보여줌)


걸프스트림 V 모델 윙렛 플러터 테스트 NASA 랭글리 천음속 풍동


맥도넬 더글러스 MD-11F의 윙렛


본격적인 항공기체용 윙렛은 1970년에 NASA의 Richard T. Whitcomb영어이 개량하여 제창했다. 여객기 운항에서 일반적으로 약 4%에서 5% 정도의 연료를 절감할 수 있다고 하며, 연료 절감 효과는 장거리 노선일수록 커진다. 보잉 747-400D 등 단거리 노선에 사용되는 기재에서는 연료 절감 효과가 적고 공항 설비 및 운용상의 문제로 인해 장착하지 않는 경우도 있다.

최근 원유 가격의 상승으로, 항공기 제조사나 서드 파티에서 제작된 개조 키트를 통해 윙렛을 사후 장착하는 경우가 늘고 있다. 윙렛 장착 후 운항에서의 연료비 절감으로 개조 비용 회수가 가능하기 때문이다. 전일본공수(ANA)는 2009년 이후 보잉 767-300ER 16기에 윙렛을 순차적으로 장착했다.[53]

2. 1. 초기 역사

1897년, 영국의 엔지니어 프레더릭 W. 란체스터(Frederick W. Lanchester)는 날개 끝 와류를 제어하는 방법으로 날개 끝판을 특허냈다.[3] 미국에서는 스코틀랜드 출신 엔지니어 윌리엄 E. 서머빌(William E. Somerville)이 1910년에 최초의 기능성 윙렛을 특허받았다. 서머빌은 초기 복엽기 및 단엽기 디자인에 이 장치를 설치했다.[4] 빈센트 버넬리(Vincent Burnelli)는 1930년 8월 26일 "에어포일 제어 수단"에 대해 미국 특허 번호 1,774,474를 받았다.[5]

2. 2. Hoerner wing tips

Heinkel He 162A와 ''Lippisch-Ohren'' 윙팁 장치


제2차 세계 대전 종전 후, 지하르트 F. 훼르너 박사는 이 분야의 선구적인 연구자였다. 1952년에 발표된 그의 기술 논문에서는 뒷부분이 뾰족한 드룹 윙팁(Droop Wingtip)이 윙팁 와류를 날개 윗면에서 멀어지게 한다고 주장했다.[6] 이러한 드룹 윙팁은 그의 업적을 기려 "훼르너 팁(Hoerner Tip)"이라고도 불린다. 훼르너 팁은 글라이더와 경비행기에 주로 사용되어 왔다.

훼르너 스타일의 아래로 꺾인 "윙팁 장치"가 제트 항공기에 적용된 최초의 사례는 제2차 세계 대전 중이었다. 이는 "Lippisch-Ohren"(Lippisch-귀)이라고 불렸으며, 메서슈미트 Me 163의 설계자인 알렉산더 리피쉬가 고안했다. 이 장치는 Heinkel He 162A ''Spatz'' 제트 경전투기의 M3 및 M4 프로토타입에 평가를 위해 처음 추가되었다. He 162 설계에서 나타나는 더치롤 현상을 상쇄하기 위해 날개에 뚜렷한 상반각을 주었고, 이와 함께 Lippisch-Ohren이 적용되었다. Lippisch-Ohren은 약 320대의 완성된 He 162A 제트 전투기에 표준 기능으로 적용되었으며, 유럽 전승 기념일까지 수백 대의 He 162A 기체가 미완성 상태로 남아 있었다.

2. 3. 현대적 발전



"윙렛"이라는 용어는 이전에는 고정식 착륙 장치의 바퀴 사이의 짧은 부분과 같이 항공기에 추가적인 양력을 제공하는 표면을 설명하는 데 사용되었다. 현대적인 의미의 윙렛은 1970년대 NASA에서 리처드 T. 휘트컴이 연구하여 처음 사용했으며, 이는 날개 끝의 수직에 가까운 연장을 의미한다.[18] 윙렛의 위쪽 각도(또는 ''캔트''), 안쪽 또는 바깥쪽 각도(또는 ''토''), 크기 및 모양은 올바른 성능에 매우 중요하며 각 적용 분야마다 고유하다. 윙렛은 날개 끝 와류에서 낭비될 수 있는 에너지의 일부를 겉보기 추력으로 변환하여, 세일보트가 바싹 바람으로 항해하는 것과 유사하게 작동한다.

윙렛은 와류의 강도를 줄여 비행기 뒤에 생기는 위험을 줄인다.[10][11] 이는 항공기 운항 간의 최소 간격 요구 사항에 영향을 미치며, 특히 낮은 속도와 높은 중량에서 높은 받음각을 생성할 때 난류가 가장 크다. 윙렛과 날개 끝 펜스는 날개 끝 근처의 층류 기류와의 와류 간섭을 줄여 효율성을 높인다.[12] 펜스는 날개 표면에서 저압(날개 위)과 고압(날개 아래) 공기의 합류 지점을 '이동'시켜 와류가 형성되는 영역을 날개 표면에서 위쪽으로 밀어 올린다.

윙렛으로 인한 연료 효율 개선은 비행 거리가 길어질수록 증가하며,[13] 블렌디드 윙렛은 더 가파른 받음각을 허용하여 이륙 거리를 줄인다.[14]

1973년 석유 파동 이후 연료 가격 급증으로, 리처드 T. 휘트컴은 뢰르너의 개념을 더욱 발전시켰다. 그는 정교한 항공 설계를 통해 주어진 굽힘 모멘트에 대해 수직에 가까운 윙렛이 수평 날개 연장보다 더 큰 항력 감소를 제공한다는 것을 보여주었다.[15] 휘트컴의 디자인은 드라이든 비행 연구 센터를 기반으로 하는 KC-135 스트라토탱커를 사용하여 1979~80년에 NASA/공군 합동 팀에 의해 비행 테스트를 거쳤다.[3] 록히드 L-1011과 맥도넬 더글러스 DC-10도 테스트에 사용되었으며, 후자의 디자인은 1990년에 출시된 파생 모델인 MD-11에 맥도넬 더글러스에 의해 직접 적용되었다.[3]

1983년 5월, 메릴랜드주 보위 고등학교의 한 고등학생이 항력 감소를 위한 윙팁 장치에 대한 연구 결과로 뉴멕시코주 앨버커키에서 열린 제34회 국제 과학 기술 박람회에서 대상을 수상했다.[16] 같은 달, 그는 1986년에 출판된 "윙팁 에어포일"에 대한 미국 특허를 출원했다.[17]

날개 끝이 공중을 이동하면 날개 끝 뒤쪽에 날개 끝 와류라고 하는 공기의 소용돌이가 발생하는데, 이는 날개 끝을 뒤로 당기는 힘을 발생시켜 공기 저항 (유도 항력)을 증가시킨다. 윙렛은 날개 끝 근처의 공기 흐름을 정류하여 날개 끝 와류를 감소시키거나 발생 방향을 위로 이동시켜 공기 저항을 줄여 연비를 향상시키는 효과가 있다.

제2차 세계 대전 이전부터 날개 끝 판의 존재와 어느 정도의 효과는 알려져 있었지만, 필요성이 있는 항공기 수요의 적음으로 인해 본격적인 실용 개발 시도는 중단되었다.

본격적인 항공기체용 윙렛은 1970년에 NASA의 Richard T. Whitcomb영어이 개량하여 제창했다. 조건에 따라 다르지만, 여객기 운항에서 일반적으로 약 4%에서 5% 정도의 연료를 절감할 수 있다고 한다. 연료 절감 효과는 장거리 노선일수록 커진다. 보잉 747-400D 등 단거리 노선에 사용되는 기재에서는 연료 절감 효과가 적다는 점과 공항 설비 및 운용상의 문제로 인해 장착하지 않는 경우도 있다.

기체 제조 시에 장착되는 경우가 많지만, 항공기 제조사나 서드 파티에서 제작된 개조 키트에 의해 사후 장착되는 경우도 있다.[52] 최근의 원유 가격의 고공 행진으로 인해, 윙렛을 사후 장착하는 개조를 시행하더라도, 그 후의 운항에서의 연료비 절감으로 충분히 개조 비용의 회수가 가능하다고 하여, 이를 시행하는 항공사도 증가하고 있다. 예를 들어 일본 국내에서는, 전일본공수(ANA)가 일본 국내에서 처음으로, 2009년 이후 보잉 767-300ER 16기에 윙렛을 순차적으로 장착하는 것을 결정했다.[53]

과거의 리제트에서는 날개 끝에 윙팁 연료 탱크를 장착했지만, 윙렛 정도는 아니지만 약간의 효과를 발휘했던 것으로 여겨진다 (현행기에서는 윙렛을 장착).[54]

이와 유사한 저항 감소 효과를 노리고, 프로펠러기의 프로펠러나 헬리콥터의 메인 로터, 풍력 발전용 풍차 등의 끝에 비슷한 모양의 것이 장착되는 예나, 안정성을 높이기 위해 수평 꼬리 날개의 끝에 장착하는 예 (아구스타 웨스트랜드 AW139 등)도 있다. 자동차 차체에 부착되는 스포일러나 GT 윙 등의 리어 윙은 날개 단면을 하고 있기 때문에, 날개 끝에서 발생하는 날개 끝 와류를 억제하기 위해 '''날개 끝 판'''이 부착되어 있다.

3. 종류

윙렛은 형태와 기능에 따라 다양하게 분류된다.


  • 윙렛 (Winglet): 날개 끝에 부착되는 작은 날개로, 날개 끝 와류를 줄여 항력을 감소시키고 연비를 향상시킨다. NASA의 Richard T. Whitcomb|리처드 T. 위트콤영어이 1970년대에 개량하여 제창했으며, 여객기에서 연료 절감 효과를 보인다.
  • 블렌디드 윙렛 (Blended Winglet): 날개와 윙렛 사이의 연결 부위가 부드러운 곡선으로 이루어져 간섭 항력을 줄인 형태이다. 에비에이션 파트너스에서 개발했으며, 보잉 737 넥스트 제너레이션 등에 적용되었다. 에어버스에서는 이와 유사한 형태를 샤크렛(Sharklet)이라고 부른다.
  • 캔티드 윙렛 (Canted Winglet): 윙렛이 바깥쪽으로 기울어진 형태이다. 보잉 747-400에 처음 적용되어 항속 거리를 늘리는 데 기여했다.
  • 윙팁 펜스 (Wingtip Fence): 날개 끝 위아래로 연장된 형태의 윙렛이다. 에어버스 항공기에서 주로 사용되며, 에어버스 A310-300에 처음 적용되었다.
  • 레이크드 윙팁 (Raked Wingtip): 날개 끝 부분이 날개 나머지 부분보다 더 큰 후퇴익을 갖는 형태이다. 보잉 767-400ER 등 보잉의 일부 기종에 적용되어 연료 효율을 향상시킨다.
  • 스플릿팁 윙렛 (Split-tip Winglet): 윙렛의 끝부분이 여러 갈래로 나뉜 형태이다. 맥도넬 더글러스 MD-11에 처음 적용되었으며, 보잉 737 넥스트 제너레이션에는 스플릿 시미터 윙렛(Split Scimitar Winglet)이 옵션으로 제공된다. 보잉 737 MAX는 독자적인 형태의 윙팁을 사용한다.
  • 스파이럴형 (Spiroid): 윙렛의 끝이 나선형으로 날개 끝에 연결되는 형태이다. 연구 단계에 있다.
  • 비평면 윙팁 (Non-planar wingtip): 윙팁 근처의 국부적인 디헤드럴을 증가시키는 형태이다.


분류:항공기 날개

분류:항공기 부품

분류:공기역학

3. 1. 윙렛 (Winglet)



보잉 747-400의 윙렛


윙렛은 날개 끝에 부착되는, 수직 꼬리 날개와 유사한 형태의 작은 날개이다. 날개 끝에서 발생하는 날개 끝 와류를 감소시키거나 발생 방향을 위로 이동시켜 공기 저항(항력)을 줄여 연비를 향상시키는 효과가 있다.

날개 끝이 공중을 이동하면 날개 끝 뒤쪽에 날개 끝 와류라고 하는 공기의 소용돌이가 발생하는데, 이는 날개 끝을 뒤로 당기는 힘을 발생시켜 공기 저항 (유도 항력)을 증가시킨다. 윙렛은 날개 끝 근처의 공기 흐름을 정류하여 날개 끝 와류를 감소시키거나 발생 방향을 위로 이동시켜 공기 저항을 줄여 연비를 향상시킨다.

윙렛의 위쪽 각도(또는 ''캔트''), 안쪽 또는 바깥쪽 각도(또는 ''토''), 크기 및 모양은 올바른 성능에 매우 중요하며 각 적용 분야마다 고유하다. 날개 아래쪽에서 회전하는 날개 끝 와류는 윙렛의 캠버 표면에 부딪혀 안쪽과 약간 앞쪽으로 기울어지는 힘을 생성하며, 이는 세일보트가 바싹 바람으로 항해하는 것과 유사하다. 윙렛은 날개 끝 와류에서 낭비될 수 있는 에너지의 일부를 겉보기 추력으로 변환한다.

윙렛과 날개 끝 펜스는 또한 날개 끝 근처의 층류 기류와의 와류 간섭을 줄여 효율성을 높인다.[12] 펜스는 날개 표면에서 저압(날개 위)과 고압(날개 아래) 공기의 합류 지점을 '이동'시킨다. 날개 끝 와류는 날개 끝의 앞전에서 시작하여 뒤쪽과 안쪽으로 전파되는 난류를 생성한다. 이 난류는 날개 바깥쪽의 작은 삼각형 부분 위로 흐르는 기류를 '분리'하여 해당 영역의 양력을 파괴한다. 펜스/윙렛은 와류가 형성되는 영역을 날개 표면에서 위쪽으로 밀어 올린다. 결과 와류의 중심이 이제 윙렛의 끝에 있기 때문이다.

윙렛의 또 다른 잠재적 이점은 와류의 강도를 줄인다는 것이다.[10] 와류는 비행기 뒤에 생겨 다른 항공기에 위험을 초래한다.[11]

본격적인 항공기체용 윙렛은 1970년에 NASA의 Richard T. Whitcomb|리처드 T. 위트콤영어이 개량하여 제창했다. 여객기 운항에서 일반적으로 약 4%에서 5% 정도의 연료를 절감할 수 있다고 한다. 연료 절감 효과는 장거리 노선일수록 커진다. 보잉 747-400D 등 단거리 노선에 사용되는 기재에서는 연료 절감 효과가 적다는 점과 공항 설비 및 운용상의 문제로 인해 장착하지 않는 경우도 있다.

최근 원유 가격의 상승으로, 윙렛을 사후 장착하여 연료비를 절감하는 항공사가 늘고 있다. 전일본공수(ANA)는 2009년부터 보잉 767-300ER 16기에 윙렛을 순차적으로 장착했다.[53]

프로펠러기의 프로펠러, 헬리콥터의 메인 로터, 풍력 발전용 풍차, 자동차 스포일러 등에도 윙렛과 유사한 형태의 날개 끝 판이 장착되어 공기 저항 감소 효과를 얻고 있다.

에어버스 사는 A320 시리즈에 장착되는 윙렛을 샤크렛이라고 칭한다. 수직 꼬리 날개와 유사한 도색이 적용되는 경우가 많다.

3. 1. 1. 블렌디드 윙렛 (Blended Winglet)

혼합형 윙렛은 날개에 날카로운 각이 아닌 부드러운 곡선으로 부착되어 날개와 윙렛 접합부에서 발생하는 간섭 항력을 줄인다. 이 부분의 날카로운 내부 각도는 경계층 유동과 상호 작용하여 항력을 유발하는 와류를 생성하여 윙렛의 이점을 일부 상쇄할 수 있다.[23] 에비에이션 파트너스(Aviation Partners)는 걸프스트림 II(Gulfstream II) 등의 개조용 혼합형 윙렛을 개발했다.

2000년 2월 18일, 혼합형 윙렛이 보잉 737-800의 옵션으로 발표되었으며, 첫 번째 기체는 2001년 5월 8일 하파그 로이드 플루그(Hapag-Lloyd Flug)에서 상업 운항을 시작했다.[23] 약 2.44m 윙렛은 장거리 비행 시 항공기 연료 효율(fuel economy in aircraft)을 4% 감소시키고 737-800의 항속 거리를 130nmi 증가시킨다.[1] 737 클래식에도 윙렛 개조가 제공되며, 많은 운영업체들이 연료 절감을 위해 자사 항공기에 이를 개조했다. 에비에이션 파트너스 보잉은 또한 757 및 767-300ER에도 혼합형 윙렛을 제공한다.[24]

2009년 에어버스는 A320 패밀리의 탑재량-항속 거리를 향상시키고 장거리 구간에서 연료 소비를 최대 4%까지 줄이도록 설계된 "샤클렛" 혼합형 윙렛을 출시했다.[26] 이는 항공기당 연간 700톤의 CO2 감소에 해당한다.[27] 샤클렛이 장착된 A320은 2012년부터 인도되었다.[28][29] 샤클렛은 A320neo, A330neo 및 A350에 사용되며, 개조 옵션으로도 제공된다.[29][30]

에어버스 사는 A320 시리즈에 장착되는 윙렛을 샤클렛이라고 칭한다.

3. 1. 2. 캔티드 윙렛 (Canted Winglet)

'''캔티드 윙렛'''(Canted Winglet)은 윙렛이 바깥쪽으로 기울어진 형태를 말한다. 1985년 보잉이 발표한 747-400은 윙렛과 날개 폭 확장을 통해 항속 거리와 수송 능력을 향상시켰다. 윙렛은 747-400의 항속 거리를 윙렛이 없는 747-300보다 3.5% 증가시켰다.[1] 그러나 747-400D는 단거리 노선에서 윙렛의 추가적인 무게와 비용 대비 이점이 적어 윙렛을 장착하지 않았다.

일리우신 Il-96은 1988년 윙렛을 장착한 최초의 러시아 현대 제트기였다. 봄바디어 CRJ-100/200은 1992년 윙렛을 장착한 최초의 지역 항공기였다. A340/A330은 1993/1994년에 캔티드 윙렛을 장착했다. 투폴레프 Tu-204는 1994년 윙렛을 장착한 최초의 협동체(narrowbody) 항공기였다. 에어버스 A220는 2016년부터 캔티드 윙렛을 장착하고 있다.

윙렛은 날개 끝 와류를 감소시키거나 발생 방향을 위로 이동시켜 공기 저항(항력)을 줄여 연비를 향상시키는 효과가 있다. NASA의 Richard T. Whitcomb|리처드 T. 위트콤영어이 1970년대에 윙렛을 개량하여 제창한 이후, 여객기 운항에서 약 4%에서 5% 정도의 연료 절감 효과를 얻을 수 있게 되었다. 연료 절감 효과는 장거리 노선일수록 커진다.

최근에는 원유 가격의 상승으로 인해, 항공사들이 윙렛을 사후 장착하여 연료비를 절감하는 경우가 늘고 있다. 전일본공수(ANA)는 2009년부터 보잉 767-300ER 16기에 윙렛을 순차적으로 장착했다.[53]

윙렛과 유사한 형태로 프로펠러기의 프로펠러, 헬리콥터의 메인 로터, 풍력 발전용 풍차, 자동차 스포일러 등에도 날개 끝 판이 장착되어 공기 저항 감소 효과를 얻고 있다.

3. 2. 윙팁 펜스 (Wingtip Fence)

윙팁 펜스(Wingtip Fence)는 날개 끝 위아래로 연장된 형태의 윙렛으로, 휘트콤(Whitcomb)의 초기 연구에서 설명되었다.[18] 윙팁 펜스는 윙렛과 유사한 공기역학적 이점을 가지지만, 그 크기는 윙렛보다 짧거나 같다. 1985년 에어버스 A310-300이 윙팁 펜스를 장착한 최초의 여객기였다.[22] 이후 에어버스 A300-600, A320ceo, A380 등 다른 에어버스 모델에도 적용되었다. 그러나 에어버스 A320 Enhanced, A320neo, A350, A330neo 등은 윙팁 펜스 대신 블렌디드 윙렛을 사용한다. 안토노프 An-158도 윙팁 펜스를 사용한다.

항공기비고
에어버스 A300-600RA300의 첫 번째 세대 기종은 윙팁 펜스가 장착되지 않았다.
에어버스 A300-600ST(벨루가)A300-600R을 기반으로 개발된 에어버스 사내 부품 수송 전용기.
에어버스 A310-200/-300
에어버스 A318-100
에어버스 A319-100옵션으로 샤크렛으로 변경 가능.
에어버스 A320-200옵션으로 샤크렛으로 변경 가능. 표준 장착이므로 LCC 기재에서 가장 많이 보인다.
에어버스 A321-100/-200옵션으로 샤크렛으로 변경 가능
에어버스 A380-800기존 기종은 표준 장착, A380Plus에서는 보잉 737NG, MAX에 장착되는 시미터 윙렛과 유사한 형태의 윙렛을 장착


3. 3. 레이크드 윙팁 (Raked Wingtip)

경사진 윙팁은 날개 끝 부분이 날개 나머지 부분보다 더 큰 후퇴익을 갖는 형태이다. 보잉 상업용 항공기 일부 기종에 적용되어 연료 효율, 이륙 및 상승 성능을 향상시킨다. 윙렛과 마찬가지로 유효 날개 가로세로비를 증가시키고 날개 끝 와류를 감소시켜 양력 유도 항력을 줄인다. 보잉과 NASA의 테스트에서 일반적인 윙렛(3.5%~4.5% 감소)보다 더 큰, 최대 5.5%까지 항력을 감소시켰다.[1] 날개 길이 증가가 동일한 길이의 윙렛보다 더 효과적이지만, 굽힘 모멘트가 더 크다. 약 0.91m 윙렛은 약 0.61m 길이 증가와 동일한 성능 향상을 제공하지만, 약 0.30m 길이 증가의 굽힘력을 갖는다.[31]

경사진 윙팁은 일반적인 주 날개폭을 단순히 연장하는 것과 비교하여 몇 가지 중량 감소의 장점을 제공한다. 높은 하중 계수 구조 설계 조건에서, 윙팁의 더 작은 코드는 더 적은 하중을 받으며, 외부 주 날개에 유도 하중을 덜 발생시킨다. 또한, 앞전 후퇴익은 압력 중심을 일반적인 주 날개의 단순한 연장보다 더 뒤쪽에 위치시킨다. 높은 하중 계수에서 압력 중심의 상대적인 후방 위치는 경사진 윙팁이 앞전이 더 아래로 비틀리도록 하여 내측 날개에 가해지는 굽힘 모멘트를 감소시킨다. 그러나 압력 중심의 상대적인 후방 이동은 플러터를 악화시킨다.[32]

경사진 윙팁은 다음 항공기에 적용되었다.

항공기비고
보잉 767-400ER1999년 10월 9일 첫 비행
보잉 777 모든 세대1994년 6월 12일 첫 비행 (곧 출시될 777X 포함)
보잉 P-8 포세이돈737 파생, 2009년 4월 25일 첫 비행
보잉 787 모든 변형2009년 12월 15일 첫 비행 (단종된 보잉 787-3는 ICAO 비행장 참조 코드 D에 맞추기 위해 51.7m 날개폭을 가졌을 것이며, 이는 경사진 윙팁 대신 블렌디드 윙렛을 사용하여 날개폭을 줄였기 때문이다[33])
보잉 747-82010년 2월 8일 첫 비행
엠브라에르 E-Jet E2
C-390 밀레니엄



3. 4. 스플릿팁 윙렛 (Split-tip Winglet)

맥도넬 더글러스 MD-11은 스플릿팁 윙렛을 처음으로 장착한 항공기였다.

보잉 737 넥스트 제너레이션의 경우, 제3자 공급업체인 Aviation Partners는 보잉 737 MAX 윙팁 장치와 유사한 디자인의 스플릿 스키미터 윙렛을 도입했으며,[34] 유나이티드 항공이 최초 고객이다.[35]

737 MAX 스플릿팁 윙렛

3. 4. 1. 스플릿 시미터 윙렛 (Split Scimitar Winglet)

보잉 737-NG 시리즈에는 선택 사항으로 스플릿 시미터 윙렛(Split Scimitar Winglet)을 장착할 수 있다. 이 윙렛은 초승달 모양의 칼처럼 생겼다고 하여 시미터 윙렛이라고도 불린다.[55] 알래스카 항공, 유나이티드 항공, 사우스웨스트 항공 등에서 일부 기체에 이 윙렛을 장착하여 운항하고 있다.

3. 4. 2. 737 MAX 윙팁

보잉 737 MAX는 새로운 유형의 윙팁 장치를 사용한다.[36] 보잉은 이 새로운 디자인이 윙렛, 윙팁 펜스, 레이크드 윙팁의 세 가지 특징을 결합하여 737 MAX에서 이미 예상되는 10~12%의 연료 효율 개선에 더해 추가적으로 1.5%의 연료 효율 개선을 제공할 것이라고 주장한다.

3. 5. 스파이럴형 (Spiroid)

스파이로이드 윙렛이 장착된 팔콘 50


윙렛의 끝이 나선형으로 날개 끝에 연결되는 스파이럴이라고 불리는 형태이다. 연구 단계에 있으며, Aviation Partners는 2010년 팔콘 50에 폐쇄 표면 스파이로이드 윙렛을 개발하고 비행 시험을 수행했다.[41]

3. 6. 비평면 윙팁 (Non-planar wingtip)

Aviation Partners는 2010년 팔콘 50에 폐쇄 표면 스파이로이드 윙렛을 개발하고 비행 시험을 수행했다.[41]

비평면 윙팁은 일반적으로 다면익 구성에서 위쪽으로 기울어져 있으며, 윙팁 근처의 국부적인 디헤드럴을 증가시킨다. 다면익 설계는 수십 년 동안 자유 비행 모형 항공기 설계에서 인기가 있었다. 비평면 윙팁은 윙렛의 와류 제어 이점을 제공하며, 신중하게 설계하면 기생 항력의 페널티가 적다. 비평면 윙팁은 종종 레이크 윙팁처럼 후퇴되어 있으며, 윙렛과 함께 사용될 수도 있다. 윙렛 또한 비평면 윙팁의 특별한 경우이다.

항공기 설계자들은 윙렛이 도입되기 전인 제2차 세계 대전 이후, 단순한 디헤드럴을 가진 평면 날개 설계를 주로 사용했다. 1990년대 새로운 글라이더 설계에서 윙렛이 널리 받아들여지면서 설계자들은 윙팁 설계의 공기역학적 성능을 더욱 최적화하고자 했다. 글라이더 윙렛은 원래 평면 날개에 직접 개조되었으며, 거의 직각에 가까운 작은 전환 영역만 있었다. 윙렛 자체의 성능이 최적화되자, 날개와 윙렛 사이의 전환에 관심이 쏠렸다. 일반적인 적용은 날개 끝단의 코드에서 윙렛 코드까지 전환 영역을 테이퍼지게 하고, 전환 영역을 뒤로 젖혀 윙렛을 최적의 위치에 배치하는 것이었다. 테이퍼진 부분이 위로 기울어지면 윙렛의 높이도 줄일 수 있었다. 결국, 설계자들은 여러 개의 비평면 섹션을 사용하여 각 섹션이 더 큰 각도로 위로 기울어지게 하여 윙렛을 완전히 없앴다.

Schempp-Hirth Discus-2와 Schempp-Hirth Duo Discus는 비평면 윙팁을 사용한다.

4. 적용 사례



에어버스 A310-300 윙팁 펜스


보잉은 1985년 747의 새로운 버전인 747-400을 발표했는데, 이 기종은 윙렛과 날개 폭 확장을 조합하여 항속 거리와 수송 능력을 향상시켰다. 윙렛은 747-400의 항속 거리를 747-300보다 3.5% 증가시켰다.[1] 다만, 747-400D 변종은 단거리 노선에서 윙렛이 추가적인 무게와 비용만 증가시키면서 최소한의 이점만을 제공하기 때문에 윙팁 연장 및 윙렛이 없다.[1]

일리우신 Il-96은 1988년 윙렛을 장착한 최초의 러시아 및 현대 제트기였다. 봄바디어 CRJ-100/200은 1992년 윙렛을 장착한 최초의 지역 항공기였다. A340/A330은 1993/1994년에 캔티드 윙렛을 장착했다. 투폴레프 Tu-204는 1994년 윙렛을 장착한 최초의 협동체(narrowbody) 항공기였다. 에어버스 A220은 2016년부터 캔티드 윙렛을 장착하고 있다.

혼합형 윙렛은 날카로운 각도가 아닌 부드러운 곡선으로 날개에 부착되며, 날개와 윙렛의 접합부에서 발생하는 간섭 항력을 줄이기 위한 것이다.

일반적인 상업용 제트기는 윙렛 사용으로 연료 효율이 4~6% 증가하고, 비행 중 소음이 최대 6% 감소하는 것으로 나타난다.[21]

항공기윙렛 종류비고
미쓰비시 스페이스 제트표준
혼다 제트표준
보잉 727개조 장착슈퍼 27
보잉 737-100/-200개조 장착1기만 존재
보잉 737-300/-400/-500개조 장착사우스웨스트 항공 -300형 등
보잉 737-NG 시리즈/MAX 시리즈옵션 장착알래스카 항공, 유나이티드 항공, 사우스웨스트 항공 일부 기체는 시미터 윙렛[55]
보잉 747-300타이 국제 항공 등 소유
보잉 747-400표준 장착-400D[56], -400LCF[57] 제외
보잉 757-200/-300개조 장착블렌디드 윙렛
보잉 767-300ER개조 장착일부 제조 시부터 장착, 블렌디드 윙렛
에어버스 A320옵션, 개조 장착 가능샤클렛
에어버스 A330표준 장착
에어버스 A340표준 장착
에어버스 A350표준 장착
맥도넬 더글러스 MD-11표준 장착
걸프스트림 II/III/IV/V/G500/G550II 제외 표준 장착II는 개조 장착
봄바디어 CRJ표준 장착
엠브라에르 E-Jet표준 장착
비치크래프트 킹 에어 시리즈표준 장착C90GTx/250/350
투폴레프 Tu-204표준 장착
일리우신 Il-96표준 장착



맥도넬 더글러스 C-17 글로브마스터 III, 보잉 P-8 포세이돈 등 군용 수송기 및 초계기에도 윙렛이 적용된다. 보잉 747 우주왕복선 수송기에는 수평 안정판에 윙팁 장치가 적용되어 방향 안정성을 높였다.[18]

활공기의 경우, 1991년 텍사스주 유밸디에서 열린 세계 활공 선수권 대회에서 윙렛을 장착한 15미터급 글라이더가 우승을 차지하면서 윙렛의 성능이 입증되었다.[38]

프로펠러기의 프로펠러, 헬리콥터의 메인 로터, 풍력 발전용 풍차 등에도 윙렛과 유사한 장치를 부착하여 항력을 줄이고 효율을 높인다.[47]

일부 천장 선풍기에도 윙렛이 적용되어 효율을 높인다.

자동차 차체에 부착되는 스포일러나 GT 윙 등의 리어 윙에도 날개 끝 와류를 억제하기 위해 '''날개 끝 판'''이 부착되어 있다.

4. 1. 민간 항공기



보잉(Boeing)은 1985년 747의 새로운 버전인 747-400을 발표했는데, 이 기종은 윙렛과 날개 폭 확장을 조합하여 항속 거리와 수송 능력을 향상시켰다. 윙렛은 747-400의 항속 거리를 747-300보다 3.5% 증가시켰다.[1] 747-400D 변종은 다른 747-400에 포함된 윙팁 연장 및 윙렛이 없는데, 윙렛은 단거리 노선에서 추가적인 무게와 비용만 증가시키면서 최소한의 이점만을 제공하기 때문이다.[1]

일리우신 Il-96(Ilyushin Il-96)은 1988년 윙렛을 장착한 최초의 러시아 및 현대 제트기였다. 봄바디어 CRJ-100/200은 1992년 윙렛을 장착한 최초의 지역 항공기였다. A340/A330은 1993/1994년에 캔티드 윙렛을 장착했다. 투폴레프 Tu-204(Tupolev Tu-204)는 1994년 윙렛을 장착한 최초의 협동체(narrowbody) 항공기였다. 에어버스 A220(구 C시리즈)는 2016년부터 캔티드 윙렛을 장착하고 있다.

혼합형 윙렛은 날카로운 각도가 아닌 부드러운 곡선으로 날개에 부착되며, 날개와 윙렛의 접합부에서 발생하는 간섭 항력을 줄이기 위한 것이다. 시애틀에 본사를 둔 에비에이션 파트너스(Aviation Partners)는 걸프스트림 II(Gulfstream II), 호커 800(Hawker 800) 및 팰컨 2000(Falcon 2000)의 개조용 혼합형 윙렛을 개발한다.

2000년 2월 18일, 혼합형 윙렛이 보잉 737-800의 옵션으로 발표되었으며, 첫 번째 기체 세트는 2001년 2월 14일에 장착되어 2001년 5월 8일 하파그 로이드 플루그(Hapag-Lloyd Flug)에서 상업 운항을 시작했다.[23] 에비에이션 파트너스/보잉의 약 2.44m 연장은 장거리 비행 시 항공기 연료 효율(fuel economy in aircraft)을 4% 감소시키고 737-800 또는 파생형 보잉 비즈니스 제트의 항속 거리를 130nmi 증가시킨다.[1] 737 클래식에도 제공되며, 많은 운영업체들이 연료 절감을 위해 자사 항공기에 이를 개조했다. 에비에이션 파트너스 보잉은 또한 757 및 767-300ER에도 혼합형 윙렛을 제공한다.[24]

2006년 에어버스는 에어버스 A320 패밀리용으로 윙렛 기술과 에어버스가 설계한 두 개의 혼합형 윙렛 후보를 테스트했다.[25] 2009년 에어버스는 A320 패밀리의 탑재량-항속 거리를 향상시키고 장거리 구간에서 연료 소비를 최대 4%까지 줄이도록 설계된 "샤클렛" 혼합형 윙렛을 출시했다.[26] 이는 항공기당 연간 700톤의 CO2 감소에 해당한다.[27] 샤클렛이 장착된 A320은 2012년부터 인도되었다.[28][29] 이들은 A320neo, A330neo 및 A350에 사용된다. 또한 개조 옵션으로도 제공된다.[29][30]

일반적인 상업용 제트기는 윙렛 사용으로 연료 효율이 4~6% 증가하고, 비행 중 소음이 최대 6% 감소하는 것으로 나타난다.[21]

항공기윙렛 종류비고
미쓰비시 스페이스 제트표준
혼다 제트표준
보잉 727개조 장착슈퍼 27
보잉 737-100/-200개조 장착1기만 존재
보잉 737-300/-400/-500개조 장착사우스웨스트 항공 -300형 등
보잉 737-NG 시리즈/MAX 시리즈옵션 장착알래스카 항공, 유나이티드 항공, 사우스웨스트 항공 일부 기체는 시미터 윙렛[55]
보잉 747-300타이 국제 항공 등 소유
보잉 747-400표준 장착-400D[56], -400LCF[57] 제외
보잉 757-200/-300개조 장착블렌디드 윙렛
보잉 767-300ER개조 장착일부 제조 시부터 장착, 블렌디드 윙렛
에어버스 A320옵션, 개조 장착 가능샤클렛
에어버스 A330표준 장착
에어버스 A340표준 장착
에어버스 A350표준 장착
맥도넬 더글러스 MD-11표준 장착
걸프스트림 II/III/IV/V/G500/G550II 제외 표준 장착II는 개조 장착
봄바디어 CRJ표준 장착
엠브라에르 E-Jet표준 장착
비치크래프트 킹 에어 시리즈표준 장착C90GTx/250/350
투폴레프 Tu-204표준 장착
일리우신 Il-96표준 장착


4. 2. 군용 항공기

맥도넬 더글러스 C-17 글로브마스터 III, 보잉 P-8 포세이돈 등 군용 수송기 및 초계기에도 윙렛이 적용된다. 보잉 747 우주왕복선 수송기에는 수평 안정판에 윙팁 장치가 적용되어 방향 안정성을 높였다.[18]

4. 3. 기타

활공기의 경우, 1991년 텍사스주 유밸디에서 열린 세계 활공 선수권 대회에서 윙렛을 장착한 15미터급 글라이더가 우승을 차지하면서 윙렛의 성능이 입증되었다.[38] 이후 많은 고성능 글라이더에 윙렛이 장착되고 있으며, 롤 속도 증가, 롤 제어력 향상, 윙팁 실속 감소 등의 조종성 개선 효과도 제공한다.[40] Glaser-Dirks DG-303은 초기 글라이더 파생 설계로, 윙렛을 공장 표준 장비로 통합했다.

프로펠러기의 프로펠러, 헬리콥터의 메인 로터, 풍력 발전용 풍차 등에도 윙렛과 유사한 장치를 부착하여 항력을 줄이고 효율을 높인다.[47] AgustaWestland AW101(구 EH101)의 주 회전 날개는 독특한 팁 모양을 가지고 있는데, 조종사들은 이 로터 설계가 하강류를 변경하여 먼지가 많은 지역에서 시야를 제한하는 브라운아웃을 줄인다는 것을 발견했다.[48]

Hartzell Propeller사는 파이퍼 PA-42 샤이엔 등에 사용되는 "Q-tip" 프로펠러를 개발했는데, 블레이드 끝을 90도로 구부려 프로펠러 디스크의 직경을 줄이면서 동일한 추력을 얻는 방식이다. 제조사에 따르면, 프로펠러 끝 속도가 감소하여 소음이 줄어든다.[47]

일부 천장 선풍기에도 윙렛이 적용되어 효율을 높인다. 빅 애스 팬즈(Big Ass Fans)는 윙팁 장치가 장착된 자사의 아이시스(Isis) 팬이 뛰어난 효율을 보인다고 주장했다.[49]

자동차 차체에 부착되는 스포일러나 GT 윙 등의 리어 윙에도 날개 끝 와류를 억제하기 위해 '''날개 끝 판'''이 부착되어 있다.

5. 대한민국 관련 내용

대한민국의 항공사들은 항공기 운영 효율성을 높이기 위해 윙렛을 장착한 항공기를 도입하여 운영하고 있다. 대한항공과 아시아나항공은 보잉 737, 에어버스 A320 패밀리, 보잉 777, 에어버스 A350 등 다양한 기종에 윙렛을 장착한 항공기를 운영하고 있다.[52] 전일본공수(ANA)는 2009년부터 보잉 767-300ER에 윙렛을 장착하기 시작했다.[53]

한국항공우주연구원(KARI)은 윙렛 기술 개발에 참여하고 있으며, 차세대 항공기 개발에 윙렛 기술을 적용할 계획이다. 대한민국의 항공정비(MRO) 산업은 윙렛 장착 및 개조 서비스를 제공하며, 항공기 성능 개선에 기여하고 있다.

6. 미래 기술

미래 기술과 관련하여, 현재 상용화되지는 않았지만 연구 및 개발이 진행 중인 몇 가지 기술이 있다.

태머랙 항공우주 그룹(Tamarack Aerospace Group)은 2010년에 설립되어 액티브 기술 하중 경감 시스템(ATLAS)에 대한 특허를 받았다. 이 시스템은 태머랙 액티브 캠버 표면(TACS)을 사용하여 항공기가 강한 돌풍이나 급격한 기동과 같은 상황에서 윙팁 장치의 효과를 조절한다. TACS는 플랩 또는 에일러론과 유사한 가동식 패널로, 날개 연장부 후단에 위치한다.[42][43] 이 시스템은 항공기의 전기 시스템과 고속 서보에 의해 제어되며, 항공기가 스트레스 이벤트를 감지하면 활성화된다. 윙팁 자체는 고정되어 있으며, TACS가 윙팁 시스템의 유일한 가동 부분이다. 태머랙은 ATLAS를 세스나 시테이션 항공기에 처음 도입했으며,[42][43] 미국 연방 항공국과 유럽 항공 안전청의 사용 인증을 받았다.[44][45]

XB-70 발키리의 윙팁은 비행 중 아래로 처지도록 설계되어 마하 3 비행 시 웨이브 라이딩을 가능하게 했다.

6. 1. 액티브 윙팁 장치 (Active Wingtip Device)

Tamarack Aerospace의 액티브 윙팁 장치


태머랙 항공우주 그룹(Tamarack Aerospace Group)은 2010년 항공우주 구조 엔지니어 니콜라스 귀다(Nicholas Guida)가 설립한 회사로, 윙팁 장치의 수정된 버전인 액티브 기술 하중 경감 시스템(ATLAS)에 대한 특허를 받았다.[42] 이 시스템은 태머랙 액티브 캠버 표면(TACS)을 사용하여 항공기가 강한 돌풍이나 급격한 기동과 같은 고(高) g 이벤트(high-g events)를 겪을 때 윙팁 장치의 효과를 공기역학적으로 "끄는" 역할을 한다. TACS는 플랩 또는 에일러론과 유사한 가동식 패널로, 날개 연장부의 후단에 위치한다.[42][43] 이 시스템은 항공기의 전기 시스템과 고속 서보에 의해 제어되며, 항공기가 다가오는 스트레스 이벤트를 감지하면 활성화되어, 본질적으로 작동식 윙팁을 시뮬레이션한다. 그러나 윙팁 자체는 고정되어 있으며, TACS는 윙팁 시스템의 유일한 가동 부분이다. 태머랙은 처음으로 ATLAS를 세스나 시테이션 항공기에 도입했으며,[42][43] 미국 연방 항공국과 유럽 항공 안전청의 사용 인증을 받았다.[44][45]

6. 2. 작동형 윙팁 장치 (Actuating Wingtip Device)

능동형 윙팁 장치에 대한 연구가 진행되어 특허 출원도 있었지만,[46] 현재 이 기능을 사용하는 항공기는 없다. XB-70 발키리의 윙팁은 비행 중 아래로 처지도록 설계되어 마하 3 비행 시 웨이브 라이딩을 가능하게 했다.

7. 에어 레이스 적용

피터 포들란섹의 지브코 에지 540에 추가된 아래쪽 방향 윙렛


에어 레이스에서는 연비보다 잦은 턴이 중요하기에 윙렛 장착에 대한 논의가 있었다. 마이크 맨골드 정도만 윙렛을 시도했으나, 2014년 시즌 나이젤 램이 윙렛을 달고 좋은 성적을 거두면서 다른 선수들도 대형 윙렛이나 윙팁 펜스를 추가하기 시작했다.[58][59][60]

피터 포들란섹은 아래쪽으로 향하는 윙렛을 사용한다.

참조

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[54] 비디오 世界の巨大工場Series7 Ep3
[55] 문서 수년 전까지는 기체 인도 후 항공사의 요청으로 보잉사가 장착을 했지만, 지금은 기체 주문 시 장착 여부를 선택할 수 있다.
[56] 문서 일본을 위한 보잉 747-400D에서는 일본 공항 사정과 단거리 비행에서는 효용이 낮아 장착되지 않았지만, 준비 공사는 되어있고, 실제로 ANA가 2대에 장착하여 국제선 사양으로 변경했지만, 국제선 수요 부진 등으로 수년 후에 제거하여 국내선으로 복귀했다.
[57] 문서 비행 시험 중 진동이 발생하여 제거되었다.
[58] 웹사이트 機体について http://l-tike.com/re[...]
[59] 웹사이트 室屋義秀選手 インタビュー： 後編 | Red Bull Air Race http://www.redbullai[...] 2020-05-01 # 2020년 5월로 가정
[60] 웹사이트 増え続けるウイングレット http://www.redbullai[...] Red Bull Air Race 2015-09-04


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