보조 날개
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1. 개요
보조 날개는 항공기의 롤(roll) 제어를 위해 사용되는 조종면으로, 날개 끝 부분에 위치하며, 한쪽 날개의 보조 날개를 올리면 반대쪽 날개의 보조 날개가 내려가면서 양력의 차이를 발생시켜 기체를 회전시킨다. 1864년 매튜 피어스 와트 볼턴이 에일러론의 원리를 처음으로 설명하고 특허를 받았으며, 1904년 로베르 에스노-펠테리의 글라이더에 처음으로 유인 항공기에 사용되었다. 초기에는 날개 휨 방식을 사용했으나, 에일러론의 효과가 입증되면서 1915년경부터 에일러론이 널리 사용되었다. 보조 날개는 단동식, 윙팁, 프리즈, 차동식 등 다양한 종류가 있으며, 혼, 스페이드, 트림 탭, 질량 균형 추 등의 구성 요소를 갖는다. 또한 플래퍼론, 엘리본, 테일러론 등 다른 조종면과 결합하여 사용되기도 하며, 에일러론 리버설, 차동 스포일러, 날개 비틀림 등 보조 날개를 사용하지 않는 롤 제어 방식도 존재한다.
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| 보조 날개 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 항공기 조종면 (항공) |
| 역할 | 롤 (항공) 제어 |
| 위치 | 주 날개 뒷전 바깥쪽 |
| 상세 정보 | |
| 작동 방식 | 항공기가 롤 축을 중심으로 회전하도록 함. 조종석에서 조종간 또는 요크를 사용하여 제어. 조종간을 오른쪽으로 움직이면 오른쪽 에일러론은 올라가고 왼쪽 에일러론은 내려감. 이로 인해 오른쪽 날개의 양력이 감소하고 왼쪽 날개의 양력이 증가하여 항공기가 오른쪽으로 기울어짐. |
| 종류 | 일반적인 에일러론 플랩 에일러론 (플랩과 에일러론의 기능 통합) 스포일러 에일러론 (스포일러를 사용하여 롤 제어) |
| 작동 원리 | 날개 뒷전에 장착되어 위아래로 움직임. 움직임에 따라 날개에 작용하는 양력을 조절하여 롤 제어. |
| 관련 용어 | 조종면 (항공) 롤 (항공) 양력 항력 |
| 추가 정보 | |
| 참고 서적 | 데이비드 W. 래그, 《항공 용어 사전》, 초판, 오스프리, 1973, 12쪽, ISBN 9780850451634 |
2. 역사
에일러론은 1915년경 날개 휨과 같은 다른 형태의 횡방향 제어를 거의 완전히 대체했는데, 이는 방향타와 승강타 비행 제어 기능이 대체로 표준화된 후였다. 에일러론과 그 기능, 즉 횡방향 또는 롤 제어를 누가 먼저 발명했는지에 대해서는 이전에는 많은 상충되는 주장이 있었다.
1904년 로베르 에스노-펠테리의 글라이더에 에일러론이 처음으로 유인 항공기에 사용되었다. 1871년 프랑스 군사 기술자 샤를 르나르는 각 측면에 에일러론(그는 '윙렛'이라고 불렀음)이 장착된 무인 글라이더를 제작하여 비행했는데, 이는 매튜 피어스 와트 볼턴 스타일의 진자 제어 단축 자동 조종 장치로 작동되었다.[3]
옥타브 샤누트는 라이트 형제의 1902년 글라이더에 대한 설명과 도면을 ''L'Aérophile''에 게재했고, 에스노-펠테리는 날개 휨 대신 에일러론을 사용하는 1904년 라이트 스타일 글라이더를 제작했다. 이후 ''L'Aérophile''은 에스노-펠테리의 글라이더에 있는 에일러론 사진을 게재했고, 이는 1905년 6월 그의 기사에 포함되었으며, 그 후 에일러론은 널리 복제되었다.
라이트 형제는 1902년 글라이더에서 롤 제어를 위해 에일러론 대신 날개 휨을 사용했고, 1904년경 그들의 플라이어 II는 당시 유일하게 협조적인 뱅크 회전을 할 수 있는 항공기였다. 초기 동력 비행 시대에 라이트 형제는 가동 표면을 사용한 비행기보다 설계에 더 나은 롤 제어 기능을 갖추었다. 1908년부터 에일러론 설계가 개선되면서 에일러론이 날개 휨보다 훨씬 더 효과적이고 실용적이라는 것이 분명해졌다. 에일러론은 또한 날개 휨 기술과 같이 항공기의 날개 구조를 약화시키지 않는다는 장점도 있었다.
1911년까지 대부분의 복엽기는 날개 휨 대신 에일러론을 사용했고, 1915년까지 에일러론은 단엽기에서도 거의 보편화되었다.
2. 1. 초기 역사 및 용어의 기원
"에일러론"이라는 용어는 프랑스어 "작은 날개(aile)"에서 유래되었으며, 새의 날개 끝 부분을 가리키는 말로 비행 제어에 사용된다. 이 용어는 1877년 Cassell의 프랑스어-영어 사전에 처음 등장했으며,[2] 항공기의 맥락에서는 1908년 프랑스 항공 저널 ''L'Aérophile''에 처음 사용되었다.
1868년 영국의 과학자 매튜 피어스 와트 볼턴은 에일러론 제어 시스템에 대한 특허를 최초로 획득했다. 찰스 맨리는 볼턴의 특허에 대해 "우리가 [수동 횡방향 안정성]과 구별되는 능동적 횡방향 제어의 필요성을 인지한 최초의 기록"이라고 칭찬했으며, C.H. 깁스-스미스도 이에 동의했다. 항공 역사학자 C.H. 깁스-스미스는 에일러론이 "항공 역사상 가장 놀라운 발명품 중 하나였으며 즉시 간과되었다"고 썼다.
2. 2. 에일러론의 발전과 적용
"에일러론"이라는 이름은 프랑스어에서 유래되었으며 "작은 날개"를 의미하며, 새의 날개 끝 부분을 가리켜 비행을 제어하는 데 사용된다. 1908년경 동력 항공기에서 이 용어가 사용되기 전에는 에일러론을 종종 방향타라고 불렀다.에일러론은 1864년 영국의 과학자 매튜 피어스 와트 볼턴이 그의 논문 ''On Aërial Locomotion''에서 처음으로 고안했으며, 1868년에 에일러론 제어 시스템을 최초로 특허받았다. 항공 역사학자 C.H. 깁스-스미스는 에일러론을 "항공 역사상 가장 놀라운 발명품 중 하나였으며 즉시 간과되었다"고 평가했다.
1904년 로베르 에스노-펠테리의 글라이더에 에일러론이 처음으로 유인 항공기에 사용되었다. 1871년 프랑스 군사 기술자 샤를 르나르는 각 측면에 에일러론이 장착된 무인 글라이더를 제작하여 비행했는데, 이는 볼턴 스타일의 진자 제어 단축 자동 조종 장치로 작동되었다.[3]
라이트 형제는 1902년 글라이더에서 롤 제어를 위해 에일러론 대신 날개 휨을 사용했고, 1904년경 그들의 플라이어 II는 당시 유일하게 협조적인 뱅크 회전을 할 수 있는 항공기였다. 1908년부터 에일러론 설계가 개선되면서 에일러론이 날개 휨보다 훨씬 더 효과적이고 실용적이라는 것이 분명해졌다. 에일러론은 날개 휨 기술과 같이 항공기의 날개 구조를 약화시키지 않는다는 장점도 있었다.
1911년까지 대부분의 복엽기는 날개 휨 대신 에일러론을 사용했고, 1915년까지 에일러론은 단엽기에서도 거의 보편화되었다. 제1차 세계 대전을 앞둔 수년간 자국의 항공 기술 발전 부족에 좌절한 미국 정부는 특허 풀을 시행하여 라이트 형제 특허 전쟁을 효과적으로 종식시켰다.
2. 3. 기타 초기 에일러론 설계자
- 존 J. 몽고메리는 미국의 항공 선구자로, 1885년 그의 두 번째 글라이더에 스프링이 달린 뒷전 플랩을 포함시켰다. 이것은 조종사가 작동할 수 있는 보조 날개와 같은 역할을 했다.[4]
- 리차드 피어스는 뉴질랜드의 발명가로, 1902년 초에 작은 보조 날개가 달린 단엽기로 동력 비행을 했다고 알려져 있다. 그러나 그의 주장은 논란의 여지가 있고 때로는 일관성이 없으며, 심지어 그의 보고서에 따르면 그의 항공기는 제대로 제어되지 않았다.
- 1906년 알베르토 산토스-듀몽의 14-bis는 엔진 동력으로 작동하는 보조 날개가 장착된 초기 항공기 중 하나였다. 이 기체는 가장 바깥쪽 날개 베이에 팔각형 평면의 날개 사이 보조 날개를 추가하도록 개조되었다. 그러나 이 롤 제어 표면은 날개 패널의 프레임워크에 직접 경첩으로 연결된 진정한 "뒷전" 보조 날개가 아니었다. 14-bis의 경우, 이들은 대신 ''전방'' 외측 날개 사이 스트러트를 중심으로 한 수평축을 중심으로 회전했으며 날개의 앞쪽 가장자리를 넘어 앞으로 돌출되었다.[5]
- 1908년 5월 18일, 알렉산더 그레이엄 벨이 이끄는 항공 실험 협회의 일원인 프레데릭 워커 볼드윈은 보조 날개로 제어되는 최초의 항공기인 AEA White Wing을 비행했다.
- 헨리 파르망의 1909년 파르망 III에 장착된 보조 날개는 날개 평면 구조에 직접 경첩으로 연결되어 현대 항공기의 보조 날개와 가장 유사했다.
2. 4. 특허 분쟁
1906년, 라이트 형제는 비행 제어 시스템에 대한 광범위한 특허를 획득했다. 이 특허는 날개 휨뿐만 아니라 항공기 날개 끝부분을 조작하여 롤(roll) 제어를 하는 모든 방식에 대한 권리를 주장했다. 존 J. 몽고메리도 날개 비틀림 방법에 대한 특허를 거의 동시에 받았는데, 두 특허 모두 같은 특허 심사관에 의해 승인되었다.[8]라이트 형제는 이 특허를 바탕으로 다른 항공기 제작자들에게 라이선스 수수료를 요구하며 소송을 제기했다. 이들은 측면 롤 제어를 사용하는 모든 비행은 자신들의 허가를 받아야 한다고 주장했다.
이러한 특허 분쟁은 제1차 세계 대전 이전까지 미국의 항공 기술 발전을 저해하는 요인으로 작용했다는 비판을 받았다. 미국 정부는 라이트 형제에게 1%의 로열티를 지불하도록 하는 법률 제정 합의를 통해 특허 분쟁을 해결했다.
3. 비행 역학
보조 날개는 양력을 조절하여 항공기를 회전시키는 역할을 한다. 일반적으로 한쪽 보조 날개를 내리면 다른 쪽 보조 날개는 올라가도록 서로 연결되어 있다. 내려간 보조 날개는 양력을 증가시키고, 올라간 보조 날개는 양력을 감소시켜 항공기를 롤 축을 중심으로 회전시킨다. 현대식 여객기는 날개에 두 번째 보조 날개 쌍을 가질 수도 있으며, '바깥쪽 보조 날개'와 '안쪽 보조 날개'로 구분된다.
주 날개와 꼬리 날개를 갖춘 일반적인 형태의 비행기에서, 보조 날개는 주 날개 뒷부분의 바깥쪽에 장착되어 비행기의 롤 축을 중심으로 회전하거나 선회 비행을 할 때 사용된다.
비행기가 기체를 오른쪽으로 기울일 경우, 조종륜을 시계 방향으로 돌리거나 조종간을 오른쪽으로 젖힌다. 그러면 왼쪽 날개의 보조 날개는 내려가고 오른쪽 날개의 보조 날개는 올라가면서, 왼쪽 날개의 양력은 증가하고 오른쪽 날개의 양력은 감소한다. 이로 인해 무게 중심을 기준으로 기체 뒤쪽에서 볼 때 시계 방향의 모멘트가 발생하여 기체가 오른쪽으로 기울어진다.
선회 비행에서는 일정한 선회 반경을 유지해야 하므로, 오른쪽으로 선회 비행을 할 경우 기체를 오른쪽으로 기울인 후 조종석 아래에 있는 오른쪽 방향타 페달을 밟는다. 그러면 기체 뒤쪽에 있는 수직 꼬리 날개의 방향타(러더)가 오른쪽으로 꺾이면서 기체가 오른쪽으로 선회한다.
보조 날개가 중립 위치에 있으면 회전 바깥쪽 날개는 날개 폭에 걸친 기류 속도 변화로 인해 반대쪽 날개보다 더 많은 양력을 발생시켜 항공기가 계속 회전하는 경향이 있다. 원하는 뱅크 각도(종축을 기준으로 한 회전 각도)를 얻으면 조종사는 날개 폭에 걸친 양력 변화로 인해 뱅크 각도가 증가하는 것을 막기 위해 반대 보조 날개를 사용한다. 이 작은 반대 제어는 회전 내내 유지되어야 한다.
선회 비행 시에는 원심력이 발생하여 기체에 가속도가 더해지며, 그 정도를 '''하중 배수'''로 나타낸다. 하중 배수는 기울기 각도에 비례하여 커지기 때문에 탑승자는 중력이 증가한 것처럼 느껴질 뿐, 옆으로 작용하는 힘(원심력) 등은 느껴지지 않는다. 단, 기울기가 깊어지면 수직 G의 증가가 현저해져 60도 뱅크에서는 2G, 즉 지상에서 안정 시의 2배가 된다. 또한, 기울기에 의해 기체의 양력이 감소하므로 선회 비행 시 실속 속도는 수평 비행 시보다 크다. 이를 보완하기 위해 일반적인 수평 선회에서는 기수를 올리고(피치 축을 중심으로 기수 상향 회전) 파워를 증가시키는 조작을 하면, sin(뱅크 각도) × sin(피치 각도)만큼의 요 축 오른쪽 선회 모멘트가 발생한다.
3. 1. 불리한 요 (Adverse Yaw)
보조 날개 작동의 원치 않는 부작용은 역요인데, 이는 회전과 반대 방향의 요 모멘트(Moment)가 발생하는 현상이다. 예를 들어, 보조 날개를 사용하여 항공기를 오른쪽으로 회전시키면 왼쪽으로 요잉 동작이 발생한다. 항공기가 회전하면서 역요는 부분적으로 왼쪽 날개와 오른쪽 날개 사이의 항력 변화로 인해 발생한다. 상승하는 날개는 증가된 양력을 생성하여 유도 항력을 증가시킨다. 하강하는 날개는 양력이 감소하여 유도 항력이 감소한다. 꺾인 보조 날개로 인한 프로파일 항력은 한쪽은 뒤로 회전하고 다른 쪽은 앞으로 회전함에 따라 양력 벡터의 변화와 함께 차이를 더욱 증가시킬 수 있다.
협동 회전에서 역요는 방향타를 사용하여 효과적으로 보상된다. 방향타는 수직 꼬리에 측력을 발생시켜 역요에 반대되는 유리한 요잉 모멘트를 생성한다. 역요를 보상하는 또 다른 방법은 '차동 보조 날개'로, 내려가는 보조 날개가 올라가는 보조 날개보다 적게 편향되도록 장착되어 있다. 이 경우 반대 요 모멘트는 왼쪽 날개 끝과 오른쪽 날개 끝 사이의 프로파일 항력의 차이로 생성된다. ''프라이즈 보조 날개''는 위로 편향된 보조 날개의 날개 아래로 돌출되어 프로파일 항력의 불균형을 강조한다. 이는 보조 날개가 가장자리에 가깝고 표면 바닥 근처에 약간 뒤쪽으로 경첩으로 고정되어 있으며, 보조 날개가 위로 편향될 때 보조 날개 표면의 하단 부분이 날개의 아래쪽 표면 아래로 약간 돌출되어 해당 측면의 프로파일 항력을 실질적으로 증가시킨다. 보조 날개는 이러한 방법의 조합을 사용하도록 설계될 수도 있다.
보조익을 조작했을 때 공기 저항으로 인해 선회하고 싶은 방향과 반대 방향으로 기수가 흔들리는 현상을 역요(Adverse yaw)라고 한다. 예를 들어 좌측으로 기체를 기울일 경우, 좌익에서는 보조익이 올라가 양력이 감소하고, 반대편 우익에서는 보조익이 내려가 양력이 증가하여 기체를 왼쪽으로 기울이지만, 보조익의 작동 각도가 같아도 보조익의 내림쪽이 올림쪽보다 공기 저항이 크며, 이로 인해 기수는 기울어진 방향과 반대 방향으로 요가 발생한다. 이 현상을 해결하기 위해서는 보조익의 작동 범위를 올림쪽을 크게 하고 내림쪽을 작게 하는 차동 기구를 조종 계통에 조합하여 좌우 보조익을 작동시켰을 때의 공기 저항을 같게 하거나, 또는 주 날개 윗면에 있는 스포일러론을 사용하여 좌측 스포일러만 전개함으로써 좌익의 양력 감소로 좌측 뱅크를 함과 동시에 좌익의 항력 증가로 선회 측으로의 요를 발생시킬 수 있다.
3. 2. 협동 회전 (Coordinated Turn)
협동 회전은 방향타를 사용하여 역요를 효과적으로 보상하는 회전이다. 방향타는 수직 꼬리에 측력을 발생시켜 역요에 반대되는 유리한 요잉 모멘트를 생성한다. 조종사는 역요를 상쇄하고 동체가 비행 경로에 평행한 "협동된" 회전을 만들기 위해 회전과 같은 방향으로 약간의 방향타를 사용한다. 슬립 지시계(볼)는 이러한 협동이 달성되었을 때를 나타낸다.역요를 보상하는 또 다른 방법은 '차동 보조 날개'인데, 내려가는 보조 날개가 올라가는 보조 날개보다 적게 편향되도록 장착하는 것이다. 이 경우 반대 요 모멘트는 왼쪽 날개 끝과 오른쪽 날개 끝 사이의 프로파일 항력 차이로 생성된다. ''프라이즈 보조 날개''는 위로 편향된 보조 날개의 날개 아래로 돌출되어 프로파일 항력의 불균형을 강조한다. 보조 날개는 가장자리에 가깝고 표면 바닥 근처에 약간 뒤쪽으로 경첩이 달려있고, 보조 날개가 위로 편향될 때 보조 날개 표면의 하단 부분이 날개의 아래쪽 표면 아래로 약간 돌출되어 해당 측면의 프로파일 항력을 실질적으로 증가시킨다. 보조 날개는 이러한 방법들을 조합하여 설계될 수도 있다.
선회 비행에는 구심력과 원심력이 균형을 이루어 고도와 선회 반경이 변하지 않는 '''정상 선회''', 구심력보다 원심력이 커서 바깥쪽으로 미끄러지면서 선회하는 '''바깥 미끄러짐 선회''', 원심력보다 구심력이 커서 안쪽으로 미끄러지면서 선회하는 '''안 미끄러짐 선회'''가 있다.
정상 선회 시 기체가 선회를 위해 기울어졌을 경우, 양력의 수직 분력 Lcosθ와 양력의 수평 분력 Lsinθ가 발생한다. 방향타(러더)를 조작하여 요(yaw) 축 회전을 하지만, 방향타 조작을 하지 않으면 기울어진 쪽으로 옆 미끄러짐(슬립)이 발생한다. 기울기에 의한 슬립을 방향타 조작으로 잘 상쇄시키면, 양력의 수직 분력 Lcosθ와 중력 W, 양력의 수평 분력(구심력) Lsinθ와 원심력 F가 모두 균형을 이룬다.
4. 종류 및 구성 요소
보조 날개는 일반적으로 한쪽을 아래로 움직이면 다른 쪽이 위로 움직이도록 상호 연결되어 있다. 내려가는 보조 날개는 해당 날개의 양력을 증가시키는 반면, 올라가는 보조 날개는 해당 날개의 양력을 감소시켜 항공기의 종축(비행기 코에서 꼬리까지)을 중심으로 회전(모멘트)을 발생시킨다. 보조 날개는 보통 날개 끝 근처에 위치하지만, 때로는 날개 뿌리에 더 가깝게 위치하기도 한다. 현대식 여객기는 날개에 두 번째 보조 날개 쌍을 가질 수도 있으며, '바깥쪽 보조 날개'와 '안쪽 보조 날개'로 구분된다.
보조 날개 작동의 원치 않는 부작용은 역요이다. 즉, 회전과 반대 방향으로 요 모멘트가 발생한다. 보조 날개를 사용하여 항공기를 오른쪽으로 회전시키면 왼쪽으로 요잉 동작이 발생한다. 항공기가 회전하면서 역요는 부분적으로 왼쪽과 오른쪽 날개 사이의 항력 변화로 인해 발생한다. 상승하는 날개는 증가된 양력을 생성하여 유도 항력을 증가시키고, 하강하는 날개는 양력이 감소하여 유도 항력이 감소한다. 꺾인 보조 날개로 인한 프로파일 항력은 양력 벡터의 변화와 함께 차이를 더욱 증가시킬 수 있다.
협동 회전에서 역요는 방향타를 사용하여 효과적으로 보상된다. 방향타는 수직 꼬리에 측력을 발생시켜 역요에 반대되는 요잉 모멘트를 생성한다. 다른 보상 방법은 차동 보조 날개로, 내려가는 보조 날개가 올라가는 보조 날개보다 적게 편향되도록 장착하는 것이다. 이 경우 반대 요 모멘트는 왼쪽과 오른쪽 날개 끝 사이의 프로파일 항력 차이로 생성된다. ''프라이즈 보조 날개''는 위로 편향된 보조 날개의 날개 아래로 돌출되어 프로파일 항력의 불균형을 강조한다. 보조 날개는 이러한 방법들의 조합을 사용하도록 설계될 수도 있다.
보조 날개가 중립 위치에 있으면 회전 바깥쪽 날개는 날개 폭에 걸친 기류 속도 변화로 인해 반대쪽 날개보다 더 많은 양력을 발생시켜 항공기가 계속 회전하는 경향이 있다. 원하는 뱅크 각도를 얻으면 조종사는 양력 변화로 인해 뱅크 각도가 증가하는 것을 방지하기 위해 반대 보조 날개를 사용한다. 이 작은 반대 제어는 회전 내내 유지되어야 한다. 조종사는 또한 역요를 상쇄하고 동체가 비행 경로에 평행한 "협동된" 회전을 생성하기 위해 회전과 같은 방향으로 약간의 방향타를 사용한다. 슬립 지시계의 "볼"은 이러한 협동이 달성되었을 때를 나타낸다.
4. 1. 종류
; 단동식 보조익 (Single-acting ailerons)
: 초기 항공 초창기와 제1차 세계 대전 초기 몇 년 동안 사용된 보조 날개이다. 하나의 케이블로 보조 날개를 위로 당기는 방식이었다. 항공기가 정지 상태일 때는 보조 날개가 수직으로 아래로 매달려 있었다. 1909년 파르망 III 복엽기와 쇼트 166에 사용되었다. 날개 휨을 활용하는 이 방식의 "역" 버전은 산토스-뒤몽 ''드무아젤''의 후기 버전에 존재했는데, 날개 끝을 "아래로" 휨 처리했다.[9] 단동식 보조익은 기본적인 상호 연결된 보조 날개보다 요잉(yawing) 경향이 더 크다는 단점이 있었다. 1930년대에는 많은 소형 항공기에서 단동식 제어 장치를 사용했지만, 스틱에서 손을 떼면 보조 날개를 중립 위치로 되돌리기 위해 스프링을 사용했다.
; 윙팁 에일러론 (Wingtip ailerons)
: 1908년 블레리오 VIII에 사용되었으며,[10] 일부 초기 항공기 설계에서는 전체 날개 끝을 회전시켜 별도의 회전 제어 표면으로 롤 제어를 수행하는 "윙팁" 보조 날개를 사용했다. AEA 준 버그가 이러한 형태를 사용했으며, 1916년 독일의 실험기인 포커 V.1과 초기 버전의 융커스 J 7 전-두랄루민 금속 데모기 모노플레인에서도 사용되었다. J 7은 1918년 융커스 D.I 전-두랄루민 금속 독일 전투기 설계로 직접 이어졌다. 윙팁 에일러론은 공격적으로 사용하면, 특히 항공기가 이미 실속의 위험에 처해 있을 경우, 실속될 위험이 있다는 문제가 있었다. 따라서 주로 시제품에 사용되었고, 양산 항공기에서는 더 일반적인 보조 날개로 대체되었다.
; 프리즈 에일러론 (Frise ailerons)
: 브리스톨 항공기 회사[12]의 엔지니어 레슬리 조지 프리즈(Leslie George Frise, 1897–1979)가 개발했다. 1930년대 항공기 속도가 빨라짐에 따라 조종력을 줄이기 위해 개발된 보조 날개 형태이다. 날개 시위선의 약 25~30% 지점과 하단 표면 근처에 회전축을 가진다[http://www.flightglobal.com/pdfarchive/view/1943/1943%20-%202340.html]. 보조 날개가 위로 편향되면(해당 날개가 하강하도록), 보조 날개의 앞전이 날개 아래의 기류 속으로 돌출되기 시작한다. 기류 속의 앞전 모멘트는 뒤전이 위로 이동하는 것을 돕고, 이는 조종력을 감소시킨다. 하강하는 보조 날개는 경계층에 에너지를 추가한다. 보조 날개의 가장자리는 날개 아래쪽에서 보조 날개 위쪽 표면으로 기류를 유도하여 날개의 양력에 추가되는 양력을 생성한다. 이는 보조 날개의 필요한 편향을 줄여준다. 1930년 캐나다산 Fleet Model 2 복엽기와 1938년 미국의 인기 기종 Piper J-3 Cub 단엽기 모두 프리즈 보조 날개를 장착하여 널리 알리는 데 기여했다.
프리즈 보조 날개의 장점은 반대 요잉을 억제하는 능력이라고 주장된다. 이를 위해 보조 날개의 앞전은 날카롭거나 둔하게 둥글어야 하며, 이는 위로 꺾인 보조 날개에 상당한 항력을 추가하고 아래로 꺾인 다른 보조 날개에 의해 생성된 요잉 힘을 상쇄하는 데 도움을 준다. 이는 불쾌하고 비선형적인 효과 및/또는 잠재적으로 위험한 공기역학적 진동(플러터)을 추가할 수 있다.[13] 반대 요잉 모멘트는 기본적으로 항공기 요잉 안정성과 차동 보조 날개 움직임에 의해 상쇄된다.[14]
프리즈형 보조 날개는 슬롯을 형성하여 공기가 낮춰진 보조 날개 위를 부드럽게 흐르게 하여 높은 받음각에서 더욱 효과적이다. 프리즈형 보조 날개는 차동으로 작동하도록 설계될 수도 있다. 차동 보조 날개와 마찬가지로, 프리즈형 보조 날개는 반대 요잉을 완전히 제거하지는 못한다. 보조 날개를 사용할 때 여전히 조화된 방향타 조작이 필요하다.[11]
; 차동 보조익 (Differential ailerons)
: 위로 올라가는 보조익이 아래로 내려가는 보조익보다 더 많이 편향되도록 설계하여 불리한 요를 줄이는 방식이다. 기계적 연결 장치를 신중하게 설계하여 위로 향하는 보조 날개가 아래로 향하는 보조 날개보다 더 많이 편향되도록 만들 수 있다(예: 미국 특허 1,565,097).[15] 이는 높은 받음각에서 보조 날개 편향이 발생할 때 날개 끝단의 실속 가능성을 줄이는 데 도움이 된다. 또한, 결과적인 항력 차이는 역요를 감소시킨다.[16] (또한 위에서 논의됨). 아이디어는 위로 향하는 보조 날개와 관련된 양력 감소는 페널티가 없는 반면, 아래로 향하는 보조 날개와 관련된 양력 증가는 최소화된다는 것이다. 항공기에 가해지는 회전 모멘트는 항상 두 날개 사이의 양력 차이이다. 드 하빌랜드(de Havilland)의 한 설계자는 간단하고 실용적인 연결 장치를 발명했고, 그들의 드 하빌랜드 타이거 모스(de Havilland Tiger Moth) 고전적인 영국 복엽기는 차동 보조 날개를 사용하는 가장 유명한 항공기 중 하나이자 가장 초기의 항공기 중 하나가 되었다.[17]
4. 2. 구성 요소
크고 빠른 항공기는 조종에 큰 힘이 필요할 수 있다. 제1차 세계 대전 중, 경첩 앞쪽으로 조종면 면적을 연장하여 힘을 줄이는 방법(혼 설치)이 보조 날개에 처음 적용되었다. 핸들리 페이지 O, 소프위스 스나이프, 포커 Dr.I, 포커 D.VII 등이 대표적인 예시다. 이후 조종성 향상 및 공기 저항 감소를 위해 균형추를 날개와 일치시켰으나, 프리즈형 보조 날개와 유사하여 현재는 덜 사용된다.[22]
트림 탭 (Trim tabs영어)트림 탭은 보조 날개 뒷전 근처의 작은 가동 부분이다. 뉴턴 제3 운동 법칙에 따라, 프로펠러 회전은 반대 롤 운동을 유발한다. 조종사의 지속적인 압력 부담(피로 유발)을 줄이기 위해 트림 탭으로 압력을 조절("트림 아웃")한다. 탭은 보조 날개와 반대로 편향되어 보조 날개를 움직인다. 트림 탭은 조절 가능형과 고정형이 있다. 고정형은 수동으로 구부리며, 조절 가능형은 조종석에서 제어하여 다양한 출력/비행 자세에 맞춘다. 1950년대 일부 대형 항공기(예: 캐나데어 아르거스)는 트림 탭 편향으로만 제어되는 자유 부동 제어면을 사용했으며, 추가 탭으로 미세 조정했다.
스페이드 (Spades)스페이드는 평평한 금속판으로, 지레 팔로 보조 날개 힌지 앞쪽, 하단 표면에 부착된다. 조종사가 보조 날개를 꺾는 힘을 줄여주며, 곡예 비행 항공기에 주로 사용된다. 보조 날개가 위로 꺾이면 스페이드가 아래로 힘을 생성, 보조 날개를 더 위로 꺾는다. 스페이드 크기(및 지레 팔)가 필요한 힘을 결정한다. 스페이드는 혼과 유사하나, 더 긴 모멘트 팔 덕분에 효율적이다.[22]
질량 균형 추 (Mass balance weights)공기탄성 플러터 위험 속도를 높이기 위해 제어면 무게 중심을 힌지 라인 쪽으로 이동시킨다. 보조 날개 전면에 납 추를 추가하거나, 지레에 추를 추가하여 무게 중심을 앞으로 옮긴다. 물방울 모양의 밸런스 추는 스페이드와 다르지만, 둘 다 보조 날개보다 앞에 있다. 질량 밸런스는 플러터 위험 감소 외에 기동 시 제어면 조작에 필요한 힘도 줄여준다.
보조익 펜스 (Aileron fences)뒤젖혀진 날개의 보조 날개 설계에서, 아래로 꺾일 때 층류 흐름을 방해하는 날개 윗면 기류의 날개 폭 방향 성분을 억제하기 위해 날개 펜스를 설치하기도 한다.
5. 다른 조종면과의 결합
- '''플래퍼론'''(Flaperons)은 보조익과 플랩의 기능을 결합한 조종면이다. 각 날개의 단일 표면은 두 가지 역할을 모두 수행한다. 플래퍼론은 보조익으로 사용될 때 좌우가 차등적으로 작동하고, 플랩으로 사용될 때는 두 플래퍼론이 모두 아래로 작동한다. 플래퍼론이 아래로 작동될 때(예: 플랩으로 사용될 때) 여전히 보조익 기능을 사용할 수 있을 만큼 충분한 움직임의 자유가 남아있다.[20]
- '''엘리본'''(Elevons)은 델타익 항공기 등에서 보조 날개와 승강타의 기능을 결합한 조종면이다.[20]
- '''테일러론'''(Tailerons)은 수평 꼬리 날개를 가진 비행기에서, 승강타를 좌우 독립적으로 움직여 보조 날개의 역할을 하게 한 것이다. 테일(꼬리 날개)과 엘리론을 조합한 조어이다. 테일러론은 또한 항공기 날개에 더 넓은 플랩을 허용한다.[20]
- '''스포일러론'''(Spoilerons)은 스포일러를 좌우 독립적으로 움직여 보조 날개의 역할을 하게 한 것이다.[20]
- '''아웃보드 에일러론'''(Outboard ailerons)과 '''인보드 에일러론'''(Inboard ailerons)은 대형 고속기에서 좌우 주익 후연의 바깥쪽과 안쪽에 각각 설치된 두 개의 보조 날개이다. 저속 비행 시에는 이 두 개의 보조 날개와 스포일러를 작동시키고, 고속 비행 시에는 안쪽의 보조 날개와 스포일러만을 작동시킨다.[20]
6. 에일러론 리버설 (Aileron Reversal)
보조 날개의 조작으로 주익이 비틀려, 의도한 방향과 반대로 기체가 롤하는 현상이다. 얇고 가늘고 긴 주익을 가진 기체가 고속으로 비행할 때 발생하기 쉽다. 주익의 강성이 매우 높으면 발생하지 않지만, 현실적으로는 불가능하며, 현대의 여객기나 수송기 등 대형 고속기에서는 일반적인 보조 날개(엘론)와는 별도로 고속용 보조 날개를 주익의 뿌리 부근에 설치하거나, 테일론이나 스포일론을 장비하는 등의 대책을 취하는 기체가 많다.
주익에 후퇴각을 부여하는 것으로도 완화할 수 있지만, 이 목적으로 후퇴각을 부여하는 경우는 적다.
7. 보조익을 사용하지 않는 롤 제어
초창기 선구 시대 항공기에서는 날개 비틀림(Wing warping) 방식으로 횡 방향 제어를 했다. 예를 들어, 라이트 플라이어와 1909년에 제작된 블레리오 XI, 에트리히 타우베[18]와 같은 기체는 날개의 바깥쪽 부분을 비틀어 받음각을 변경하여 양력을 조절했다. 이 방식은 구조에 스트레스를 주고 조작이 어려우며, 기동 중 받음각이 커진 쪽이 실속될 위험이 있었다. 1916년까지 대부분의 설계자들은 플랩을 선호하여 날개 비틀림 방식을 사용하지 않았다. 그러나 NASA 등에서 X-53 능동 공탄성 날개, 미국 공군의 적응형 순응 날개 시험과 같이 날개 비틀림 방식을 다시 연구하고 있다.
스포일러는 날개 위로 흐르는 기류를 방해하여 양력을 감소시키는 장치이다. 많은 현대 항공기 설계, 특히 제트 항공기는 F-4 팬텀 II 및 노스롭 P-61 블랙 위도우와 같이 스포일러를 보조익 대신 사용하거나 보조익과 함께 사용하여 롤 제어를 한다.
상반각이 큰 항공기는 요-롤 커플링을 통해 안정성을 높인다. 세스나 152/172 시리즈와 같은 훈련기는 방향타만으로 롤 제어가 가능하다. 보잉 737의 방향타는 높은 받음각에서 에일러론보다 더 큰 롤 제어 권한을 가지는데, 이 때문에 방향타가 완전히 편향된 위치에서 고정되어 롤오버를 유발한 사고가 발생하기도 했다(보잉 737 러더 문제).
포커 스핀과 같은 일부 항공기와 모형 글라이더는 수평 제어가 없다. 이러한 항공기는 더 많은 상반각을 사용하여 방향타 편향 시 요와 함께 차동 날개 양력을 발생시켜 롤 모멘트를 유도한다. 이러한 제어 시스템은 플라잉 플리 계열 소형 항공기, 자유 비행(모형 항공기)의 올드 타이머 엔진 구동 모형 항공기의 라디오 컨트롤 버전, 단순한 2기능(피치 및 요 제어) 글라이더 모델 또는 3기능(피치, 요 및 스로틀 제어) 모형 동력 항공기에서 흔히 볼 수 있다.
그 외에도 다음과 같은 롤 제어 방법이 있다.
참조
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서적
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Archived copy
https://web.archive.[...]
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NACA TR 422, Slotted ailerons and Frise ailerons, 1932
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Sky Fever
Wren's Park
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Macdonald
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Aileron Strut patent 1650954
https://patents.goog[...]
[21]
간행물
Patent Safari
[22]
뉴스
レッドブル・エアレース千葉2016を控える室屋義秀選手にふくしまスカイパークでいろいろ聞いてきました - GIGAZINE
https://gigazine.net[...]
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