복엽기
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1. 개요
복엽기는 두 개의 날개가 위아래로 배치된 항공기로, 초기 항공 시대에 널리 사용되었으나, 기술 발전에 따라 단엽기에 밀려났다. 복엽기는 날개 면적을 넓게 확보하기 용이하고 조종성이 뛰어나다는 장점이 있었지만, 날개 간의 공기역학적 간섭과 구조적 문제로 인해 단엽기보다 성능이 떨어졌다. 제1차 세계 대전 시기에는 전투기로 활약했으며, 이후 여객기 및 훈련기로도 사용되었다. 현대에는 곡예 비행, 농업용 등 특수한 목적으로 사용되며, 세스퀴플레인과 같은 변형된 형태도 존재한다.
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| 복엽기 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 고정익 항공기 |
| 날개 구성 | 상하 2개의 날개 |
| 주요 특징 | 양력 증가, 구조적 강성, 단점: 항력 증가 |
| 초기 용도 | 항공기 설계의 초기 형태, 제1차 세계 대전 및 1930년대까지 널리 사용됨. |
| 역사 및 개발 | |
| 초기 복엽기 | 라이트 플라이어 등 초기 항공기에서 일반적 |
| 제1차 세계 대전 | 복엽기가 전투기, 폭격기, 정찰기 등 다양한 용도로 사용 |
| 기술 발전 | 단엽기 설계 발전으로 복엽기 점차 사라짐 |
| 현대 복엽기 | 곡예비행, 농업용 항공기 등 특수 용도로 일부 사용 |
| 대표적인 복엽기 | 드 하빌랜드 타이거 모스 보잉 스터먼 모델 75 안토노프 An-2 |
| 구조 및 작동 원리 | |
| 날개 구조 | 위쪽 날개와 아래쪽 날개로 구성, 일반적으로 스트럿과 와이어로 연결 |
| 양력 발생 | 상하 날개 모두 양력 발생에 기여, 복엽기는 단엽기보다 더 많은 양력을 생성 가능 |
| 항력 | 복엽기는 날개가 2개이므로 단엽기보다 항력이 큼 |
| 장점과 단점 | |
| 장점 | 더 작은 날개 면적으로 동일한 양력 생성 가능 구조적 강성이 높음 저속에서도 안정적인 비행 가능 |
| 단점 | 단엽기보다 항력이 큼 속도가 느림 구조가 복잡하고 무거움 |
| 복엽기의 현대적 활용 | |
| 곡예비행 | 뛰어난 기동성과 저속 안정성으로 곡예비행에 적합 |
| 농업용 항공기 | 저속에서 안정적인 비행이 가능하여 농약 살포, 파종 등에 사용 |
| 레저용 항공기 | 일부 복엽기는 클래식 항공기 마니아들의 사랑을 받고 있음 |
| 추가 정보 | |
| 관련 용어 | 단엽기, 삼엽기, 고정익 항공기 |
2. 특징
복엽기는 두 개의 날개가 위아래로 배치된 형태의 항공기이다. 1920년대에는 활공기로도 복엽기가 사용되었다. 각 날개는 양력의 일부를 제공하지만, 비슷한 크기의 단일 날개(단엽기)가 제공하는 양력의 두 배를 생성하지는 못한다. 위쪽 날개와 아래쪽 날개가 서로 가까이에서 영향을 주고받기 때문이다. 위아래 날개 사이에 간격이 없는 복엽기는 동일한 익형과 종횡비를 가진 단엽기보다 양력 계수가 10~15% 감소한다.[1] 제2차 세계 대전 시기에는 글로스터 글래디에이터와 같은 전투기로도 복엽기가 사용되었다.
아래쪽 날개는 보통 동체에 부착되고 위쪽 날개는 캐빈 스트럿 배열을 통해 동체 위로 올라간다. 주 날개 하나 또는 둘 모두에 에일러론을 장착할 수 있으며, 플랩은 보통 아래쪽 날개에 장착된다. 날개 자체가 캔틸레버 구조가 아닌 경우, 익면 스트럿과 지지 와이어를 통해 위쪽과 아래쪽 날개를 지지한다.
복엽기에서 여러 개의 익면 지주로 둘러싸인 공간을 '베이(bay)'라고 한다. 양쪽 날개를 연결하는 한 세트의 지주를 가진 복엽기는 '단일 베이 복엽기'라고 하며, 폭커 D.VII, 드 하빌랜드 타이거 모스와 같은 소형 항공기에 사용되었다.[5] 2인승 커티스 JN-4 제니는 '2베이 복엽기'이다. SPAD S.XIII는 2베이 복엽기처럼 보이지만 실제로는 단일 베이 복엽기이며, 중간 지지대는 구조적으로 연결되지 않은 보조 지주이다.[6] 소푸위스 1½ 스트러터는 W자형 캐번을 가졌지만 날개를 연결하지 않아 베이 수에 포함되지 않는다.[7] 대형 폭격기 복엽기는 더 많은 베이를 필요로 했으며, '다중 베이 복엽기'라고 불린다. 체펠린-린다우 D.I와 같이 익면 지주가 없는 복엽기는 '지주 없는' 복엽기로 분류된다.[8]
다음은 다양한 베이 구조를 가진 복엽기들의 예시이다.
| 명칭 | 베이 | 파일 |
|---|---|---|
| 체펠린-린다우 D.I | 지주 없는 복엽기 | -- |
| 뉴포트 23 | 단일 베이 세스퀴플레인 | -- |
| SPAD S.XIII | 보조 지주가 있는 단일 베이 복엽기 | -- |
| 커티스 JN-4 | 2베이 복엽기 | -- |
| 핸들리 페이지 V/1500 | 4베이 복엽기 | -- |
2. 1. 장점
복엽기는 단엽기보다 가벼운 무게로 더 큰 강성을 결합할 수 있다는 장점이 있다. 초기 단엽기는 외부 보강재로 구조적 깊이를 해결해야 했지만, 복엽기는 본래 깊은 구조를 가지고 있어 가볍고 강하게 만들기 쉽다. 캔틸레버 방식이 아닌 단엽기의 와이어 장치는 각도가 날카로워 외익 강성 확보를 위한 장력이 더 필요하다. 복엽기는 각도가 반대 힘과 직선으로 일치해 이상적인 상태에 가깝기 때문에 전체 구조가 더 강하다. 와이어로 지지되는 단엽기는 여러 세트의 비행 및 착륙 와이어를 갖는 경우가 많지만, 복엽기는 하나의 베이(bay)와 한 세트의 착륙 및 비행 와이어로 쉽게 제작될 수 있다.[2]복엽기 날개의 스파(spar)에 작용하는 구조적 힘은 네 개의 스파로 나뉘어 경향이 낮아지므로, 동일 강도를 얻기 위해 더 적은 재료를 사용할 수 있어 더 가볍다. 주어진 날개 면적도 경향적으로 짧아져 스파의 굽힘 모멘트가 감소하여 더 가볍게 제작할 수 있다. 그러나 날개 사이 간격 유지를 위한 추가 스트럿은 무게와 항력을 증가시킨다.
초기 항공 시대에는 엔진 출력이 낮아 항공기 속도가 제한되었다. 이 때문에 낮은 실속 속도가 필요했고, 이는 낮은 날개 하중을 요구하여 큰 날개 면적과 가벼운 무게를 결합해야 했다. 복엽기는 날개가 길어지지 않고 유연해지지 않으면서 충분히 큰 날개 면적을 얻기 쉬웠다.
더 작은 복엽기 날개는 더 큰 조종성을 제공한다. 제1차 세계 대전 이후, 이는 복엽기 시대를 연장하는 데 도움이 되었고, 성능 단점에도 불구하고 대부분의 전투기는 1930년대 중반까지 복엽기였다. 전문 스포츠 곡예 비행 복엽기는 여전히 소량 생산되고 있다.
2. 2. 단점
복엽기는 두 날개가 서로 간섭하여 공기역학적 효율이 떨어진다. 윗 날개 아래쪽의 고압 공기와 아랫 날개 위쪽의 저압 공기가 서로 상쇄되는 현상이 발생하여, 비슷한 크기의 단엽기에 비해 양력이 두 배가 되지 않는다. 날개 간 간격을 넓히면 간섭은 줄어들지만, 간격을 유지하기 위한 스트럿이 길어져야 한다. 간섭을 크게 줄이려면 간격이 매우 커야 한다.[2]복엽기는 날개 사이 간격을 유지하기 위해 추가적인 스트럿이 필요한데, 이는 무게와 항력을 증가시킨다. 복엽기 날개의 스파(spar)에 작용하는 구조적 힘은 네 개의 스파로 분산되어 동일한 강도를 얻기 위해 더 적은 재료를 사용할 수 있지만, 추가 스트럿으로 인해 무게와 항력이 증가하는 단점이 있다.
초기 항공기 엔진의 낮은 출력으로 인해 낮은 실속 속도가 필요했고, 이는 낮은 날개 하중을 요구하여 큰 날개 면적과 가벼운 무게를 가져야 했다. 복엽기는 날개를 길게 만들지 않고도 큰 날개 면적을 얻을 수 있었지만, 엔진 출력과 속도가 증가하면서 두꺼운 캔틸레버 날개를 가진 단엽기가 실용화되면서 복엽기는 개선의 여지가 적었다.
2. 3. 세스퀴플레인
세스퀴플레인(Sesquiplane)은 한쪽 날개(보통 하익)가 다른 쪽에 비해 현저하게 작은 복엽기의 한 형식이다.[13][14] 라틴어에서 유래한 용어로, "1.5개의 날개"를 의미한다. 이러한 배열은 복엽기의 구조적 장점을 유지하면서 항력과 무게를 줄일 수 있다. 하익은 날개폭이 훨씬 짧거나 현이 줄어들 수 있다.[13]예시로는 1915년부터 1917년까지 연합군 공군의 중추를 이룬 뉴포트 10부터 뉴포트 27까지의 뉴포트 군용 항공기 시리즈가 있다.[15] 뉴포트 세스퀴플레인의 성능은 매우 인상적이어서 Idfliegde(독일 비행 부대 감찰관)는 자국 항공기 제조업체에 복제품 생산을 요청했으며, 이는 여러 대의 노획 항공기와 상세한 도면의 도움으로 이루어졌다. 가장 유명한 복제품 중 하나는 지멘스-슈쿠케르트 D.I이다.[16] 뉴포트에서 일반적인 배치를 복제한 알바트로스 D.III과 D.V는 마찬가지로 제1차 세계 대전 중 독일군의 중추를 이루었다.[2] 알바트로스 세스퀴플레인은 조종사들로부터 기동성과 고상승률로 높은 평가를 받았다.[17]
전간기 동안 세스퀴플레인 구성은 계속해서 인기가 있었으며, 뉴포트-델라주 NiD 42/52/62 시리즈, 폭커 C.Vd & e, 포테즈 25와 같이 많은 유형의 항공기가 여러 공군에서 사용되었다. 일반 항공 부문에서는 웨이코 커스텀 캐빈 시리즈와 같은 항공기가 비교적 인기가 있었다.[18] 사로 윈드호버는 위쪽 날개보다 아래쪽 날개가 더 작은 세스퀴플레인이었는데, 이는 반대의 경우보다 훨씬 드문 구성이었다.[19] 팔츠 D.III 또한 다소 특이한 세스퀴플레인 배열을 특징으로 하며, 단일 스파 세스퀴플레인에서 발생하는 플러터 문제를 해결한 두 개의 스파가 있는 더욱 견고한 아래쪽 날개를 가지고 있다.[20]
3. 역사적 배경
복엽기는 위아래 두 개의 날개를 가진 비행기로, 초기 항공기 개발사에 중요한 역할을 했다. 19세기 말부터 20세기 초, 복엽기는 당시 기술적 한계로 인해 단엽기보다 더 튼튼하고 안정적인 구조를 제공했기에 널리 쓰였다.
복엽기는 날개 면적을 넓혀 양력을 늘리고, 날개 사이 버팀대와 와이어로 구조 강도를 높였다. 그러나 위아래 날개 사이 공기 흐름 간섭, 버팀대와 와이어에 의한 항력 증가로 효율이 낮았다.
1930년대 이후 항공 기술 발전과 금속제 단엽기 등장으로 복엽기는 쇠퇴했다. 그러나 제2차 세계 대전 중에도 훈련기, 어뢰 폭격기 등으로 일부 사용되었고, 현대에도 스포츠기, 농업용 등 특수 용도로 쓰인다.
2020년 나고르노-카라바흐 분쟁에서 아제르바이잔이 적 레이더망 유인을 위해 무인 복엽기 An-2를 띄워, 복엽기가 가장 최근까지 무기로 사용된 사례가 되었다.[49]
3. 1. 초기 역사
조지 케일리 경은 1843년에 날개를 겹쳐 쌓는 방식을 제안했다.[21] 1894년 하이럼 맥심은 이 아이디어를 자신의 증기 동력 시험 장치에 적용했는데, 이 장치는 이륙했지만 안전 레일로 고정되었다.[22] 오토 릴리엔탈은 1895년에 두 가지 다른 형태의 복엽 행글라이더를 설계하고 비행했지만,[23] 단엽기로 더 유명하다.[24] 1896년까지 옥타브 샤뉴트가 이끄는 미국의 젊은이들은 복엽기를 포함한 행글라이더를 비행했고, 외부 지주식 복엽기가 단엽기보다 동력 비행에 더 나은 전망을 제공한다는 결론을 내렸다. 1903년, ''라이트 플라이어'' 복엽기는 최초의 성공적인 동력 비행기가 되었다.[25]초창기에는 복엽기와 단엽기가 모두 일반적이었지만, 제1차 세계 대전이 발발할 무렵, 여러 단엽기 구조물의 파손으로 인해 영국군 RFC는 모든 군용 단엽기를 지상에 묶어두는 "단엽기 금지령"을 내리면서 복엽기가 선호되었다.[26] 프랑스도 전투 임무에서 대부분의 단엽기를 철수시키고 훈련용으로 전환했다. 당시에는 단엽기가 전투 중에 본질적으로 안전하지 않다는 믿음이 널리 퍼져 있었다.[27][28]
3. 2. 제1차 세계 대전
제1차 세계 대전 발발 무렵, 여러 단엽기 구조물의 파손으로 인해 영국군 RFC는 모든 군용 단엽기를 지상에 묶어두는 "단엽기 금지령"을 내리면서 복엽기가 선호되었다.[26] 프랑스도 전투 임무에서 대부분의 단엽기를 철수시키고 훈련용으로 전환했다. 당시에는 단엽기가 전투 중에 본질적으로 안전하지 않다는 믿음이 널리 퍼져 있었다.[27][28]1914년부터 1925년 사이에 새로 도입된 항공기의 대다수가 복엽기였지만, 제1차 세계 대전 후반기에 독일은 폭커 D.VIII과 같은 신세대 단엽기를 실험했는데, 만약 전쟁이 더 일찍 끝나지 않았다면 복엽기의 장점을 더 빨리 종식시켰을 수도 있었다.[29] 프랑스의 뉴포트 17과 독일의 알바트로스 D.III과 같은 아래 날개가 짧은 세스퀴플레인 형태는 기존 복엽기보다 항력이 낮으면서 단엽기보다 강했다.
3. 3. 전간기 (제1차 세계 대전과 제2차 세계 대전 사이)
전간기에는 많은 복엽기 여객기가 도입되었다. 영국의 드 헤이빌랜드 드래곤은 간단한 설계로 런던-파리 노선과 같은 바쁜 노선에서 6명의 승객을 수송할 수 있는 특히 성공적인 항공기였다.[31] 1934년 8월 초, '캐리부의 발자취'라는 한 대의 항공기가 캐나다 본토와 영국 사이를 30시간 55분 만에 무착륙 비행을 최초로 성공했지만, 이 장거리 비행의 목표는 원래 이라크 바그다드였다.[32] 상대적인 성공에도 불구하고, 영국은 더 강력하고 우아한 드 헤이빌랜드 드래곤 래피드를 선호하면서 드래곤의 생산을 빠르게 중단했다. 드래곤 래피드는 드래곤의 후속 기종으로 속도와 편안함을 향상시키기 위해 특별히 설계되었다.[33]사용 가능한 엔진 출력과 속도가 증가함에 따라 외부 지주의 항력 손실이 항공기 성능을 점점 더 제한했다. 더 빠르게 비행하려면 공기역학적으로 깨끗한 설계를 만들기 위해 외부 지주를 줄여야 했지만, 초기 캔틸레버 설계는 너무 약하거나 너무 무거웠다. 1917년 융커스 J.I 세스퀴플레인은 모든 비행 표면에 골판지 알루미늄을 사용하여 지주를 최소화했지만, 얇은 금속 피부가 손상되기 쉽고 지상 승무원의 주의 깊은 취급이 필요했다.[34] 1918년 체펠린-린다우 D.I 전투기는 완전 캔틸레버식의 금속 응력 피부 모노코크 복엽기였지만, 전투에 사용되기에는 너무 늦게 등장했다.[8]
1930년대가 되자 복엽기는 성능 한계에 도달했고, 특히 제1차 세계 대전 이후 단엽기가 점점 더 보편화되었던 유럽 대륙에서 단엽기가 점점 더 우세해졌다. 제2차 세계 대전이 시작될 무렵, 여러 공군은 여전히 전선에서 복엽기 전투기를 운용하고 있었지만 더 이상 경쟁력이 없었고, 대부분은 훈련이나 함재기 운용과 같은 틈새 역할에 사용되었다. 영국의 글로스터 글래디에이터 복엽기, 이탈리아의 피아트 CR.42 팔코, 소련의 I-153 세스퀴플레인 전투기는 1939년 이후에도 여전히 운용되었다.[35][36] 항공 저술가 지아니 카타네오에 따르면, CR.42는 이탈리아 북부 전역의 산업 시설을 공격하는 RAF 폭격기에 대한 방어적인 야간 전투기 역할에서 성공을 거두었다.[37][38]
3. 4. 제2차 세계 대전
제2차 세계 대전이 발발할 무렵, 여러 공군은 여전히 전선에서 복엽기 전투기를 운용하고 있었지만 더 이상 경쟁력이 없었고, 대부분은 훈련이나 함재기 운용과 같은 틈새 역할에 사용되었다. 영국의 글로스터 글래디에이터 복엽기, 이탈리아의 피아트 CR.42 팔코, 소련의 I-153 세스퀴플레인 전투기는 1939년 이후에도 여전히 운용되었다.[35][36] 항공 저술가 지아니 카타네오에 따르면, CR.42는 이탈리아 북부 전역의 산업 시설을 공격하는 RAF 폭격기에 대한 방어적인 야간 전투기 역할에서 성공을 거두었다.[37][38]
영국 함대 항공대는 항공모함에서 페어리 소드피시 어뢰 폭격기를 운용했고, 전쟁이 끝날 때까지 대잠전 역할에서 이 기종을 사용했는데, 이는 주로 상대적으로 작은 갑판을 가진 호위 항공모함에서 운용할 수 있었기 때문이다. 낮은 실속 속도와 본질적으로 견고한 설계는 북대서양의 종종 혹독한 기상 조건에서도 운용하기에 이상적이었다.[39] 전쟁이 끝날 무렵, 소드피시는 다른 어떤 연합군 항공기보다 더 많은 추축국 선박을 격침시킨 것으로 유명했다.[40]
독일의 하인켈 He 50과 소련의 폴리카르포프 Po-2는 제2차 세계 대전 내내 야간 지상 공격 임무에서 상대적인 성공을 거두었다. Po-2의 경우, 전쟁이 끝난 후에도 생산이 계속되어 1952년경까지 이어졌다.[41] 한국 전쟁 중에는 상당수의 Po-2가 조선인민군 공군에 의해 운용되었고, 유엔군 기지에 대한 야간 공습으로 심각한 피해를 입혔다.[42] Po-2는 또한 기록된 제트기 격추 사례를 가진 유일한 복엽기이기도 한데, 한 대의 록히드 F-94 스타파이어가 저공 비행하는 Po-2를 공격하기 위해 속도를 줄이는 과정에서 손실되었다.[43]
후기 복엽기 훈련기로는 왕립 공군(RAF), 왕립 캐나다 공군(RCAF) 등에서 사용된 드 헤이빌랜드 타이거 모스와 전후 프랑스와 벨기에 공군에서 운용된 스탐프 SV.4가 있다. 스티어먼 PT-13은 미국 육군 항공대(USAAF)에서 널리 사용되었고, 미 해군은 해군 항공 공장 N3N을 운용했다. 후에 미국에서 민간용으로 사용되면서 스티어먼은 윙워킹과 같은 스턴트 비행과 저고도에서 장애물을 피해야 하는 농약 살포와 특히 관련이 있었다.
3. 5. 현대
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현대에도 공간 절약성이나 롤 특성 등의 이유로 스포츠기, 농업용 기계, 초경량 동력기(울트라라이트 플레인)에 복엽기가 남아 있다.
항공 역학적 연구 대상으로는 유도 항력이나 충격파 저감, 초소형 무인 항공기(Micro air vehicle)에 대한 적용 등 몇 가지 가능성이 연구되고 있다.[50][51]
대부분의 초경량 항공기는 단엽기이지만, 저속과 간단한 구조로 인해 이지 라이저(Easy Riser)(1975년~)와 같이 소수의 복엽 초경량 항공기가 개발되었다. 래리 마우로(Larry Mauro)가 제작한 이지 라이저는 태양전지로 전기 모터를 구동하는 솔라 라이저(Solar Riser) 버전도 있으며, "구스 아버지(Father Goose)" 빌 리시먼(Bill Lishman)에 의해 사용되었다.[44]
다른 복엽 초경량 항공기로는 벨기에에서 디자인된 아비아수드 미스트랄(Aviasud Mistral), 독일의 FK12 코멧(FK12 Comet)(1997년~), 라이트 플라이어(Lite Flyer) 복엽기,[45][46] 셔우드 레인저(Sherwood Ranger), 머피 레네게이드(Murphy Renegade)가 있다.
곡예 비행 및 농업용 항공기와 같은 특수한 역할에서는 여전히 현대 복엽기 설계가 존재한다. 복엽기의 경쟁 곡예 비행 역할과 형식은 1930년대 중반 우데트 U 12 플라밍고와 웨이코 테이퍼윙에 의해 잘 정의되었다. 피츠 스페셜은 제2차 세계 대전 이후 수년 동안 곡예 비행을 지배했고 현재도 생산 중이다.
대부분의 복엽기 설계에는 왕복 엔진이 장착되었다. 예외로 안토노프 An-3과 WSK-미엘레츠 M-15 벨페고르는 각각 터보프롭과 터보팬 엔진을 장착했다. 그루만 Ag Cat과 같은 일부 구형 복엽기 설계는 터보프롭 엔진을 장착한 업그레이드 버전으로 제공된다.
가장 많이 생산된 두 가지 복엽기 설계는 1913년 영국의 애브로 504(11,303대 생산)와 1928년 소련의 폴리카르포프 Po-2(2만 대 이상 생산)인데, Po-2는 애브로 504의 소련 복제품을 대체한 기종이다. 두 기종 모두 훈련기로 널리 사용되었다. 안토노프 An-2도 1만 8천 대 이상 생산되면서 매우 성공적이었다.
복엽기가 가장 최근까지 무기로 사용된 사례는 2020년 나고르노-카라바흐 분쟁이다. 아제르바이잔 측이 적 레이더망을 유인하기 위해 무인 복엽기 An-2를 유인용으로 띄웠다.[49]
4. 부제만 복엽익
1930년대에 독일의 항공공학자 아돌프 부제만이 제안한 부제만 복엽익을 전후 NASA 등이 연구했다. 이것은 두 장의 날개에 발생한 충격파를 간섭시켜 상쇄하는 것으로, 초음속기에 발생하는 충격파의 저감이 기대되었지만, 다음과 같은 문제로 연구는 중단되었다.
- 받음각이 변화하면 간섭이 무너져 버린다.
- 초음속 순항 상태 이외에는 오히려 기존의 날개보다 항력이 크다.
- 날개 끝에서는 간섭이 무너진다.
상기 문제를 해결하기 위해, 전익기처럼 동체를 위쪽 날개 위에 배치하고, 상하 날개 끝을 접촉시킴으로써 장점을 유지하면서 단점을 상쇄하는 방안이 연구되고 있다.[60][61] 이러한 날개의 양 끝을 연결하여 링 모양으로 한 날개 형상 평면은 Closed wing|폐쇄익영어이라고 불린다.
참조
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