슬랫
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1. 개요
슬랫은 항공기 날개 앞전에 장착되어 양력을 증가시키고 실속을 지연시키는 보조 날개이다. 고정형과 전동형 슬랫으로 구분되며, 전동 슬랫은 조종사의 제어에 따라 작동한다. 슬랫이 펼쳐지면 날개 윗면의 공기 흐름을 활성화하여 실속 속도를 낮추고, 이착륙 시와 같은 저속 비행 조건에서 유용하게 사용된다. 슬랫은 1914년 마르셀 슬랫에 의해 개발되었으며, 제2차 세계 대전 중 독일 항공 기술 발전에 기여했다. 최근에는 가변 날개 및 비행 제어 시스템 통합 연구가 진행 중이다.
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| 슬랫 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 슬랫 |
| 영어 명칭 | Leading-edge slat |
| 설명 | 날개 앞전(Leading Edge)에 장착되어 작동하는 고양력 장치 |
| 작동 원리 | |
| 주요 기능 | 받음각 증가 없이 실속 방지 |
| 작동 방식 | 날개 앞전 틈새를 통해 흐르는 공기로 날개 윗면의 경계층 에너지를 증가시킴 주날개 위 흐름을 개선하여 받음각 증가 없이 양력 증가 |
| 종류 | |
| 작동 방식에 따른 분류 | 자동 슬랫: 공기 역학적 힘에 의해 자동으로 작동 수동 슬랫: 조종사가 필요에 따라 작동 |
| 장착 위치에 따른 분류 | 앞전 전체 슬랫: 날개 앞전 전체 길이에 걸쳐 장착 부분 슬랫: 날개 앞전 일부에만 장착 |
| 장점 | |
| 저속 성능 향상 | 이착륙 시 활주 거리 단축 및 안전성 향상 |
| 실속 방지 | 받음각 증가 시 실속 발생 지연 |
| 단점 | |
| 항력 증가 | 슬랫 작동 시 항력 증가로 순항 속도 감소 |
| 무게 증가 | 슬랫 장착으로 항공기 무게 증가 |
| 복잡성 증가 | 슬랫 작동 시스템의 복잡성으로 인한 유지 보수 비용 증가 |
| 활용 | |
| 주요 활용 분야 | 여객기 수송기 군용기 |
| 특정 기종 예시 | 보잉 727 보잉 737 에어버스 A320 |
| 참고 사항 | |
| 관련 장치 | 플랩 (Flap) |
2. 유형
슬랫은 작동 방식에 따라 다음과 같은 주요 유형으로 분류된다.
- 자동형 슬랫: 공기력 변화에 따라 스프링으로 자동 전개된다. 때때로 '''핸들리 페이지 슬랫'''이라고도 한다.
- 고정형 슬랫: 영구적으로 확장된 상태로 고정되어 있으며, 특수한 저속 항공기나 단순성이 중요한 경우에 사용된다. 고정형 슬랫으로 형성된 구조를 슬롯이라고 부르기도 한다.
- 전동 슬랫: 조종사의 제어에 따라 작동하며, 주로 여객기에 사용된다.
2. 1. 자동형 슬랫
스프링이 장착된 슬랫으로, 평소에는 날개의 앞전과 같은 높이로 유지된다. 이때 슬랫은 날개에 작용하는 공기의 힘(공력)에 의해 제자리에 고정된다. 항공기 속도가 느려지면 공력이 감소하고, 이때 스프링의 힘으로 슬랫이 자동으로 펼쳐진다. 이 방식의 슬랫을 핸들리 페이지 슬랫(Handley-Page slats)이라고 부르기도 한다.2. 2. 고정형 슬랫
고정형 슬랫은 영구적으로 확장된 상태를 유지하도록 설계된다. 이는 특수한 저속 항공기에 사용되거나(이 경우 슬롯이라고도 부른다), 속도보다 구조의 단순성이 더 중요할 때 사용된다.2. 3. 전동 슬랫
Powered slats|전동 슬랫eng은 조종사의 제어를 통해 확장할 수 있는 슬랫이다. 이 방식은 주로 여객기에서 사용된다.3. 작동 원리
슬랫의 코드(익현)는 일반적으로 날개 코드의 몇 퍼센트 정도이며, 날개 바깥쪽 3분의 1 또는 전체 전연에 걸쳐 설치될 수 있다.
초기 루드비히 프란틀과 같은 공기역학자들은 슬랫이 높은 에너지를 가진 공기 흐름을 주 에어포일 쪽으로 유도하여 경계층에 활력을 불어넣고 실속을 지연시킨다고 생각했다.[1] 하지만 실제로는 슬랫이 슬롯을 통과하는 공기의 속도를 높이지 않으며(오히려 감소시킨다), 경계층 바깥의 공기는 모두 동일한 엔탈피를 가지므로 특별히 '고에너지' 공기라고 할 수 없다는 점이 밝혀졌다.
슬랫의 실제 작동 원리는 슬랫과 주 날개 사이의 복잡한 공기역학적 상호작용에 기반한다. 구체적으로 슬랫은 주 날개와의 상호작용을 통해 압력 분포를 변화시키고(슬랫 효과), 서로의 순환을 증대시키며(순환 효과), 슬랫 후류의 속도를 조절하고(덤핑 효과), 효율적인 압력 회복을 돕고(표면 외부 압력 회복), 새로운 경계층을 형성하는(새로운 경계층 효과) 등의 복합적인 방식으로 양력을 증가시키고 실속을 방지한다.[2][3]
또한 슬랫은 일부 새의 날개에 있는 알룰라와 기능적으로 유사한 역할을 수행한다.
3. 1. 슬랫 효과
초기 공기역학자들, 예를 들어 루드비히 프란틀 같은 학자들은 슬랫이 높은 에너지를 가진 공기 흐름을 주 익형 쪽으로 유도하여 경계층에 활력을 불어넣고 실속(stall)을 지연시킨다고 생각했다.[1] 하지만 실제로는 슬랫이 슬롯을 통과하는 공기의 속도를 높이지 않으며(오히려 감소시킨다), 경계층 바깥의 공기는 모두 동일한 엔탈피를 가지므로 특별히 '고에너지' 공기라고 할 수도 없다.슬랫의 실제 효과는 다음과 같다:[2][3]
; 슬랫 효과
: 슬랫(앞쪽 요소)의 순환으로 인해 주 날개(뒤쪽 요소) 앞쪽 가장자리(전연)의 공기 속도가 감소하여, 주 날개의 압력 최고점을 낮춘다.
; 순환 효과
: 주 날개의 순환이 슬랫의 순환을 증가시켜 전체적인 공기역학적 성능을 향상시킨다.
; 덤핑 효과
: 슬랫 뒤쪽 가장자리에서 나오는 공기 흐름의 속도가 주 날개의 순환에 의해 증가하여, 공기 흐름이 날개 표면에서 떨어져 나가는 분리 현상을 완화하거나 양력을 증가시킨다.
; 표면 외부 압력 회복
: 슬랫 후류(wake)에서 속도가 감소하는 과정이 벽면과의 접촉 없이 효율적으로 이루어진다.
; 새로운 경계층 효과
: 슬랫과 주 날개 각각의 전연에서 새로운 경계층이 시작된다. 새로 생긴 얇은 경계층은 두꺼운 경계층보다 더 강한 역압력 구배(adverse pressure gradient)를 견딜 수 있다.[3]
슬랫은 일부 새들의 날개에 있는 알룰라(alula)와 유사한 역할을 한다. 알룰라는 새가 엄지손가락처럼 생긴 부위로 조절할 수 있는 깃털 묶음이다.
3. 2. 순환 효과
후방 요소(주 날개)의 순환은 전방 요소인 슬랫의 순환을 증가시키는 효과를 낸다. 이는 전체적인 공기역학적 성능 향상으로 이어진다.[2][3]3. 3. 덤핑 효과
슬랫의 후연에서 배출되는 공기의 속도는 주 에어포일의 순환 때문에 증가한다. 이를 덤핑 효과라고 하며, 이 효과는 공기 흐름의 분리 문제를 완화하거나 양력을 증가시키는 데 기여한다.[2][3]3. 4. 표면 외부 압력 회복
슬랫 웨이크의 감속은 벽과 접촉하지 않고 효율적인 방식으로 발생한다.[3]3. 5. 새로운 경계층 효과
각 새로운 요소는 전연에서 새로운 경계층으로 시작한다. 얇은 경계층은 두꺼운 경계층보다 더 강한 역 구배를 견딜 수 있다.[3]3. 6. 알룰라와의 비교
슬랫은 일부 조류의 날개에서 발견되는 알룰라와 유사한 역할을 한다. 알룰라는 새가 엄지 부분을 이용해 조절하여 펼칠 수 있는 깃털 또는 깃털 그룹이다.4. 역사
슬랫은 항공기의 날개 앞부분에 장착되어 실속 속도를 낮추고 저속 비행 성능을 향상시키는 고양력장치이다. 슬랫의 개발은 항공 역사에서 중요한 진전 중 하나로 평가받는다.
슬랫의 개념은 1918년 독일의 구스타프 라흐만에 의해 처음 고안되었으며, 그는 1917년 룸플러 C 비행기의 실속 관련 추락 사고를 보고 아이디어를 얻었다.[4] 비슷한 시기 영국에서도 핸들리 페이지 사가 독자적으로 슬롯형 날개를 개발하고 있었다. 두 개발자는 특허 분쟁을 피하기 위해 협력하기로 했고, 이는 슬랫 기술의 발전에 중요한 계기가 되었다. 초기 슬랫은 Airco DH.9와 같은 항공기에 장착되어 시험되었으며, 이후 핸들리 페이지 H.P.20과 같은 실험기로 발전했다.[5][6] 핸들리 페이지 사는 슬랫 설계 라이선스를 통해 1920년대에 상당한 수입을 올렸다. 초기 디자인은 날개 앞전에 고정된 슬롯 형태였으며, 이는 주로 단거리 이착륙(STOL) 항공기에 적용되었다.
제2차 세계 대전 중에는 독일 항공기들이 더욱 발전된 형태의 자동 슬랫을 사용하기 시작했다. 이 슬랫은 특정 받음각에 도달하면 자동으로 펼쳐져 항력을 줄이고 비행 안정성을 높이는 방식이었다. 피젤러 Fi 156 ''슈토르히''에 장착된 고정식 슬랫은 뛰어난 단거리 이착륙 성능을 가능하게 했으며, 메서슈미트 사의 항공기들도 자동 슬랫을 널리 사용했다.
전후에는 슬랫 기술이 더욱 발전하여 유압 장치나 전기로 작동하는 방식이 일반화되었고, A-4 스카이호크와 같은 제트기를 포함한 더 크고 다양한 항공기에 적용되기 시작했다. 현대 항공기에서 슬랫은 안전하고 효율적인 비행을 위한 필수적인 요소로 자리 잡았다.
4. 1. 초기 개발
슬랫은 1918년 구스타프 라흐만에 의해 처음 개발되었다. 라흐만은 1917년 8월 룸플러 C 비행기의 실속 관련 추락 사고를 계기로 이 아이디어를 떠올렸고, 같은 해 쾰른에서 작은 나무 모형을 제작했다. 1918년, 라흐만은 독일에서 전방 가장자리 슬랫에 대한 특허를 제출했다.[4] 그러나 독일 특허청은 날개를 나누어 실속을 늦출 수 있다는 가능성을 믿지 않아 처음에는 특허 출원을 거부했다.한편, 영국에서는 핸들리 페이지 사가 라흐만과는 별개로 슬롯형 날개를 개발하고 있었다. 이 기술은 높은 받음각에서 날개 윗면의 공기 흐름 분리를 지연시켜 실속을 방지하는 방식이었으며, 1919년에 특허를 신청했다. 그들은 특허 분쟁을 피하기 위해 라흐만과 소유권 계약을 체결했다. 같은 해, Airco DH.9 항공기에 슬랫을 장착하여 시험 비행을 진행했다.[5] 이후 Airco DH.9A는 저속 성능 향상을 시험하기 위해 전체 날개폭에 걸친 앞전 슬랫과 뒷전 에일러론(나중에 뒷전 플랩으로 불림)이 장착된 대형 날개를 가진 단엽기로 개조되었다. 이는 나중에 핸들리 페이지 H.P.20으로 알려지게 되었다.[6] 몇 년 후, 핸들리 페이지 항공 회사에 고용된 라흐만은 핸들리 페이지 햄든을 포함한 여러 항공기 설계를 담당했다.
슬랫 설계에 대한 라이선스 판매는 1920년대 핸들리 페이지 사의 주요 수입원 중 하나가 되었다. 원래 설계는 날개 앞전 근처에 고정된 슬롯 형태였으며, 이 디자인은 여러 단거리 이착륙(STOL) 항공기에 사용되었다.
4. 2. 핸들리 페이지와의 협력
구스타프 라흐만과는 별도로, 영국에 있는 핸들리 페이지 사는 높은 받음각에서 날개 윗면의 공기 흐름 분리를 지연시켜 실속을 늦추는 방법으로 슬롯형 날개를 개발하였고, 1919년에 특허를 신청하였다. 특허 분쟁을 피하기 위해 핸들리 페이지는 라흐만과 소유권 계약을 체결했다. 같은 해, Airco DH.9 항공기에 슬랫을 장착하여 시험 비행을 진행했다.[5] 이후 Airco DH.9A는 저속 성능 향상을 시험하기 위해, 전체 날개 길이에 걸쳐 앞전 슬랫과 함께 작동할 수 있는 뒷전 에일러론(나중에 뒷전 플랩으로 불림)이 장착된 대형 날개를 가진 단엽기로 개조되었다. 이 실험기는 나중에 핸들리 페이지 H.P.20으로 알려지게 되었다.[6] 몇 년 후, 라흐만은 핸들리 페이지 항공사에 고용되어 핸들리 페이지 햄든을 포함한 여러 항공기 설계를 담당했다.슬랫 설계에 대한 라이선스 판매는 1920년대 핸들리 페이지 사의 주요 수입원 중 하나가 되었다. 초기 슬랫 디자인은 날개 앞전 근처에 고정된 슬롯 형태였으며, 이 방식은 여러 단거리 이착륙(STOL) 항공기에 사용되었다.
4. 3. 제2차 세계 대전
제2차 세계 대전 동안 독일의 항공기들은 일반적으로 더 발전된 형태의 슬랫을 장착했다. 이 슬랫은 평상시에는 공기 압력에 의해 날개 앞전에 밀착되어 항력을 줄이다가, 받음각이 임계 각도까지 증가하면 자동으로 튀어나오는 방식이었다.당시 주목할 만한 슬랫은 독일 피젤러 Fi 156 ''슈토르히''에 장착된 것이었다. 이 슬랫은 접이식 슬랫과 비슷해 보였지만, 실제로는 접히지 않는 고정식이었다. 이러한 설계 덕분에 피젤러 Fi 156은 약한 바람 속에서도 45m 미만의 거리에서 이륙하고 18m 거리에서 착륙하는 뛰어난 단거리 이착륙 성능을 보여주었다.
메서슈미트사가 설계한 항공기들은 대부분 자동 스프링 방식의 앞전 슬랫을 사용했다. 다만 알렉산더 리피쉬가 설계한 메서슈미트 Me 163B ''코메트'' 로켓 전투기는 예외였는데, 이 기체는 슬랫 대신 날개 바깥쪽 앞전 바로 뒤에 고정된 슬롯을 내장하는 방식을 채택했다.
4. 4. 현대의 슬랫
제2차 세계 대전 이후, 슬랫은 더 큰 항공기에도 사용되었으며 일반적으로 유압 장치나 전기에 의해 작동한다. A-4 스카이호크의 슬랫은 스프링 장착되었으며 특정 속도 이하에서 공기 하중에 의해 작동되었다.
5. 연구 동향
슬랫을 대체하거나 보완하기 위한 다양한 기술 연구 및 개발 노력이 진행되고 있다. 주요 연구 방향으로는 에일러론, 승강타, 엘리본, 플랩, 플래퍼론 등 기존 비행 제어 시스템의 기능을 날개 자체에 통합하려는 시도와, 비행 중 날개 형상을 변경하는 가변 날개 기술 개발 등이 있다.[7][8][9] 이러한 기술들은 항공기의 성능 향상과 효율 증대에 기여할 것으로 기대되며, 특히 무인 항공기(UAV)나 6세대 전투기 개발에 중요한 역할을 할 수 있다.
5. 1. 가변 날개
가변 날개는 슬랫과 경쟁할 수 있는 유망한 접근 방식 중 하나이다. 이는 날개 표면의 대부분 또는 전부가 비행 중 공기 흐름을 제어하기 위해 형태를 변경할 수 있는 기술을 의미한다. 대표적인 예로는 미국 항공 우주국(NASA)의 X-53 능동 공탄성 날개 프로젝트와 군사 및 상업적 목적으로 개발된 적응형 유연 날개가 있다.[7][8][9]5. 2. 비행 제어 시스템 통합
다양한 기술 연구 및 개발 노력을 통해 에일러론, 승강타, 엘리본, 플랩, 플래퍼론과 같은 비행 제어 시스템의 기능을 날개에 통합하여 공기역학적 목적을 수행하려는 시도가 이루어지고 있다. 이러한 통합은 다음과 같은 여러 장점을 제공한다.- 질량, 비용, 항력 감소: 항공기의 무게를 줄이고 제작 비용을 절감하며, 비행 중 공기 저항을 줄여 효율성을 높인다.
- 관성 감소: 더 빠르고 강력한 제어 응답을 가능하게 한다.
- 복잡성 감소: 움직이는 부품이나 표면 수를 줄여 기계적으로 단순화하고 유지 보수를 용이하게 한다.
- 스텔스 기술 성능 향상: 레이더 단면적을 줄여 탐지 가능성을 낮춘다.
이러한 장점 때문에 해당 기술은 많은 무인 항공기(UAV) 및 6세대 전투기에 적용될 가능성이 있다.
한편, 슬랫과 경쟁할 수 있는 유망한 접근 방식 중 하나로 가변 날개가 있다. 가변 날개는 날개 표면의 대부분 또는 전부가 비행 중 공기 흐름을 제어하기 위해 형태를 변경할 수 있는 기술이다. 미국 항공 우주국(NASA)의 X-53 능동 공탄성 날개 프로젝트가 대표적인 연구 사례이며, 군사 및 상업 분야에서도 적응형 유연 날개와 같은 관련 기술 개발이 진행되고 있다.[7][8][9]
참조
[1]
서적
Theory of wing sections
Dover Publications
[2]
논문
High-Lift Aerodynamics
1975
[3]
웹사이트
High-Lift Aerodynamics
http://www.arvelgent[...]
McDonnell Douglas Corporation
1975-06
[4]
웹사이트
Experiments with slotted wings
http://naca.central.[...]
National Advisory Committee for Aeronautics
2018-10-14
[5]
간행물
Developments In Aircraft Design By The Use Of Slotted Wings
https://www.flightgl[...]
1921-12-22
[6]
뉴스
Developments In Aircraft Design By The Use Of Slotted Wings
http://www.flightglo[...]
Flight
1921-12-22
[7]
뉴스
Morphing Wings
http://www.aviationw[...]
2006-11-27
[8]
웹사이트
FlexSys Inc.: Aerospace
http://www.flxsys.co[...]
2011-04-26
[9]
웹사이트
Mission Adaptive Compliant Wing – Design, Fabrication and Flight Test
http://www.flxsys.co[...]
FlexSys Inc., Air Force Research Laboratory
2011-04-26
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