1. 지면 효과 (Ground Effect) 의 개념
우선 본론에 들어가기 전에 지면 효과에 대해 장황하게 설명해 보겠습니다. 지면 효과를 이용한 기체들은 Ground Effect Vehicle (GEV), WIG (Wing in ground effect) 선, sea skimer, ekranoplan, WISE (Wing in Surface Effect) 선 등 매우 다양한 이름을 가지고 있지만 아무튼 지면 효과를 이용했다는 공통점을 가지고 있습니다. 여기에서는 편의상 명칭을 위그 (WIG) 선 이라고 통일 하겠습니다.
지면 효과는 오래전 부터 항공기 역학의 일부로 그 효과가 알려져 있습니다. 항공기가 하늘을 날 수 있는 이유는 양력 (Lifting force) 때문입니다. 날개의 아래와 위의 압력 차이에 의해 발생되는 양력을 그림으로 표현하면 아래와 같습니다.
( 양력은 날개 위의 공기 압력이 날개 위는 낮아지고 날개 아래는 높아지는 압력차에 의해 발생한다. 양력에 대한 자세한 설명은 생략 the copyright holder of this work, release this work into the public domain. )
그런데 불행하게도 항공기의 날개가 날기 위해 필요한 양력만 발생시키지는 않습니다. 날개에서 발생하는 힘에는 날개 끝에서 발생하는 와류 (Wingtip vortex) 와 양력에 의해 발생하는 유도 항력 (induced Drag) 이 있습니다. 이들은 항공기에 항력으로 작용해서 같은 힘으로도 항공기의 속도를 느리게 하고 연료를 더 잡아먹게 만드는 역활을 합니다.
날개 끝 와류는 날개의 길이가 무한하지 않고 결국 끝이 있기 때문에 발생하게 됩니다. 이 와류는 날개의 끝에서 소용돌이로 발생합니다. 이는 마치 유속이 빠른 강에서 바위 뒤에 소용돌이가 생기는 것과 비슷합니다. 그리고 이런 와류로 인해 날개 뒤에 생기는 공기는 아래로 내려가려는 흐름, 즉 내리 흐름 (Downwash) 이 발생합니다. (아래 그림 참조)
(날개 끝에 발생하는 와류와 이 와류로 인해 생기는 내리 흐름, 날개 아래를 지나는 공기는 와류의 소용돌이 때문에 더 아래로 끌려 내려가게 되고 이는 내리흐름을 만든다. 출처 :http://en.wikipedia.org/wiki/File:Tip_vortex_rollup.png )
(항공기의 양끝에서 발생하는 와류가 날개 밑 공기의 흐름을 아래 방향으로 끌어 당깁니다)
좀 다른 이야기지만 이와 같은 날개 끝 와류는 때때로 꽤 아름다운 광경을 연출합니다.
(나사에서 와류를 실험하기 위해 붉은 색 연막을 사용해서 찍은 사진 This file is in the public domainbecause it was created by NASA )
(훈련 도중 플레어를 방출하는 C - 17. 플레어로 인한 연기가 와류 및 내리흐름으로 인해 천사의 날개같은 모양으로 나타난다. 이를 smoke angel 이라 부르기도 한다. 위에서 설명한 내용을 이해했다면 왜 이런 모양이 되는지 이해할 수 있다. As a work of the U.S. federal government, the image or file is in the public domain. )
이렇게 장황하게 와류와 내리흐름을 설명한 이유는 유도 항력 (induced drag)을 설명하기 위해서 입니다. 위에서 설명한 날개 끝의 공기 흐름은 날개에 들어오는 공기를 아랬쪽으로 향하게 합니다. 따라서 날개로 들어오는 공기의 흐름이 날개와 수평 방향이 아니라 약간 경사지게 들어옵니다. 이는 물론 날개 자체에서 발생하는 공기의 흐름에 의해서도 아래쪽 방향으로 공기가 틀어지게 됩니다.
(유도 항력의 원리 출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/File:Induce_drag_downwash.png )
위의 그림에서 본래 들어와야 하는 공기의 방향이 파란색으로 표시된 relative airflow 입니다. 하지만 실제로는 공기가 아래 방향으로 흐르게 되어 실제 흐름은 붉은 색으로 표시된 effective relative air flow 대로 공기가 흐릅니다. 결국 양력은 이 흐름에 수직으로 발생하므로 양력은 붉은색 화살표 방향으로 생겨납니다. 즉 실제 발생하는 양력이 수직 방향 힘만 아니라 결국 벡터 분해시 뒤로 가는 힘을 발생시킵니다. 이것이 유도항력 (Induced Drag) 입니다.
이렇게 장황하게 유도 항력, 양력, 날개끝 와류, 내리흐름등을 열심히 설명한 이유는 이제 부터 설명할 지면 효과와 플로팅 (floating) 현상을 설명하기 위한 것입니다. 항공기에서 발생하는 지면 효과는 사실 비행기 역사의 초기 부터 그 존재가 알려집니다. 비행기가 지면 가까이 착륙할 때 지면에 가까워 지면서 공기의 흐름이 변해서 양력이 증가 붕뜨는 현상이 발생합니다. 플로팅이라고 알려진 이 현상은 착륙시 조종사를 애를 먹게 만드는 원인이 되기도 합니다. 그 이유는 지면 효과 때문입니다. 일단 항공기가 지면 근처로 내려오면 날개 주변의 공기 흐름이 변합니다.
위의 그림에서 보듯이 날개끝 와류와 내리 흐름이 지면의 방해로 인해 제대로 형성되지 못합니다. 이는 결과적으로 유도 항력을 낮추어 동일한 에너지로 속도를 증가시키게 됩니다. 또 지면에 날개가 아주 가까워 지면 이로 인해 날개 아래의 공기의 압력이 더 증가하게 됩니다. 이는 추가적인 양력을 제공합니다.
위의 그림에서 처럼 지면 근처에서는 날개 아래 압력이 상승하고 유도 항력은 감소하여 항공기가 위로 뜨는 힘인 양력이 증가하고 속도 또한 증가합니다. 이를 지면효과 (Ground effect) 라 부릅니다. 이는 착륙시 애를 먹게 만드는 일이기도 한데 특히 활주로가 짧은 항모 착함시 애를 먹게 만드는 요인이기도 합니다.
하지만 결국 항공기를 아주 낮은 고도에서 날도록 제작한다면 지면 효과의 힘으로 적은 에너지로도 높은 속도와 보다 많은 양력을 얻어낼 수도 있을 것입니다. 이런 개념에서 생겨난 것이 바로 지면 효과를 이용한 위그선입니다.
(다음에 계속)
참고 :
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