면적 규칙

Area rule
전체 기체를 따라 단면적 분포가 파동 항력을 결정하며, 실제 형태와 거의 무관하다. 파란색과 연한 녹색 모양은 대략 면적이 같다.

트랜스닉 영역 규칙이라고도 불리는 휘트콤 영역 규칙은 마하 0.75에서 1.2 사이에 발생하는 트랜스닉 속도에서 항공기의 항력을 줄이기 위해 사용되는 설계 절차다. 초음속에서는 존스가 개발한 초음속 영역 규칙이라는 다른 절차가 사용된다.

트랜소닉은 오늘날 상업 및 군사용 고정익 항공기에 있어 가장 중요한 속도 범위 중 하나로, 트랜소닉 가속은 전투 항공기에 중요한 성능 요건이며 트랜소닉 드래그 감소에 의해 개선된다.

설명

고음속 비행 속도에서 기류의 국소 속도는 항공기 본체와 날개를 중심으로 흐름이 가속되는 음속까지 도달할 수 있다. 이러한 개발이 발생하는 속도는 항공기마다 다르며, 임계 마하 수로 알려져 있다. 이러한 음속 흐름의 구역에서 형성되는 결과적인 충격파는 파형 드래그라고 불리는 드래그의 급격한 증가를 일으킨다. 이러한 충격파의 수와 강도를 줄이기 위해 공기역학적 형상은 단면 영역에서 전면에서 후면까지 가능한 한 부드럽게 변화해야 한다.

면적 규칙은 동일한 세로 단면적 분포를 가진 두 대의 항공기는 면적이 횡방향으로 분포되는 방식(즉, 동체 내 또는 날개 내)과는 무관하게 동일한 파동 항력을 가지고 있다고 말한다. 나아가 강한 충격파가 형성되지 않도록 항공기의 외부 형태를 세심하게 배치해 단면적이 코에서 꼬리로 최대한 부드럽게 바뀌도록 해야 한다. 날개의 위치에서는 동체가 좁아지거나 "받침"된다. 기체 단면적은 호커 시들리 부카네르에서 행한 것으로, 기체의 존재를 보상하기 위해 기체 옆면을 기포 캐노피 아래 및 꼬리 표면에서 평평하게 하여 줄여야 할 수 있다.[1]

초음속 영역 규칙으로 알려져 있고 존스가 개발한 "초음속에서의 날개-몸체의 항력 이론"[2]이라는 다른 영역 규칙이 트랜소닉을 넘어서는 속도에서도 적용 가능하지만, 이 경우 설계 속도에 대한 마하 원뿔의 각도와 관련하여 단면적 요건이 설정된다. 예를 들어 마하 1.3에서 항공기의 코에 의해 발생하는 마하 원뿔의 각도가 각도 μ = 아크신(1/M) = 50.3°(여기서 μ는 마하 각도라고도 하며, M은 마하 수라고 한다)가 된다는 점을 고려한다. 이 경우 "완벽한 모양"은 뒤쪽으로 치우쳐 있으므로 초음속 저파 항력을 위해 설계된 항공기는 대개 뒤쪽으로 날개를 가지고 있다.[3]

시어스-하크 본체

피상적으로 관련된 개념은 Sears-Hack 본체인데, 그 형태는 일정한 길이와 부피에 대해 최소한의 파동 항력을 허용한다. 그러나 시어즈-하크 체형은 소거동 초음속 흐름을 지배하는 프란틀-글라우어트 방정식에서 출발한다. 그러나 이 방정식은 면적 규칙이 적용되는 트랜스닉 흐름에는 유효하지 않다. 따라서 시어즈-하크 체형이 부드러워지면 면적 규칙에 따라 유리한 파도 드래그 특성을 지니게 되겠지만 이론적으로 최적의 상태는 아니다.[4]

역사

독일.

1944년 3월부터 정크스 팻말이 그림을 그렸다.

이 지역 규칙은 오토 프레즐이 1943년부터 1945년 사이에 독일에서 준커스의 트랜소닉 풍동 작업을 하던 중 스윕날개와 파고가 극도로 높은[5] w-윙을 비교했을 때 발견했다. 그는 1943년 12월 17일 아노르드릉 폰 베르드라응싱싱크뢰펜(Anordnung von Verdragenskörpern beim Hochgeschwindigkeitsflug)이라는 제목으로 설명을 썼는데, 이는 1944년에 제출된 특허에 사용되었다.[6] 이 연구결과는 1944년 3월 도이치 아카데미에 데어 루프트파흐르트포르스충(독일항공과학원)에서 테오도르 조벨이 '초고속 항공기의 성능을 높이기 위한 재정적으로 새로운 방법'이라는 강연에서 광범위에 제시했다.[7]

후속 독일 전시 항공기 설계는 메서슈미트 P.112, P.1106 및 Focke-Wulf 1000x1000형 장거리 폭격기를 포함한 항공기의 슬림한 중간 융단에서도 확인되지만 헨셸 Hs135를 포함한 델타 윙 설계에서도 확인된다. 몇몇 다른 연구자들은 비슷한 이론을 발전시키는데 근접했는데, 특히 디트리히 쿠체만이 1946년 미군에 의해 발견되었을 때 "쿠체만 콜라병"이라고 불린 테이퍼형 전투기를 설계했다. 이 경우 쿠체만은 기체와 스윕 날개 사이의 분기점에서 기류, 특히 간섭, 즉 국소 흐름의 흐름을 연구하여 이론에 도달했다. 동체는 흐름에 맞게 휘어져 있거나, 또는 뒤로 젖혀져 있었다. 이 "근거리 필드" 접근법의 형상 요구사항은 휘트콤의 소닉 영역 규칙을 이용하여 드래그 축소를 위한 후기 "원거리 필드" 접근법에서도 비롯될 수 있다.[8]

미국

월리스 D. 초음속 비행의 선구자인 헤이스는 1947년 캘리포니아 공과대학 박사학위 논문에서 시작된 출판물에서 트랜소닉 영역 규칙을 개발했다.[9]

1955년 4월: 휘트콤은 자신의 지역 규정에 따라 설계된 모형 항공기를 검사한다.

리처드 T. 휘트콤은 이 규칙의 이름을 따서 NACA에서 일하는 동안 1952년에 독립적으로 이 규칙을 발견했다. NACA 랭글리 연구센터에서 최대 0.95의 성능을 가진 풍동인 신형 8피트 고속터널을 이용하던 중 충격파 형성에 따른 항력 증가에 깜짝 놀랐다. Whitcomb는 분석적 목적을 위해 비행기가 혁명의 유선형 몸체로 감소할 수 있고, 갑작스러운 불연속성을 완화시키기 위해 가능한 한 길게 늘일 수 있으며, 따라서 똑같이 갑작스러운 드래그 상승이 발생할 수 있다는 것을 깨달았다.[10] 그 충격은 Schlierren 사진을 사용하여 볼 수 있었지만, 그들이 소리 속도에 훨씬 못 미치는 속도로 만들어지고 있었던 이유는, 때로는 마하 0.70까지 낮은 속도로, 미스터리로 남아 있었다.

1951년 말, 연구소는 제2차 세계 대전 후 랭글리로 이주한 독일의 유명한 공기역학자인 아돌프 부세만의 강연을 주최하였다. 그는 공기가 더 이상 압축할 수 없는 액체로 작용하지 않을 때 그것의 속도가 중요한 마하 수치에 근접할 때 비행기 주위의 공기 흐름의 행동에 대해 이야기했다. 엔지니어들은 항공기 몸 주위로 부드럽게 흐르는 공기를 생각하는 데 익숙했지만, 고속에서는 단순히 "빠져 나갈 시간"을 갖지 못하고 대신 흐름의 단단한 파이프인 것처럼 흐르기 시작했는데, 부즈만이 말하는 개념은 유선형과는 반대로 "스트림파이프"라고 불렀고, 농담으로 엔지니어들은 그렇게 해야 한다고 제안했다. 스스로를 "파이프 피터"라고 간주한다.

며칠 후 휘트콤은 "유레카"의 순간을 맞이했다. 끌림이 높은 이유는 공기의 '파이프'가 서로 3차원으로 간섭하고 있기 때문이었다. 단순히 항공기의 2D 단면 위로 흐르는 공기를 과거에 다른 사람들이 볼 수 있었던 것처럼만 고려하는 것이 아니라, 이제는 이러한 스트림파이프와 상호작용할 수 있는 항공기의 "사이드"까지 공기를 고려해야 했다. 휘트컴은 형상이 기체에만 적용되는 것이 아니라 항공기 전체에 적용되어야 한다는 것을 깨달았다. 그것은 날개와 꼬리의 추가적인 단면적이 전체적인 형상에서 설명되어야 한다는 것을 의미했고, 기체는 그들이 만나는 곳에서 더 이상에 가깝게 좁혀져야 한다는 것을 의미했다.

적용들

이 지역 규정은 1952년부터[11] 군사 프로그램 비밀리에 미국 항공기 산업에 제공되었고, 1957년에 민간 프로그램용으로 보고되었다.[12]

컨베어와 그룸맨은 휘트콤의 도움을 받아 동시에 그룸맨 F-11 타이거를 설계하고 콘베어 F-102를 재설계하는 데 사용했다.[13] 그루먼 F-11 타이거는 두 대의 항공기 중 가장 먼저 비행했으며 처음부터 지역 규칙을 사용하여 설계되었다.[14] 콘베어 F-102 델타 단검은 설계 속도가 마하 1.2였지만 마하 1에 도달할 수 없어 재설계해야 했다. 설계 속도에 도달할 것이라는 기대는 낙관적인 풍향터널 드래그 예측에 기초했다.[15][16] 날개 옆에 동체를 집어넣고 항공기 후면에 볼륨을 더하는 등의 수정은 트랜스닉 드래그를 크게 감소시켰으며 마하 1.2 설계 속도에 도달했다. 이러한 전투기에 면적 규칙을 사용하는 이유는 마하 1에서 발생하는 항력의 피크 값을 감소시켜 다른 방법보다 적은 추력으로 초음속 속도를 가능하게 하기 위함이었다.

1957년, 운송 항공기의 아음속 순항속도를 50mph까지 높이기 위해 수정된 지역 규칙을 이용할 수 있었다.[17] 크루즈 속도는 날개 위쪽에 국소 초음속 유량이 있음을 나타내는 드래그 급상승에 의해 제한된다. 휘트콤의 변형된 규칙은 충격 전 초음속 속도를 줄였는데, 이 때문에 초음속 속도가 약해지고 이에 관련된 드래그가 줄어들었다. 컨베어 990에는 필요한 순항속도를 달성할 목적으로 날개 상단 표면에 안티쇼크 바디라는 요철이 추가되었다. 그러나 나셀/주탑/날개 표면으로 형성된 채널의 면적 분포도 초음속 속도를 유발하여 상당한 드래그의 원인이 되었다. 요구되는 순항속도를 달성하기 위해 소위 채널 영역-규칙 기법을 적용했다.

암스트롱 위트워스의 디자이너들은 그들이 제안한 M-윙에서 소닉 영역 규칙을 한 단계 더 발전시켰고, 그 안에서 날개는 먼저 앞으로, 그리고 나서 뒤쪽으로 쓸려갔다. 이를 통해 뒤는 물론 뿌리 앞에서도 기체가 좁아져 고전적인 스윕 윙을 사용하는 기체보다 평균적으로 더 넓은 기체를 유지할 수 있었다.

로크웰 B-1 랜서와 보잉 747기의 비행 갑판 뒤편 연장은 면적 규정에 따라 단면적 분포를 개선하기 위해 추가됐다.[18]

휘트콤의 영역 규칙에 따라 설계된 항공기(F-102 델타 단검, 노스럽 F-5 등)는 처음 등장할 때 이상해 보였고 때로는 '날아가는 콜라병'으로 불렸지만, 이것은 일부 트랜스닉 항공기의 출현에서 예상된 부분이 되었다. 영역 규칙이 항공기의 형태를 노스럽 F-5와 같이 기체 "웨이스트링"과 팁 탱크 형상으로 정의했으며 봄바디어 글로벌 익스프레스와 같은 후방 엔진을 장착한 비즈니스 제트기에서 후방 기체가 얇아지는 것을 시각적으로 두드러진다. 이 규칙에는 로켓에 탑재된 부스터와 화물칸, F-22 랩터의 캐노피 모양과 위치 등 부품을 세심하게 배치해야 한다.

초음속 영역 규칙은 마하 2에서 시제품 콩코드에 적용되었다. 후면 동체는 생산 항공기에서 3.73m 연장되었고 파동 항력은 1.[19]8% 감소하였다.

이미지들

참고 항목

메모들

  1. ^ 스핏파이어에서 유로파이터까지 45년간의 전투 항공기 설계, 로이 부츠, ISBN1 85310 093 5,p.93
  2. ^ https://www.pdas.com/refs/rep1284.pdf
  3. ^ Jones, Robert T (1956), Supersonic area rule (PDF) (report), UK: NACA, 1284.
  4. ^ https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19670030792.pdf. nasa.gov. 2015년 4월 6일 회수
  5. ^ Heinzerling, Werner, Flügelpfeilung und Flächenregel, zwei grundlegende deutsche Patente der Flugzeugaerodynamik [Wing sweep and area rule, two basic German patents of aircraft aerodynamics] (PDF) (in German), München, DE: Deutsches Museum.
  6. ^ Patentschrift zur Flächenregel [Patent for the area rule] (PDF) (in German), 21 Mar 1944.
  7. ^ Meier, Hans-Ulrich (2006), Die Pfeilflügelentwicklung in Deutschland bis 1945 [The swept-wing development in Germany until 1945] (in German), pp. 166–99, ISBN 3-7637-6130-6.
  8. ^ 전투기를 위한 디자인, Ray Whitford 1987,ISBN 0 7106 0426 2, 그림.161
  9. ^ Wallace Hayes (obituary), Princeton.
  10. ^ Hallion, Richard P. "The NACA, NASA, and the Supersonic-Hypersonic Frontier" (PDF). NASA. NASA Technical Reports Server. Retrieved 8 September 2011.
  11. ^ "Aviation Week 1955-09-12". 12 September 1955.
  12. ^ https://archive.org/details/Aviation_Week_1957-08-12, 페이지 29
  13. ^ https://archive.org/details/Aviation_Week_1955-09-12, 페이지 12
  14. ^ 항공 전투용 디자인, 레이 휘트포드ISBN 0 7106 0426 2,p.156
  15. ^ World's Fighting Planes Fourth and 완전 개정판, William Green 1964, MacDonald & Co.(출판사) Ltd,걸프 하우스, 2 포트만 거리, 런던 W.13,p.136
  16. ^ 월리스 1998, 페이지 144.
  17. ^ https://archive.org/details/Aviation_Week_1957-08-12,p.29
  18. ^ 월리스 1998, 페이지 147.
  19. ^ 장 레흐와 클라이브 S의 콩코드에 관한 항공우주국과 영국항공우주국의 사례연구 레이먼,AIAA 전문가 연구 시리즈, 그림 3.6

참고 문헌 목록

외부 링크