카나르 (에로노믹스)

Canard (aeronautics)
현대식 카나드 항공기 최초로 생산에 들어간 사브 37 Viggen

항공학에서 캐너드는 소형 전등이나 전면을 고정익 항공기나 무기의 주 날개 앞에 배치하는 배치다. "캐너드"라는 용어는 항공기 자체, 날개 구성 또는 전면을 설명하는 데 사용될 수 있다.[1][2][3] 캐너드 날개는 유도탄과 스마트 폭탄에도 광범위하게 사용된다.[4][5][6]

1906년 산토스두몽 14비스의 출현으로 '캐나드'라는 용어가 생겨났는데, 이는 비행 중에 목을 길게 뻗은 오리(프랑스어로는 캐나드)를 연상시킨다고 한다.[7][8]

최초의 동력 항공기인 1903년 라이트 플라이어(Wright Flyer)에 카나드 표면을 사용했음에도 불구하고, 카나드 디자인은 1967년 사브 비그겐 제트 전투기가 등장하기 전까지 양적으로 만들어지지 않았다. 캐너드 구성의 공기역학은 복잡하고 신중한 분석이 필요하다.

대부분의 항공기에서 발견되는 전통적인 테일플레인 구성을 사용하는 대신에, 항공기 설계자는 주 날개 하중을 줄이고, 주 날개 공기 흐름을 더 잘 제어하기 위해 또는 특히 높은 각도의 공격이나 스톨 동안 항공기의 기동성을 높이기 위해 캐너드 구성을 채택할 수 있다.[9] 캐너드 전폭기는 캐너드 또는 3-표면 구성에서 사용되든 항공기의 세로 평형, 정적 및 동적 안정성 특성에 중요한 결과를 초래한다.

1906년 산투스두몽 14-bis

역사

1903년의 라이트 플라이어는 카나드 양면 비행기였다.

개척시대

라이트 형제는 1900년경부터 전면 구성을 실험하기 시작했다. 그들의 첫 번째 연은 피치 제어를 위한 전면 표면을 포함했고 그들은 이 구성을 그들의 첫 비행선에 채택했다. 그들은 오토 릴리엔탈이 글라이더에 한 개와 함께 죽었기 때문에 뒷 꼬리를 의심하고 있었다. 라이트 형제는 전선이 항공기를 불안정하게 만드는 경향이 있다는 것을 깨달았지만 비행 중 조종사가 볼 수 있는 것 외에 더 나은 조종 표면이 될 것으로 기대했다.[10] 그들은 단일 설계에서 제어와 안정성을 모두 제공하는 것이 불가능하다고 믿었고 제어 방식을 선택했다.

많은 개척자들은 처음에 라이트 형제의 선례를 따랐다. 예를 들어 1906년의 산토스두몽 14비스의 항공기는 '꼬리'가 아니라, 기체의 극한 코에 있는 보편적인 관절을 중심으로 한 박스 연과 같은 조종면 세트를 가지고 있어 요와 피치 조절을 모두 통합할 수 있었다. 1910년의 파브르 하이드라비온은 최초의 플로트플레인이며 전면을 가지고 있었다.

그러나 카나드의 행동은 제대로 이해되지 않았고, 그들 중 루이스 블레리오트를 포함한 다른 유럽 개척자들은 꼬리 평면을 보다 안전하고 "일반적인" 설계로 확립하고 있다. 라이트 호를 포함한 일부는 현재 세 가지 표면 구성으로 알려진 동일한 항공기에서 전방과 후방 비행기로 모두 실험을 했다.

1911년 이후, 몇 십 년 동안 카나드 타입이 생산될 것이다. 1914년 W.E. Evans는 "카나드형 모델은 과학적인 모델에 관한 한 사실상 사망선고를 받았다"[11]고 평했다.

1914년부터 1945년까지

커티스 라이트 XP-55 어센더

실험은 수십 년 동안 산발적으로 계속되었다.

1917년 드 브루예르는 C 1 양면 전투기를 만들었는데, 캐너드 전단과 후면에 장착된 푸셔 프로펠러를 가지고 있었다. C 1호는 실패작이었다.[12]

1927년에 처음 비행한 Focke-Wulf F 19 "Ente"(덕) 실험은 더 성공적이었다. 두 개의 예가 만들어졌고 그 중 하나는 1931년까지 비행을 계속했다.

제2차 세계 대전 직전과 도중에 암브로시니 SS.4, 커티스 라이트 XP-55 어센더, 규슈 J7W1 신덴 등 여러 대의 실험용 카나드 전투기가 비행했다. 이는 캐너드 구성을 사용하여 성능, 무장 배치 또는 파일럿 뷰와 같은 분야에서 이점을 제공하려는 시도였지만, 생산 항공기는 완료되지 않았다. 신덴은 제작을 "원점에서 벗어나"라는 명령을 받았지만, 시제품이 아닌 다른 어떤 것보다도 먼저 전투가 중단되었다.

1945년 유럽에서 제2차 세계대전이 끝난 직후 소련에서 설계해 비행한 최초의 카나드였을지도 모르는 것이 시험 비행기로 등장하자 경량급 미코얀-구레비치 MiG-8 Utka(러시아어: "duck"용)가 나타났다. MiG OKB 시험 조종사들 사이에서는 유순하고 느린 핸들링 특성으로 애용했으며, 몇 년 동안 비행해, (기존 배치) MiG-15 제트 전투기의 스윕 날개 개발 중 테스트베드로 사용되었다고 한다.

카나드 부활

XB-70 발키리 실험폭격기

제트기 시대와 초음속 비행의 도래와 함께, 특히 북미 항공을 비롯한 미국 디자이너들은 초음속 캐나드 델타 디자인을 실험하기 시작했으며, 북미 XB-70 발키리와 소련에 상당하는 수호이 T-4와 같은 몇몇 디자이너들은 원형 형태로 비행했다. 그러나 안정과 통제 문제가 부딪쳐 광범위한 채택을 막았다.[13]

1963년에 스웨덴 회사인 Saab은 이전의 문제들을 극복한 델타 윙 디자인에 특허를 냈는데, 이 디자인은 클로즈드 결합 카나드로 알려지게 되었다.[13][14] 그것은 사브 37 비겐으로 지어졌고 1967년에 생산에 들어간 최초의 현대식 카나드 항공기가 되었다. 이 항공기의 성공은 많은 디자이너들을 자극했고, 캐너드 표면은 유명한 다쏘 미라지 델타 윙 제트 전투기로부터 파생된 많은 종류에서 생겨났다. 여기에는 프랑스 다쏘 미라지 3세, 이스라엘 IAI 키피르, 남아프리카공화국 아틀라스 치타의 변종이 포함됐다. 근접 결합한 캐너드 삼각주는 전투기에 인기 있는 구성으로 남아 있다.

Viggen은 또한 미국의 Burt Rutan에게 영감을 주어 2인승 카나드 델타 디자인을 만들었고, 그에 따라 MariousViggen이라는 이름을 붙여 1972년에 비행했다. 그러자 루탄은 그런 경비행기에 부적합하다고 델타 날개를 버렸다. 그의 다음 두 개의 카나드 디자인인 VariableEze와 Long-EZ는 더 긴 스윕 날개를 가지고 있었다. 이러한 디자인은 성공적이고 대량으로 지어졌을 뿐만 아니라 이전에 본 그 어떤 것과도 근본적으로 달랐다.[15] 루탄의 아이디어는 곧 다른 디자이너들에게 퍼졌다. 1980년대부터 그들은 OMAC Laser 300, Avteck 400, Beech Starship과 같은 유형의 출현으로 임원 시장에서 인기를 얻었다.

컴퓨터 제어

JAS 39 그리펜에 보이는 카나드
수-47의 카나드

정적 캐너드 설계는 캐너드와 메인 윙 사이의 공기 흐름에서 복잡한 상호작용을 가질 수 있으며, 이는 노점의 안정성과 거동에 관한 문제로 이어질 수 있다.[16] 이것은 그들의 적용 가능성을 제한한다. 세기말에 대한 플라이 바이 와이어와 인위적인 안정성의 개발은 컴퓨터화된 통제가 안정성 우려에서 이러한 복잡한 효과를 기동성 장점으로 바꾸기 시작할 수 있는 길을 열었다.[15]

이 접근방식은 새로운 세대의 군사용 카나드 디자인을 만들어냈다. 다쏘 라팔 멀티롤 전투기는 1986년 첫 비행을 했고 1988년 사브 그리펜(선봉 투입), 1994년 유로파이터 태풍 등이 뒤를 이었다. 이 세 가지 유형과 관련 설계 연구를 유로캐너드 또는 유로캐너드라고 부르기도 한다.[17][18][19] 1998년 중국 청두 J-10이 등장했다.

기본설계원칙

Su-34, 캐나드 포함

캐너드 전면은 리프트, (안정성), 트림, 비행 제어 등과 같은 다양한 이유로 또는 주 날개 위의 공기 흐름을 수정하기 위해 사용될 수 있다. 설계 분석은 리프팅 캐너드와 제어 캐너드의 두 가지 주요 등급으로 구분되었다.[20]: 81 이러한 등급은 밀접 결합형식을 따르거나 따르지 않을 수 있으며, 주어진 설계는 리프트와 제어장치 중 하나 또는 둘 다를 제공할 수 있다.

들어올리다

루탄 롱-EZ, 높은 예상 비율의 리프팅 카나드와 매달린 짐 꾸러미

리프팅-캐너드 구성에서 항공기의 중량은 날개와 캐너드 사이에서 공유된다. 그것은 극단적인 재래식 구성으로 설명되어 왔지만 작고 높은 부하를 받는 날개와 거대한 리프팅 꼬리가 있어 질량의 중심이 전면 표면에 비해 매우 뒤쪽에 위치할 수 있다.[21]

리프팅 카나드는 주 윙의 추가 리프트에 의해 대응되어야 하는, 때로는 부정적인 리프트를 발생시키는 기존의 후미트 테일과는 대조적으로 업로드를 생성한다. 캐너드 리프트가 항공기의 전체적인 리프트 기능을 추가함에 따라, 이것은 캐너드 레이아웃을 선호하는 것처럼 보일 수 있다. 특히 이륙 시 날개가 가장 많이 적재되고 재래식 꼬리가 하중을 악화시키는 하향력을 발휘하는 경우 카나드는 하중을 경감시키는 상향력을 발휘한다. 이것은 더 작은 메인 윙을 허용한다.

그러나 전면은 또한 날개 리프트 분포에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있는 다운워시를 생성하므로 전체적인 리프트와 유도 드래그의 차이는 분명하지 않고 설계의 세부사항에 따라 달라진다.[22][21][23]

충분히 적재되지 않은 캐너드(즉, 무게 중심이 너무 뒤쪽에 있는 경우)와 관련된 위험은 스톨에 접근할 때 주 날개가 먼저 정지할 수 있다는 것이다. 이로 인해 기체 후미가 떨어져 노점이 깊어지고 때로는 회복을 방해하기도 한다.[24] 스톨에서 안전한 피치 안정성을 확보하기 위해 카나드가 먼저 정지해야 하므로 [25]날개는 항상 최대 리프트 능력 이하로 유지되어야 한다. 따라서 날개는 다른 필요 이상으로 커야 하며, 카나드 리프트에 의해 활성화된 크기 축소를 줄이거나 심지어 반전시켜야 한다.[22][23]

리프팅캐너드 타입의 경우 기존 날개보다 무게중심의 더 뒤쪽에 메인 날개가 위치해야 하는데, 이는 후행 에지 플랩의 편향에 따른 하강 투구 모멘트를 높인다. 하중이 높은 카나드에는 이 순간 균형을 맞출 수 있는 충분한 추가 리프트가 없기 때문에 리프팅 카나드 항공기는 강력한 후미진 플랩으로 쉽게 설계할 수 없다.[20]

컨트롤

비행 중인 RAPTyphoon의 제어 캐너드

카나드 형식의 피치 제어는 제어 캐너드 표면 또는 주 날개 후면에 있는 제어 표면, 사브 비그겐에 있는 제어 표면 중 하나로 달성될 수 있다.

제어 캐너드 설계에서 항공기 무게의 대부분은 날개에 의해 운반되며 캐너드는 주로 기동 중 피치 제어에 사용된다. 순수 제어 캐너드는 제어 표면으로만 작동하며 명목상 공격 각도가 0이고 정상 비행에서는 하중이 전달되지 않는다. 캐너드 구성의 현대 전투기는 일반적으로 컴퓨터화된 비행 제어 시스템에 의해 구동되는 제어 캐너드가 있다.[20]

하중이 거의 또는 전혀 적재되지 않은 캐나드(즉, 제어 캐나드)는 일부 전투기의 기동성을 높이기 위해 의도적으로 불안정하게 하는 데 사용될 수 있다. 전자 비행 제어 시스템은 카나드 전면의 피치 제어 기능을 사용하여 인위적인 정적 및 동적 안정성을 만든다.[22][23]

제어 캐너드로부터 얻을 수 있는 이점은 윙팁 스톨 중 피치업 보정이다. 팁 스톨로 인한 피치 업에 대항하기 위해 코 아래로 상당한 처짐이 가능한 모든 이동 카나드를 사용할 수 있다. 그 결과 투구경비를 경계하지 않고도 날개의 가로 세로 비율과 스윕을 최적화할 수 있다.[20] 하중이 높은 리프팅 카나드에는 이러한 보호를 제공하기에 충분한 예비 리프트 용량이 없다.[citation needed][26]

안정성

안정화 카나드 포함 프테로닥틸아센더 II+2
Canard가 있는 Su-33s

안정성이 정적[27][28][29] 또는 인위적으로 달성되었는지(플라이 바이 와이어)에 관계없이 캐너드 전면을 수평 안정기로 사용할 수 있다.[30]

무게 중심보다 앞에 놓이면 카나드 전면이 직접 작용하여 종방향 정적 안정성(피치에서의 안정성)을 감소시킨다. 통제되고 동력화된 비행을 달성한 최초의 비행기인 라이트 플라이어는 제어 캐너드로서[31] 구상되었지만, 사실상 또한 불안정한 리프팅 캐너드였다.[32] 당시 라이트 형제는 카나드 구성의 피치 안정성의 기본을 이해하지 못했고, 어떤 경우에도 제어 가능성에 더 신경을 쓰고 있었다.[33]

그럼에도 불구하고, 카나드 안정기는 전체적인 정적 피치 안정성을 얻기 위해 불안정한 설계에 추가될 수 있다.[34] 이러한 안정성을 달성하려면 공격 각도(리프트 계수 기울기)가 있는 캐너드 리프트 계수 변화는 주 평면의 그것보다 작아야 한다.[35] 많은 요인들이 이 특성에 영향을 미친다.[20]

대부분의 에어포일의 경우 높은 리프트 계수에서 리프트 기울기가 감소한다. 따라서 피치 안정성을 달성할 수 있는 가장 일반적인 방법은 카나드의 리프트 계수(따라서 날개 하중)를 증가시키는 것이다. 이는 전면의 리프트 유도 항력을 증가시키는 경향이 있으며, 항력을 제한하기 위해 높은 가로 세로 비율이 주어질 수 있다.[35] 이런 카나드 에어포일은 날개보다 에어포일 캠버가 더 크다.

또 다른 가능성은 카나드의 가로 세로 비율을 감소시키는 것으로,[36] 다시 날개보다 더 많은 리프트로 인한 드래그와 아마도 더 높은 스톨 각도를 가질 수 있다.[37]

Burt Rutan이 사용하는 설계 접근방식은 높은 리프트 계수(캐너드의 날개 하중은 날개 하중의 1.6~2배)의 높은 가로 세로 비율 캐너드와 리프트 계수 기울기가 14°~24°[38] 사이의 비선형(근접 평탄)인 캐너드 에어포일이다.

또 다른 안정화 매개변수는 전력 효과다. 캐나드 푸셔 프로펠러의 경우: "날개 후행 가장자리의 정화된 출력 유도 유량"은 날개 리프트 계수 기울기를 증가시킨다(위 참조). 반대로 카나드 앞에 위치한 프로펠러(카나드의 리프트 기울기 증가)는 강한 불안정하게 만드는 효과가 있다.[39]

다듬다

접이식 캐나드가 전개되고 코가 처진 Tu-144

하중이 높은 리프팅 카나드에는 압력 중심 또는 무게중심의 큰 이동을 수용하기에 충분한 예비 리프팅 용량이 없을 수 있다. 트림은 후미진 표면의 조정을 통해 무타일 공예와 유사한 방식으로 수행될 수 있다. 특히 메인 날개에 착지 플랩을 사용하면 트림 변화가 크다. Saab Viggen은 트림의 변경을 취소하기 위해 동시에 배치된 카나드 표면에 플랩을 가지고 있다. 비크 스타쉽은 가변 스윕 전단을 사용하여 리프트 힘의 위치를 조절한다.

주 날개가 이륙할 때 코를 위로 돌리기 위해 가장 많이 적재될 때, 전통적인 꼬리 평면은 전형적으로 전면을 들어올리는 동안 아래로 밀어 내려간다. 따라서 트림을 유지하기 위해 캐너드 설계의 주 윙은 등가의 기존 설계보다 무게중심에 상대적으로 더 뒤쪽에 위치해야 한다.

변형

클로즈 커플링

밀접하게 결합한 카나드는 트랜소닉 비행(초음속 비행)과 저속 비행(이륙 및 착륙) 모두에서 양력을 얻는 초음속 델타 윙 설계에 도움이 되는 것으로 밝혀졌다.[40]

고각 공격 비행의 다쏘 라팔

촘촘히 결합한 델타 윙 카나드에서는 전면이 날개 바로 위와 앞으로 위치한다. 델타 모양의 전면에 의해 생성된 격자는 주 날개를 지나 다시 흘러 들어가 자신의 격자와 상호작용한다. 이러한 것들은 리프트에 매우 중요하기 때문에, 잘못 배치된 전면은 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 전면을 날개에 가깝게 그리고 그 바로 위에 밀착된 배치로 가져옴으로써, 상호작용이 유익하게 만들어질 수 있고, 실제로 다른 문제들도 해결하는데 도움을 준다.[13] 예를 들어 높은 각도의 공격(따라서 일반적으로 낮은 속도에서)에서 캐너드 표면은 날개 위로 기류를 아래로 향하게 하여 난류를 감소시켜 드래그가 감소되고 리프트가 증가한다.[41] 전형적으로 전면은 날개의 상부 표면에 부착되는 소용돌이를 생성하여 날개의 공기 흐름을 안정화시키고 다시 동력을 공급하며 스톨을 지연시키거나 방지한다.[citation needed][42]

카나드 전선은 IAI Kfir와 같이 고정되거나, Saab Viggen과 같이 착륙 플랩이 있거나, 이동이 가능하며, 다쏘 라팔과 같이 정상적인 비행 중에 제어 캐나드 역할을 할 수 있다.

자유유동카나드

자유 부유식 카나드는 조종사 입력 없이 기체에 대한 입사각도를 변경하도록 설계되었다. 정상 비행에서 기압 분포는 기류에 대한 공격 각도, 따라서 기압이 생성하는 리프트 계수도 일정하게 유지한다. 자유 유동 메커니즘은 정적 안정성을 증가시킬 수 있으며 높은 각도의 공격 진화로부터 안전한 복구를 제공할 수 있다.[43][44] 그러나 주 날개가 카나드보다 먼저 정지할 수 있기 때문에 스톨 특성에 부정적인 영향을 미친다.[45] 제어 표면은 자유 부유식 캐너드에 추가될 수 있으며, 조종사 입력이 생성된 리프트에 영향을 미쳐 피치 제어 또는 트림 조정을 제공할 수 있다.

가변 형상

비크래프트 스타쉽은 가변 스윕 전단을 가지고 있다.

비크래프트 스타쉽은 가변적인 스윕 카나드 표면을 가지고 있다. 전면을 앞으로 돌려 효과를 높이고 전개 시 윙 플랩에 의한 노즈다운 피칭 효과를 제거하기 위해 비행 시 스윕이 다양하다.[46]

콧수염은 이륙과 착륙 중과 같은 높은 각도의 공격에서 핸들링을 개선하기 위해 저속 비행에 사용되는 작고 높은 가로 세로 비율의 전면을 말한다. 카나드 설계의 파형 드래그 페널티를 피하기 위해 고속으로 수축한다. 처음에는 다쏘 밀라노에서, 나중에는 투폴레프 Tu-144에서 볼 수 있었다. NASA는 또한 표면이 한 쪽이 뒤쪽으로 쓸리고 다른 쪽이 앞으로 쓸려 나가는 순응할 수 있는 보관용 카나드라고 불리는 한 조각의 썰매에 상응하는 것을 조사해왔다.[47][48]

승차 제어

B-1B 좌측 승차 제어 베인을 코에 보여주는 랜서

록웰 B-1 랜서는 전방 동체의 양쪽에 작은 캐나드 베인이나 지느러미가 있어 고속 저고도 비행 중 공기역학적 뷔페팅을 줄이는 능동형 댐핑 시스템의 일부를 형성한다. 그렇지 않으면 승무원의 피로를 유발하고 장시간 비행 시 기체 수명을 줄일 수 있다.[49][50]

스텔스

캐너드 항공기는 레이더 신호를 전방으로 반사하는 경향이 있는 큰 각도 표면을 나타내기 때문에 잠재적으로 스텔스 특성이 좋지 않을 수 있다.[22][page needed][51] 유로파이터 태풍은 효과적인 레이더 횡단면을 줄이기 위해 카나드의 소프트웨어 제어를 사용한다.[52][53]

카나드는 록히드마틴의 JAST(Joint Advanced Strike Technology) 프로그램 등 스텔스 항공기에 통합됐다.[54][55] 맥도넬 더글러스 / NASA X-36 연구 시제품.[56]

참고 항목

참조

인용구

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참고 문헌 목록

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추가 읽기

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외부 링크