항공역학(Aerodynamics)은 공기와 물체 간의 상호작용을 다루는 학문으로,
항공우주공학의 가장 기초적이면서도 핵심적인 분야이다.
비행기가 하늘을 나는 원리, 날개의 형상 설계, 양력과 항력의 해석, 초음속 유동에서 발생하는 충격파 등
우리가 하늘을 지배하기 위해 반드시 이해해야 할 이론적 기반이 바로 항공역학이다.
항공역학은 단순히 실험적 관찰이 아닌, 수학과 물리학을 바탕으로 한 정량적 분석을 통해
비행체 설계와 성능 예측에 사용되는 핵심 도구이다.
이 글에서는 항공역학을 처음 접하거나, 기초부터 체계적으로 정리하고 싶은 이들을 위해
핵심 개념, 기본 물리량, 주요 수식, 적용 사례를 정리하였다.
모든 내용은 항공우주공학 전공자가 이해할 수 있는 수준으로 구성되었으며,
각 개념이 실제 비행체 설계에서 어떤 의미를 갖는지도 함께 설명한다.
1. 항공역학의 정의와 분류
항공역학은 일반적으로 공기(또는 기체 유체)와 물체가 상호작용할 때 발생하는 힘과 운동을 연구하는 분야이다.
✅ 유체역학과의 차이점
- 유체역학은 모든 유체(기체, 액체 포함)를 대상으로 하지만
- 항공역학은 대기 중에서 물체가 받는 공기력에 초점을 둔 하위 분야
✅ 항공역학의 분류
- 정적 공기역학 (Static Aerodynamics):
- 속도가 매우 낮거나 정지한 상태의 공기력 해석
- 풍동 실험 초기 단계 등
- 준정상 유동 (Steady Aerodynamics):
- 속도가 일정하고 시간 변화가 없는 이상적인 조건
- 비정상 유동 (Unsteady Aerodynamics):
- 날갯짓, 기동, 플러터 등 시간에 따라 변하는 유동
- 압축성 유동 (Compressible Flow):
- 마하수 0.3 이상에서 공기의 압축 효과 고려
- 초음속/극초음속 유동:
- 충격파, 열역학적 변화 동반
2. 기본 개념과 물리량
항공역학에서 다루는 주요 물리량은 다음과 같다.
| 물리량 | 기호 | 단위 | 설명 |
|---|---|---|---|
| 속도 | VVV | m/s | 비행체 또는 유동의 속도 |
| 밀도 | ρ\rhoρ | kg/m³ | 공기의 질량 밀도 |
| 압력 | ppp | Pa (N/m²) | 유체의 단위 면적당 힘 |
| 온도 | TTT | K | 열역학적 상태 |
| 점도 | μ\muμ | Ns/m² | 유체 내부 마찰 성분 |
| 마하수 | MMM | 무차원 | M=VaM = \frac{V}{a}M=aV, aaa: 음속 |
| 동압 | qqq | Pa | q=12ρV2q = \frac{1}{2} \rho V^2q=21ρV2 |
| 양력/항력 계수 | CL,CDC_L, C_DCL,CD | 무차원 | 공기력 계수 |
3. 비행체에 작용하는 기본 힘
비행체가 비행 중 받을 수 있는 기본적인 공기력은 4가지이다.
- 양력 (Lift, L):
- 비행체를 위로 띄우는 힘
- 날개 위와 아래의 압력 차이로 발생
- 항력 (Drag, D):
- 진행 방향 반대의 저항력
- 마찰, 압력 저항 등 복합 요인
- 추력 (Thrust, T):
- 추진기관에서 발생하는 전진력
- 항력을 극복하고 가속을 가능케 함
- 중력 (Weight, W):
- 지구 중심 방향의 중력 가속도에 따른 힘
평형 조건 (수평 비행 시): L=W,T=DL = W, \quad T = DL=W,T=D
4. 주요 수식 정리
✅ 베르누이 방정식 (Bernoulli’s Equation)
비압축성, 정상 상태 유동에서의 에너지 보존 방정식: p+12ρV2+ρgh=constantp + \frac{1}{2} \rho V^2 + \rho g h = \text{constant}p+21ρV2+ρgh=constant
수평 흐름에서는 고도 변화 무시: p+12ρV2=constantp + \frac{1}{2} \rho V^2 = \text{constant}p+21ρV2=constant
➡ 속도가 빠른 곳일수록 압력은 낮아짐 → 양력 발생의 기본 개념 설명
✅ 양력 공식 (Lift Equation)
L=CL⋅12ρV2⋅SL = C_L \cdot \frac{1}{2} \rho V^2 \cdot SL=CL⋅21ρV2⋅S
- CLC_LCL: 양력 계수
- ρ\rhoρ: 공기 밀도
- VVV: 비행 속도
- SSS: 날개 면적
해석:
- 속도가 빨라질수록, 날개 면적이 클수록 양력 증가
- CLC_LCL은 날개 형상, 받음각에 따라 달라짐
✅ 항력 공식 (Drag Equation)
D=CD⋅12ρV2⋅SD = C_D \cdot \frac{1}{2} \rho V^2 \cdot SD=CD⋅21ρV2⋅S
- CDC_DCD: 항력 계수 (압력 항력 + 마찰 항력 포함)
- 보통 CDC_DCD는 CLC_LCL에 비례하여 증가함
✅ 마하수 (Mach Number)
M=Va,a=γRTM = \frac{V}{a}, \quad a = \sqrt{\gamma R T}M=aV,a=γRT
- γ\gammaγ: 공기의 비열비 (약 1.4)
- RRR: 기체 상수 (287 J/kg·K)
- TTT: 온도
마하수에 따라 유동 특성이 달라짐:
| 구간 | 마하수(M) | 유동 성질 |
|---|---|---|
| 아음속 | M < 1 | 비압축 유동 |
| 음속 | M = 1 | 충격파 발생 |
| 초음속 | 1 < M < 5 | 압축성 유동 |
| 극초음속 | M > 5 | 고열, 이온화 유동 |
✅ 레이놀즈 수 (Reynolds Number)
Re=ρVLμRe = \frac{\rho V L}{\mu}Re=μρVL
- LLL: 기준 길이 (예: 날개 길이)
- 흐름의 난류/층류 구분, 점성 영향 판단 기준
5. 날개 형상과 받음각
✅ 에어포일(Airfoil)
- 단면이 곡선 형태인 날개 형상
- 앞전(leading edge), 후전(trailing edge), 코드선(code line) 등 정의
✅ 받음각 (Angle of Attack, α\alphaα)
- 코드선과 유입 유선 사이의 각도
- α\alphaα 증가 시 CLC_LCL 증가 → 그러나 한계점(Stall) 존재
6. 양력계수와 항력계수의 관계
실제 설계에서는 CLC_LCL과 CDC_DCD의 관계를 다음과 같이 표현 CD=CD0+kCL2C_D = C_{D_0} + k C_L^2CD=CD0+kCL2
- CD0C_{D_0}CD0: 유도되지 않은 항력 계수 (형상 마찰)
- kkk: 유도 항력 계수 (날개 팁 등 유도 항력)
➡ 최적 받음각에서 가장 높은 CL/CDC_L/C_DCL/CD 비 → 최대 비행 효율
7. 압축성 유동에서의 보충 개념
✅ 충격파(Shock Wave)
- M > 1에서 날개나 기체 표면에 급격한 압력 상승
- 정체점, 사선 충격, 정상 충격 등 다양한 형태 존재
✅ 프란틀-마이어 유선 확산
- 초음속 유동이 방향을 틀 때 유선이 벌어짐
- 노즐 형상 설계에 필수 개념
8. 실제 적용 예시
✅ 드론 설계 시
- 아음속 유동, 비압축성 해석
- 고양력/저속 특성 중심 설계
✅ 전투기/초음속기
- 압축성 유동 → 충격파 및 파형 항력 고려
- 초박형 에어포일 + 후퇴익 채용
✅ 고고도 위성 발사체
- 극초음속 유동 → 열역학 해석 병행
- 마하수, 고온 환경 고려한 구조 재료 설계
결론: 항공역학은 비행체 설계의 출발점
항공역학은 단지 수식의 나열이 아니다.
비행체가 왜 뜨고, 어떻게 조종되며, 어떤 한계를 갖는지를 이론적, 수치적으로 설명할 수 있는 가장 기본적인 도구다.
항공우주공학을 공부하고자 한다면,
바로 이 항공역학을 통해 공기와 기체 사이의 상호작용을 직관적으로 이해하고,
이를 수식으로 모델링하고, 해석하고, 최적화할 수 있는 능력을 키워야 한다.
바람을 수치화할 수 있어야, 우리는 비행을 설계할 수 있다.