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플랩

last modified: 2015-09-21 19:42:50 by Contributors

(ɔ) from


flap.

Contents

1. 개요
2. 앞전 플랩
2.1. 드룹노즈(Droop Nose)
2.2. 슬롯(Slot)
2.3. 슬랫(Slat)
2.4. 크루거(Krueger) 플랩
2.5. 경계층 제어기(Boundary Layer Control)
3. 뒷전플랩
3.1. 플레인(Plain) 플랩
3.2. 스플릿(Split) 플랩
3.3. 파울러(Fowler) 플랩
3.4. 슬롯티드 플랩
4. 다이브 플랩
5. 사용


1. 개요


항공기에 장착되는 고양력장치 중 하나. 말 그대로 양력을 늘려주는 역할을 한다.[1]

쉽게 말해 항공기 날개단면(어포일)의 모양을 필요에 따라 바꿔서 양력을 늘리는 역할을 하는 장치다. 양력을 늘리는 방식은 플랩에 종류따라 다양하다. 크게는 날개 앞쪽에 있는가, 뒤쪽에 있는가로 구분하는데 앞쪽에 있는건 앞전플랩(Leading-Edge Flap)라고 부르며 뒤쪽에 있는 것은 뒷전플랩(Trailing-Edge Flap)이라고 부른다. 사실 이 플랩말고도 다른 고양력장치도 몇 종류있긴 하지만 현실적으로 대부분의 항공기는 고양력장치=플랩이기 때문에 그냥 넓은 의미로 앞/뒷전 고양력장치를 전부 플랩의 일종으로 묶어버리기도 한다.

플랩은 비행기 날개의 앞 혹은 뒤쪽 끝에 경첩으로 연결되며 아래 위 등으로 움직일 수 있는 판 같은 부분이다. 대부분의 플랩은 날개의 캠버(옆에서 보았을 때 아래로 휘어진 정도)를 증가시켜 날개의 양력을 높이는 역할을 한다. 이렇게 양력이 증가하면 더 낮은 속도에서도 비행을 유지할 수 있게 된다. 다만 플랩이 펼쳐지면 양력이 커지는것과 동시에 또한 커지므로 필요시에만 필요한 정도의 각도로 플랩이 쓰인다.

특히 최근에는 플라이 바이 와이어 시스템과 연동되어 조종사가 일일히 조작할 필요 없이 알아서 그 각도가 최적의 각도로 움직이는 경우도 많다.


2. 앞전 플랩


말 그대로 항공기 앞전에 있는 플랩. 다시 여러종류로 나뉘는데 크게 드룹 노즈(Droop Nose), 슬롯, 슬랫, 크루거 플랩이 있다.


대부분의 경우 앞전플랩의 역할은 양력자체를 키우는 것이 아니라 더 높은 받음각에서도 실속현상이 생기지 않도록 돕는 역할을 한다. 즉 앞전 플랩을 내린다고 그 순간 양력이 늘어나지는 않지만, 앞전 플랩을 내리면서 동시에 기수를 더 들어올려 받음각을 높임으로써 결과적으로 더 많은 양력을 얻을 수 있게 되는 셈.

전투기나 곡예비행기는 이착륙시 이외에도 급선회등의 급기동시 종종 실속에 빠질 위험이 있기 때문에 이 앞전 플랩을 많이 사용한다. 거의 현용 전투기치고 앞전 플랩을 안쓰는 기종이 없을 정도.[2]

뒤에 설명할 뒷전플랩은 보통 날개 뿌리부분에만 장착되는 반면, 앞전플랩은 날개 전체에 걸쳐 장착되는 경우가 많다. 실속지연 효과 때문에 이착륙시뿐만 아니라 급기동시 항공기를 제어하는 에일러론(보조익)의 효율도 높여주기 때문이다.

2.1. 드룹노즈(Droop Nose)


제일 간단한 형태이며, 그냥 이 자체를 앞전 플랩이라고 부르기도 한다.

받음각이 커지면 공기는 날개 앞전을 타고 넘어가야 하는 곡률이 더 급격해지다보니 최종적으로는 흐름이 날개를 따라 흐르지못하고 박리현상이 발생, 실속한다. 그래서 날개 자체는 받음각이 커지되 당장 공기가 제일 먼저 만나는 날개 앞전만은 공기흐름과 비슷한 방향으로 꺾어주어 흐름박리가 일어나지 않도록 하는 개념.

드룹노즈는 단순한 형태이므로 설계, 정비가 쉬워서 가장 잘 쓰인다. 대부분의 전투기들도 이 드룹노즈 형상을 사용.

이 드룹노즈를 사용하는 전투기증 특이하게도 F-16은 위로도 -4도가량까지 움직인다. 초음속 비행중에는 날개의 캠버(곡률)이 최대한 적은 편이 항력이 적기 때문에 초음속 비행중에 한하여 앞전 플랩을 위로 들어올려 날개의 전체적인 캠버를 없앤다.

2.2. 슬롯(Slot)


단어 그대로 그냥 틈이다. 날개 위에서 공기가 떨어져나가는 원인은 공기흐름이 지나친 곡률탓에 그 운동에너지를 잃고, 거기에 점성(말 그대로 공기의 끈적한 정도. 물이나 그런것 만큼은 없지만 분명 공기도 점성이 있다)등에 의해 에너지를 더 잃어서 원래의 흐름을 유지하지 못하기 때문이다. 그러나 날개 아래쪽에는 아직 운동에너지를 잃지 않는 공기흐름이 있으므로 이것을 이용하는 것이 슬롯이다. 즉 날개 앞전 바로 뒤쪽에 아래위로 통하는 틈을 내서 날개 아래로 흐르던 공기흐름 일부가 날개 위로 흐를 수 있게 해 준 것. 그러면 날개 아래의 '신선한' 공기가 날개 위로 흘러서 날개 위를 흐르던 다 죽어가던 공기에 운동에너지를 추가해줌으로써 실속을 막을 수 있다.

최초의 개발원인은 조금 재미있는데, 20세기 초반 한 곡예비행사가 실속을 겪고나서 추락하여 죽을뻔한 것에서 시작한다. 이 곡예비행사는 처음에는 날개 앞부근이 아니라 중앙부근에 틈을 낸 형태로 날개를 만들려고 했다. 그가 생각한 것은 날개가 앞뒤로 여러장 있는 형태로 만들면 설사 한쪽 날개가 실속에 빠져도 다른 날개는 실속에 빠지지 않아서 급격한 추락은 막을 수 있다는 개념. 그러나 특허청에서는 그렇게 하면 날개 위의 멀쩡한 공기흐름들이 흐트러져서 제대로 날기도 어려울 것이라고 그의 의견을 받아들여주지 않았다. 그러나 영국의 들리 페이지 항공사는 이 개념에 관심을 갖고 연구하였는데, 이후 날개 여러개중 하나만 버틴다는 개념이 아니라 날개 위의 흐트러지는 공기흐름에 운동에너지를 추가해준다는 개념으로 바뀌어 오늘에 이르고 있다.

일단 만들어두면 움직일일 조차 없으므로 가장 편한 방식이라할 수 있지만 정작 이것이 필요 없는 순항비행시에는 항력을 만드는 물건이므로 대형항공기나 전투기등에는 잘 쓰이지 않는다.

다만 F-4팬텀 중에도 후기모델은 수평꼬리날개에 이 슬롯이 있다. 급기동 중 날개가 먼저 실속에 빠져서 조종성이 둔해지는 것을 막기위해서. 그런데 전투기가 급기동을 하는 것은 기수를 드는 방향(즉 받음각을 높이는 것)인데(선회시에는 기체를 옆으로 눕힌다음 기수를 드는 개념) 이러기 위해서는 수평꼬리날개가 아래로 누르는 힘을 만들어야 한다. 즉 양력을 만들기는 하는데 위가 아니라 아래로 만들어야 하므로 슬롯도 뒤집힌 형태다. 수평꼬리날개의 위쪽 공기가 아래쪽으로 유입되도록.

2.3. 슬랫(Slat)


슬롯(slot) + 플랩(flap) = 슬랫(slat), 참 쉽죠?

슬롯은 항상 홈이 파여진 상태 그대로인반면 슬랫은 필요에 따라 이 홈을 만들었다가, 안 만들었다 하는 방식이다. 즉 가동형 슬랫. 어떤 것은 아예 드룹노즈 형태처럼 아래로 꺾이면서 틈이 생기는 것도 있다.

의외로 프롭기가 날아다니던 2차세계대전 무렵에도 많이 쓰던 방식인데, 이때는 간단한 스프링으로 슬랫을 만들었다. 속도가 일정수준 이상되면 날개 앞전의 슬랫부분이 맞바람의 힘에 의해 눌려서 틈이 없어진다. 그러다가 속도가 일정 수준 이상 떨어지면 슬랫을 누르는 힘이 약해지므로 스프링의 힘에 의해 슬랫이 앞으로 튀어나오는 구조. 보통 속도가 느린 이착륙시나 선회전이 격해져서 속도가 많이 느려진 상황, 혹은 받음각이 커져서 맞바람이 날개 앞이 아니라 대각선 밑에서 불어오면 슬랫을 밀어 넣는 힘이 약해지므로 스프링이 튀어나오는 셈.

이후 더 능동적으로 속도나 받음각에 따라 조종사가 임의로, 혹은 컴퓨터가 알아서 움직이는 슬랫이 등장한다. 보통 유압장치를 이용해 움직이는 방식.

유압식 슬랫은 여객기에는 많이쓰이는 반면 전투기에는 70년대에 반짝 쓰이다가 현재는 다시 잘 안쓰이는 추세다. 잘 만들어도 밑 부분의 형상이 복잡해지기 때문에 무게도 늘어나는데다가 초음속 비행시 항력이 늘어나기 때문.

2.4. 크루거(Krueger) 플랩


날개 앞전 일부가 안쪽으로 접혀있다가 앞으로 튀어나오는 방식이다. 이 방식의 최대 장점은 작동기구가 상대적으로 간단하다는 점. 1940년대에 독일의 크루거가 만든 방식이다. 이후 실용화가 안되었다가 1950년대에 미국의 여객기 개발사들이 그 간단한 구조에 주목하여 다시 쓴 방식.

보통 고속으로 비행하는 항공기들은 항력을 줄이기위해 날개 앞전이 각도가 예리한 편인데 이 크루거 플랩은 접혀있던 부분이 새로 날개 앞전 역할을 하기 때문에 일부러 더 뭉툭한 형태로 만들어서 이착륙시에만 임의로 뭉툭한 앞전을 가진 날개로 변신시켜주기도 한다. 또한 크루거 플랩이 앞으로 빠져나오는 형태이다보니 전체적으로 날개 면적이 늘어나는 효과도 있다.

슬랫등과 비교하면 고양력장치로서의 효율은 떨어지지만 작동기구가 간단하고 내부공간을 덜 잡아먹어서 여객기 날개중 슬랫을 집어 넣기 곤란한 구간만 따로 크루거 플랩을 쓰는 경우가 많다.

전투기는 보통 효과가 더 좋은 슬랫을 쓰던지, 아니면 구조가 더 간단한 드룹노즈 형상을 쓰던지 하지만 STOL 성능을 중시하는 토네이도등이 이 방식을 사용하였다.

2.5. 경계층 제어기(Boundary Layer Control)


받음각이 높아지는 등의 이유로 날개 표면에서 원래의 속도보다 심하게 느려진 공기부분을 경계층이라고 한다. 이것을 좀 더 능동적으로 제거해주는 것이 경계층 제어기. 크게 두 가지 방식이 있는데 하나는 불어내기 방식으로 날개 표면의 작은 틈에서 강한 바람이 뿜어져나온다. 슬롯과 유사한 개념. 또 하나는 빨아들이기 방식으로 아예 경계층이 된 날개 표면의 공기를 빨아내서 제거해버리는 방식이다.

이 방식도 은근히 유서가 깊어서 1920~1930년대에 이미 빨아들이기 방식이 연구되기 시작했다.

제트기의 경우 엔진의 압축공기를 뽑아쓰면 되므로 현재는 불어내기 방식이 더 만들기 쉽다. 다만 여타의 앞전 플랩 방식에 비하면 압축공기를 써야하므로 복잡하고 정비요소도 많아서 잘 안쓰이는 추세다. 과거 F-4 팬텀의 초, 중기형이 이 방식을 썼으며 영국의 키니어도 쓰긴 했는데 날개 앞전이 아니라 실속이 생기기 쉬운 뒷전에 썼다.


3. 뒷전플랩


말 그대로 날개 뒤쪽에 있는 플랩. 1910년대에 폭격기수송기 같은 대형항공기가 등장함에 따라 이착륙거리를 짧게 할 방법으로 등장했다. 날개 앞전 플랩은 실속을 지연시켜서 양력을 높이는 개념인 반면 뒷전플랩은 날개 단면꼴 자체의 캠버(곡률)를 바꿔서 같은 받음각에서도 더 큰 양력을 만드는 역할을 한다.

보통 날개 뿌리, 즉 항공기의 몸통 부근에 있는데, 이는 날개 바깥쪽에는 항공기를 제어하는 에일러론이 있기 때문이다. 다만 최근 항공기는 아예 에일러론도 플랩역할을 같이 하기도하며, F-16이나 T-50, Su-27처럼 플랩, 에일러론 구분 없이 주날개 뒤쪽을 통짜로 모두 하나의 조종면으로 만들기도 한다. 이런 것을 플랩+에일러론이라 하여 플래퍼론이라고 부른다.

3.1. 플레인(Plain) 플랩


가장 간단한 뒷전 플랩. 그냥 뒷전 플랩 하나가 경첩구조를 이용해 아래로 꺾이는 개념이다. 밑에 설명될 다른 플랩들에 비하면 효율은 좀 떨어지지만 대신 그 만큼 간단하고 만들기 쉽고 공간도 적게 차지하므로 쓸모가 현재도 여전히 많이 쓰인다. 다만 대형 여객기는 이 플레인 플랩을 거의 안쓰며 보통은 전투기나 경항공기들이 애용.

3.2. 스플릿(Split) 플랩


날개 아랫면 일부가 갈라져서 이 부분만 아래로 꺾이는 구조다. 유명한 라이트 형제중 한명인 오빌라이트가 제임스 M.H 제이콥과 함께 1920년대에 고안한 방식으로 이후 DC-3스핏파이어등에 쓰기 시작했다. 우리나라의 KT-1도 이 방식의 플랩을 사용. 일반 플레인 플랩보다 양력을 만드는 효과가 더 좋다.

3.3. 파울러(Fowler) 플랩


1924년에 하란 D. 파울러가 고안해낸 플랩. 개념은 심플하다. 날개 뒤쪽의 아랫면 일부가 뒤로 미끄러지듯 빠져나오면서 아래로 꺾이는 것. 날개 뒷면이 뒤로 빠져나오므로 날개의 면적 자체가 늘어난 효과가 생겨서 더 많은 양력을 만들게 된다. 물론 더 복잡한 기구물이 필요하다.

3.4. 슬롯티드 플랩


슬랫을 플랩에 적용한 개념이다. 플랩이 아래로 꺾임에따라 이 부분의 곡률이 급격히 변하므로 여기서만 국부적으로 흐름박리 현상이 발생, 이부분만 실속 현상이 생기기도 한다. 이것을 막기 위해 뒷전 플랩의 구동부 부근에 슬롯을 내는 것이다.

물론 이렇게 만들려면 구조도 매우 복잡하고 무게도 많이 늘어나기 때문에 전투기를 비롯한 소형 항공기는 잘 안쓰는 방식. 그래도 단거리 이착륙 성능을 위해 F-14나 일부 STOL 항공기는 슬롯티드 플랩을 쓰기도 한다.

반면 대형 여객기들은 이미 덩치가 무지막지 크므로 중량증가 보다는 이착륙거리를 짧게하는 것이 우선시 되기에 파울러 플랩과 슬롯티드 플랩을 조합하여 2~3개 정도의 슬롯이 생기는 파울러 플랩을 사용한다.

© AlexHe34 (cc-by-sa-3.0) from


737 여객기의 2 슬롯티드 파울러 플랩. 날개 아래쪽의 뒤로 삐져나온 날카로운 모양의 구조물들은 이 플랩을 위한 작동기구물이 들어있는 페어링(fairing)이다.

4. 다이브 플랩


2차대전 당시의 항공기들을 보면 다이브 플랩(Dive flap)이란 것이 있는데 크게 두 종류다. 한가지는 이름만 다이브 플랩이고 실질적으로는 에어브레이크 역할을 하는 것들이다. 급강하시 지나치게 속도가 빨리 붙는 것을 막기 위해 항력을 크게 늘려주는 것.

P-38은 좀 독특한데, 이 항공기의 동체 중심부 역할을 하는 날개 안쪽은 급강하시 두꺼운 날개로 인해 항공기 자체의 속도는 마하 0.6도 밖에 안되는데도 날개 주변에서 초음속흐름이 발생하는 현상이 생긴다. 그러면 날개는 양력이 줄어든다. 수평꼬리날개에선 평소보다 더 큰, 위로 향하는 힘을 만들게 된다. 평소에는 주날개의 양력으로 인한 후류(downwash)가 수평꼬리날개를 약간 아래로 누르는 힘으로 작용했는데 주날개의 양력이 약해진 고속상황에서는 수평꼬리날개를 누르던 힘이 사라짐에 따라 수평꼬리날개가 위로 들리는 힘이 더 강해지는 것. 수평꼬리날개가 위로 들린다는 것은 항공기의 기수가 아래로 내려간다는 뜻이다.

결국 P-38은 급강하중 기수를 제대로 위로 들기 힘든 지경에 이르르고, 조종사는 더 이상 속도를 줄이지도, 고도를 높아지도 못하기 위해 탈출 할 수 밖에 없었다. 이후 몇 가지 개선조치와 함께 P-38에는 다이브 플랩이란 것이 장착되었다. 이것은 급강하시에만 쓰는, 날개 밑에 달린 아주 작은 플랩이다. 이 플랩을 펼치는 것만으로는 실제 양력발생량도 작고 항력발생량도 작다. 그러나 기수를 들어올리는 힘(주날개는 양력 증가, 수평꼬리날개는 양력 감소)을 만들기는 충분하였다.



5. 사용


플랩은 주로 이착륙시에 쓰인다. 더 느린 속도에서도 양력을 만들어내므로 더 느린 속도에서 이륙하거나 느린속도로 착륙하는 것이 가능하기 때문. 이 말은 이착륙에 필요한 활주로 길이가 줄어든다는 뜻이기 때문이다.

다만 플랩을 사용하면 그만큼 공기저항도 커지므로 보통 순항시에는 중립상태로 접혀들어간다. 또한 대개의 경우 이륙시에는 항력이 지나치게 크면 속도를 높여 가속하기 곤란하므로 착륙시보다 플랩을 조금만 사용한다.

보통 착륙직후에는 플랩을 다시 접어들인다. 날개에서 양력을 자꾸 만들면 바퀴가 땅에 제대로 닿지 않아 접지력이 약해져서 브레이크의 효과가 줄어들기 때문. 혹은 아예 아래로 직각에 가깝도록 펼쳐버려서 플랩이 아니라 에어브레이크의 역할을 하는 경우도 있다. 물론 이 경우 날개 위쪽의 스포일러도 겸용해서 쓰기도 한다.

전투기들은 기동성을 높이기 위해서 플랩이 사용되기도 한다. 기본적으로 앞전플랩은 실속을 막아주므로 일단 앞전플랩이 달려만 있다면 거의 필수적으로 사용한다.[3]

반면 뒷전 플랩은 아주 얕은 각도로만 펼친다. 너무 많이 펼치면 항력이 생겨서 속도가 팍팍 깎여나가기 때문. 혹은 아예 공중전시에는 안쓰는 경우도 있다. 공중전시에도 뒷전 플랩을 펼칠 수 있게 설계하려면 이착륙시보다 훨씬 빠른 속도에서도 플랩을 펼칠 수 있도록 구조물도, 액추에이터도 튼튼해야 하는데 거기 들어가는 무게가 아깝다고 판단되는 경우. [4]

글라이더에서도 속도와 양력을 조정하기 위해 비행 중에 사용되는 경우가 있다.
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  • [1] 일부 항공기 조종사 면장시험 등엔 이것이 고항력장치로 나와서 사람 헷갈리게 하기도 한다. 경항공기의 경우 실제로 플랩을 아래로 펼치면 항력또한 커지므로 속도를 늦추는 용도로 쓰기도 한다. 다만 본래 목적도 그렇고 개발된 배경도 그렇고 고양력장치가 더 개념에 맞기 때문에 대부분의 교과서나 항공관련 서적에서는 고양력장치로 분류한다.
  • [2] 예외적으로 F-15만은 앞전 플랩을 쓰지 않는다. F-15 항목에 나와있듯 설계자들이 이것을 추가하느라 어차피 무게가 늘어날거면 차라리 안쓰고 날개를 좌우로 길게 늘리는(가로세로비를 크게 하는) 방법을 택했다.
  • [3] 앞서 설명한바와 같이 F-15처럼 앞전 플랩이 아예 없는 경우도 있지만.
  • [4] 대표적인 예가 또 다시 F-15. 개발 당시 무게에 대한 제약이 상당했다고 한다. 뒷전플랩이 있긴 하지만 이착륙시에만 쓸 수 있다.
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