1.모형 항공기란 무엇일까? 2. 글라이더 제작 3.고무동력기 제작 4. 모형항공기 수업지도안 항 공 과 학

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1 1.모형 항공기란 무엇일까? 2. 글라이더 제작 3.고무동력기 제작 4. 모형항공기 수업지도안 항 공 과 학
2005년도 과학과 항공과학 직무연수 자료 항 공 과 학 1.모형 항공기란 무엇일까? 1. 항공용어 / 항공기의 종류와 형식 2. 비행원리 2. 글라이더 제작 3.고무동력기 제작 4. 모형항공기 수업지도안 지도강사 은 정 남

2 1-3 항공 용어 / 항공기의 종류와 형식 항공기(aircraft)란 일반적으로 사람이 타고 공중을 안전하게 날 수 있
1. 항공기의 정의 항공기(aircraft)란 일반적으로 사람이 타고 공중을 안전하게 날 수 있 는 기계를 뜻한다. (우리 나라 항공법상에서는 "항공기라 함은 사람이 탑승 조종하여 민간 항공의 용도에 제공되는 비행기,비행선, 활공기, 회전익 항공기, 기타 대통령령으로 정하는 항공의 용도에 제공되는 기기를 말한다." 고 되어 있다. 2. 모형 항공기의 정의 동력이 있건 없건 관계없이 사람이 타지 않고 크기가 제한된 비행기를 말하며, 모형 항공기라고 하는 것이 정확한 명칭이다. 이라크 전에서 사용된 프레데터(predator) UAV

3 항공기의 종류와 형식 1. 공기보다 가벼운 항공기 가. 기구 공기보다 비중이 작은 수소가스,
헬륨 가스, 열공기 등을 넣은 주머니 를 이용하여, 공기의 부력에 의하여 공중에 뜰 수 있도록 만들어진 항공기로서, 이들 중에서 동력이 없는 것을 기구라 하고, 동력과 조종 장치를 갖춘 것을 비행선이라 한다. 기구는 비행 방법에 따라 자유기구 와 계류기구로 나뉜다. 자유 기구는 바람 이 부는데 따라 이동하거나 공기의 부력에 의하여 상승 비행하여 기상 관측이나 대기의 과학적 관 측용으로 사용되며 고도에 따른 바람의 방향이나 속도변화를 이용하여 조종된다. 계류 기구는 지표면과 줄로 연결되어 한 곳에 고정된 기구를 말한다. 이 기구는 방송 중계, 기상의 지속적인 관측, 적외선에 의한 생 태학적 관측 및 군사적 목적에 사용 되기도 하며 가장 일반적으로는 광 고 목적으로 활용되고 있다. 광고용으로 활용되어지는 기구들

4 나.비행선 비행선은 추진 장치와 조종 장치를 갖춘 공기보다 가벼운 항공기이다. 동력 장치로는 증기 기관, 전동기, 디젤 기관, 가솔린 기관, 가스 터빈 기관 등을 이용하며, 프로펠러 혹은 팬을 회전시켜 추진력을 얻는다. 가벼운 가스를 넣 는 주머니의 유연성과 골격의 유무에 따라서 연식 비행선, 반경식 비행선 및 경식 비행선으로 나누어진다. 비행선은 비행기가 나오기 전까지는 유일한 공중 수송수단 이었으나, 여러 가지 불편과 결점이 있어 얼마간 사용되지 않다가, 요즈음 광고용이나 방송용 혹은 관광용으로 사용되고 있다. 광고용으로 사용되는 비행선

5 2. 공기보다 무거운 항공기 으로써 생기는 양력을 이용하여 비행할 수 있도록 고안된 항공기이다.
정적인 공기의 부력에 의하지 않고 날개가 공기와의 상대 운동을 함 으로써 생기는 양력을 이용하여 비행할 수 있도록 고안된 항공기이다. 종류로는 날개가 고정된 고정 날개 항공기와 회전축에 의하여 회전하 는 회전 날개 항공기가 있으며 이 두 형식을 결합한 전환식 항공기 (convertible aircraft)가 있다. 그 밖에 동력 장치를 갖추지 않은 활공 기(glider)도 이 분류에 속한다. 활공기는 동력 장치가 없는 공기 보다 무거운 항공기로서, 상승 기류를 이용하여 장시간 또는 장거리 비행도 할 수 있다. 그러나 비행 초기에는 스스로 이륙 및 상승 비행이 불가능하다. 활공기 를 공중으로 띄우는 방법에는 지상에서 인력을 이용하거나 자동차 또 는 윈치로 끄는 방식이 있으며 비행기로 예항하는 방식도 있다. 고정 날개 항공기는 동력 장치에 의하여 구동 되는 프로펠러 혹은 제트 추진 력으로 관성력을 얻어 전진 운동을 하면서 고정된 날개에서 발생하는 양력으로 비행하는 항공기이며, 현재의 항공 교통 수단으로 가장 많이 쓰이고 있다. 윈치로 이륙중인 글라이더

6 회전 날개 항공기는 동력 장치로 구동되는 회전날개에 의하여 수직 방향으로 움직일 수 있는 항공기를 말하며 헬리콥터가 대표적인 경우이고 자이로플레인(gyroplane)과 자이로다인(gyrodyne)이 여기에 속한다. 자이로 플레인 자이로 다인 전환식 항공기는 수직 이·착륙기의 일종으로서, 어떤 형식의 항공기 형태로부터 다른 형식의 항공기 형태로 전환이 가능한 항공기를 말한다. 즉, 회전 날개 항공기로부터 고정 날개 항공기로 전환할 수 있으며, 또 그 반대로도 전환이 가능하다. 전환식 항공기의 이륙 모습

7 3.항공기의 분류 항공기는 날개 형태나 동력 장치의 수에 따라서 분류할 수 있으 며, 아래 표와 같이 비행 속도에 의한 분류 방법과 이·착륙 성능에 의한 분류 방법이 있다. [표] 비행 속도에 의한 분류 종류 아음속기 천음속기 초음속기 극초음속기 속도(마하수) M 0.75 미만 M 0.75∼1.2 M 1.2∼5 M 5 이상 [표] 이·착륙 성능에 의한 분류 종류 CTOL STOL VTOL 원어 conventional take-off and landing short take-off and landing vertical take-off and landing 특징 보통의 이·착륙 비행기 단거리 이·착륙 비행기 수직 이·착륙 비행기 4.항공기의 용도 항공기에는 다른 수송 기관이나 기계와 같이 그 용도에 따라 여러 가지 종류가 있다. 항공기는 설계할 때에 그 용도에 따라 설계가 달라지게 된다. 예를 들면, 전투기와 같은 경우에는 속도, 상승력, 운동성 등이 매우 중요시되지만, 장거리 여객기와 같은 경우에는 연료 소모량 등의 경제성, 안정성, 화물 탑재량 등이 매우 중요시된다. 이와 같은 의미에서 항공기를 용도별로 분류하면 민간 항공기와 군용 항공기로 크게 구분되며, 그 종류는 매우 다양하다.

8 가) 민간 항공기 민간에서 사용되는 항공기는, 용도에 따라 상업용 항공기와 자가용 항공기로 나눈다. 상업용 항공기는 항공운송 회사나 항공 사업자가 영업을 목적으로 사용하는 것이고, 자가용기는 개인이나 단체가 소유하고 있으면서 개인 사업이나 취향에 따라 사용되는 항공기이다.  상업용기를 수송 목적에 따라 세분하면 주로 승객을 수송하는 여객 수송기, 화물만을 주로 운송하는 화물 수송기, 여객과 화물을 함께 수송할 수 있는 화객 겸용 수송기 등이 있고, 운항하는 구간 거리를 기준으로 세분하면 장거리 수송기, 중거리수송기, 단거리 수송기 등으로 나눌 수 있다. 항공 사업자가 운수 이외의 사업에 사용하는 것을 일반용 항공기라 하며, 일반용 항공기는 실용성, 경제성, 신뢰성 등이 중요시되므로 용도에 알맞게 내부나 외부의 장비의 배치를 간단히 변경시킬 수 있도록 설계한다. 일반용 항공기의 용도는 농약 살포, 종자의 파종, 기상 관측, 측량, 공중사진 촬영, 선전광고, 환자 운반 등으로 그 용도가 매우 다양하다. 비행 훈련이나 항공기 승무원 양성에 사용되는 연습기도 일반용기 중에서 적합한 기종을 선택하여 사용한다.

9 나) 군용 항공기 군용 항공기는 군에서 군사 목적으로 사용되는 항공기로서, 직접 전투에 참여하지 않는 비무장기도 이에 포함한다. 이와 같이 군용 항공기의 임무가 복잡하기 때문에 각각의 임무에 따라 항공기의 이름을 부여한다. 따라서 군용 항공기의 이름을 보면 그 항공기의 용도를 알 수 있다. 일반적으로 군용 항공기의 이름의 부여 방식은 항공기 제작 국가에 따라 다르며 아래 표는 미국에서 사용되는 임무 부호를 나타낸 것이다. 위의 임무 부호를 기준으로 예를 든다면, 다음 그림에 제시된 A-10기는 공격기, B-2는 폭격기, C-141은 수송기, E-3기는 전자전기, P-3는 초계기임을 알 수 있다. 또한 위와 같은 방법으로 항공기 용도를 파악한다면, 헬리콥터 가운데 UH-1은 다목적 헬리콥터, AH-64는 공격용 헬리콥터, CH-47은 수송용 헬리콥터임을 추측할 수 있을 것이다. A-10 대전차공격기 B-2 스텔스 폭격기 C-141 대형수송기 E-3 조기경보기 P-3 대잠 초계기

10 Strategic Reconnaissance
UH-1H다목적 헬기 AH-64 공격헬기 CH-47 대형수송헬기 [표] 임무별 부호 A Attack 공격기 O Observation 관측기 B Bomber 폭격기 P  Patrol 초계기 C Cargo 수송기 R  Reconnaissance 정찰기 E Special Electronic 전자전기 S Anti-Submarine 대잠기 F Fighter 전투기 T Trainer 훈련기 FB Fighter-Bomber 전폭기 SR Strategic Reconnaissance 전략 정찰기 H Helicopter 헬리콥터 U Utility 다목적기 K Tanker 급유기 V VTOL/STOL 수직/단거리이착륙기

11 2.기초 항공역학 항공기는 인류의 과학, 공학기술의 결정체이다. 기술과 각종 시스템이 고도로 집약된  것이 항공기인 것이다. 그 항공기가 어떻게 자유롭게 비행하는지에 대해서 알기 위해선 그 안에 내포되어 있는 수많은 원리와 기술을 이해해야만 한다. 우선 그 첫 번째로 항공에 관련된 기초 지식들을 소개하고자 한다. 비행기를 날 수 있게 하는 원동력은 무엇일까? 아마도 누구나 '날개가 있기 때문이다'라고 대답할 것이다. 그럼 날개에서 어떤 일이 일어나기 때문에 날 수 있을까? 또 날개만 있으면 다 날 수 있을까? 예를 들어 새를 생각해보자. 새는 날개를 가지고 있어서 날 수 있다. 하지만 모든 새가 다 날 수 있는 것이 아니다. 타조를 생각해 보면 다른 새들과 같이 날개를 가지고 날개 짓을 하지만 날지 못한다. 왜 그럴까? 이런 의문들이 풀리게 된다면, 여러분은 비행기가 어떻게 뜨는가에 대해서 조금은 이해하게 된 것이라고 생각한다. 그럼 지금부터 이것들에 대하여 알아보도록 하자.

12 3.비행기 주위에 발생하는 힘(moment) 비행기가 비행 중에 있을 때 비행기에 작용하는 힘은 크게 4가지로 나룰 수 있다. 그것은 바로 추력, 항력, 중력, 양력이다. 우선 추력은 엔진에 의해 앞으로 나가는 힘, 즉 비행기의 속도를 내는 추진력을 의미한다. 그리고 항력은 비행기가 앞으로 나갈 때 비행기의 자체 모양이나 동체나 날개 그 부착물 등에 의해 앞으로 나가는 것을 방해하는 힘 즉 저항력을 의미한다. 또한 중력은 비행기가 날고 있을 때 비행기의 자중에 의해 지구 중심 방향으로 작용하는 힘이다. 그리고 마지막으로 비행기가 나는데 있어서 가장 중요한 힘인 양력이다. 이것은 바로 비행기를 날 수 있게 하는 원동력이다. 이 4가지 힘들이 날개 단면(airfoil)에 작용한다고 생각했을 때 아래의 그림과 같이 표시된다 . 양력 LIFT 항력 DRAG 추력 THRUST 중력 WEIGHT 3.양력(LIFT)이란? 양력이란 앞에서 말한 것과 같이 비행기에서 뜨는 힘을 지칭한다. 위에서도 말한 것과 같이 비행기를 뜨게 하는 힘이 발생되는데 이것이 바로 양력이다. 동체에서도 날개와 같이 양력이 발생될 수도 있지만 그것은 날개에서 발생되는 양력에 비해 아주 적은 부분을 차지하므로 무시 할 수 있다. 그러므로 양력은 날개에서 생기는 것으로 생각한다. 물론 헬리콥터에서는 회전력에 의해 블레이드 하나 하나에 의해 양력이 발생한다.

13 4.날개골(AIRFOIL)주위의 공기흐름 그러면 왜 날개에서는 양력이 발생할까? 날개를 횡축(항공기에 조종석과 꼬리날개를 이은 선에 연장선이라고 가정하자)을 기준으로 단면을 잘라서 나오는 날개단면의 모양을 에어포일(airfoil)이라 한다. 그림과 같이 공기는 에어포일 주위를 흐른다. 실제 에어포일 주위의 공기 흐름은 공기의 성질에 따라서 아주 복잡하게 형성될 수도 있지만, 여기서 공기는 아주 이상적인 성질을 가지고 생각하자. 즉, 에어포일에 달라붙어서 흐른다고 가정하는 것이다. 이 과정은 동일시간 내에 일어나는 것이므로 윗면의 공기입자는 아래면의 공기입자보다 같은 시간 내에 더 많은 거리를 이동하게 된 것이다. 다시 말해서 날개단면의 윗면과 아래면을 직선으로 펼쳤을 때 그 길이는 윗면의 길이가 아래면의 길이보다 더 길기 때문에(왜냐하면, 에어포일의 형상은 윗면이 더 굴곡져 있으므로) 더 많은 거리를 이동했음을 의미한다. 따라서, 동시에 출발한 공기입자 둘이 같이 날개 뒷전(에어포일 제일 뒷 쪽)에서 만나게 되므로, 윗면과 아래면의 속도를 비교해 보면 같은 시간에 상대적으로 많은 거리를 이동한 윗면의 속도가 아래면의 속도보다 크게 된다. (왜냐하면 속도=이동거리/시간 이니깐) 그러므로 같은 에어포일 내의 윗면과 아래면이 상대적인 속도 차를 가지게 된다. 압력과 속도는 반비례하므로(베르누이의 법칙에 의거해서) 에어포일 상에서 속도가 더 빠른 윗면이 더 작은 압력을 갖게 되는 것이다. 결국, 위에서 누르는 압력보다 속도가 더 느린 아래면에서 올려주는 압력이 더 크게 되므로, 항공기를 날게 하는 힘(양력)을 낼 수 있는 것이다. L R V 받음각 D 압력중심(Center of pressure)

14 5.양력의 발생 원리 지금 자신의 손바닥을 가슴 앞에서 마주 대보자. 양쪽에 같은 힘을 주면 아마도 평형상태가 될 것이다.
그러나 여기서 양쪽 손 중 어떤 손이든 간에 힘을 더 많이 주게 되면 힘을 더 많이 주게 되는 방향으로 손의 위치가 이동하게 될 것이다. 여기서 힘이 크기가 다르면 힘이 큰 쪽에서 작은 쪽으로 그 둘의 차만큼 힘이 작용한다는 것을 알 수 있을 것이다. 이것을 다시 날개골 에서 생각해보면, 날개골 위아래 에서는 모두 압력이 작용하는데,  크기가 다른 이 압력들은 앞에서와 같이 위아래의 압력차이가 발생하게 된다.  힘은 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 발생하게 되므로 압력이 큰 날개 아래면에서, 압력이 작은 날개 윗면으로 힘의 이동이 발생하게 된다. 이 힘이 바로 비행기를 뜨게 해주는 힘인 양력인 것이다. 그러나 날지 못하는 것은 몸무게가 너무 많이 나가서, 즉 양력보다 중력이 크기 때문에 날지 못하는 것이다. 결론적으로 비행기가 날기 위해서는 날개에서 발생되는 양력이 자체 하중보다 많이 발생되어야만 날수 있는 것이다.

15 6.받음각 효과란? 이렇게 공기의 에너지 때문에 판이 수직 상방으로 들려지는 힘을 양력(揚力 : Lift))이라고 하고, 판을 뒤로 미는 것과 같이 후방으로 작용하는 힘을 항력(抗力 : Drag)이라고 부른다. 이 경우 판이 무게에 의해서 아래 방향으로 떨어지려는 힘이 작용하게 되는데, 이 힘은 중력(重力 : Gravity)이라고 부른다. 그래서  이 중력은 수직 위로  들어올리려고 하는 양력과 반대되는 힘으로서 작용하게 된다.   그리고 판이 항력에 의해 뒤로 밀리지 않게 전진방향으로 잡아주는 힘도 판에 작용하게 되는데 이 힘을 추력(推進 : Thrust)이라고 하고, 역시 항력과 반대되는 역할을 하게 된다.   판을 약간 기울이면 이렇게 4가지 힘이 종합적으로 발생하게 되는 것이다. 이 경우 받음각은 바람의 방향에  대해서 기울인 판의 각도를 말한다.  아래쪽 그림에서 보면 평행으로 불어오는 바람의 방향에 대해서 약 30도 정도 판을 기울인 모습이므로 이 판의 받음각은 30도라고 말할 수 있다. 양력 L 바람 상대풍 항력 D 30도 지면