22.21 기생 항력(Parasite Drag)

1. 기생 항력의 정의

기생 항력(parasite drag)은 양력 발생에 직접 기여하지 않는 모든 항력 성분의 총칭이다. 유도 항력(induced drag)이 양력의 생성에 수반하여 발생하는 반면, 기생 항력은 물체가 유체 내에서 이동하는 것만으로도 발생하는 항력이다.

전체 항력의 분해에서 기생 항력은 다음과 같이 정의된다.

C_D = C_{D_0} + C_{D_i}

여기서 C_{D_0}는 기생 항력 계수(parasite drag coefficient) 또는 영양력 항력 계수(zero-lift drag coefficient), C_{D_i}는 유도 항력 계수이다. 기생 항력 계수는 양력 계수가 영인 상태에서의 항력 계수에 해당하므로 영양력 항력이라고도 한다 (Anderson, 2017).

2. 기생 항력의 구성 요소

기생 항력은 다음의 성분으로 구성된다.

2.1 마찰 항력(Skin Friction Drag)

경계층 내 유체의 점성 전단 응력에 의한 항력으로, 물체의 습윤 면적(wetted area)과 경계층의 층류-난류 상태에 의존한다.

2.2 형태 항력(Form Drag)

경계층의 배제 효과와 유동 박리에 의한 압력 분포의 비대칭에서 발생하는 항력이다. 물체의 형태가 유선형에서 벗어날수록 형태 항력이 증가한다.

2.3 간섭 항력(Interference Drag)

구성 요소 간의 유동 상호 작용에 의한 추가 항력이다.

2.4 기타 항력

냉각 항력(cooling drag), 누설 항력(leakage drag), 돌출물 항력(excrescence drag) 등이 포함된다.

이들의 관계를 정리하면 다음과 같다.

C_{D_0} = C_{D_f} + C_{D_{\text{form}}} + C_{D_{\text{int}}} + C_{D_{\text{misc}}}

3. 구성 요소 합산법에 의한 기생 항력 추정

3.1 방법의 개요

비행체의 기생 항력을 추정하는 구성 요소 합산법(component buildup method)은 각 구성 요소(날개, 동체, 미익, 나셀 등)의 항력을 개별적으로 계산한 후 합산하는 방법이다.

C_{D_0} = \sum_{i} \frac{C_{f_i} \cdot FF_i \cdot Q_i \cdot S_{\text{wet},i}}{S_{\text{ref}}} + C_{D_{\text{misc}}} + C_{D_{\text{L\&P}}}

여기서:

• C_{f_i}: 구성 요소 i의 마찰 계수(레이놀즈 수와 경계층 상태에 의존)
• FF_i: 형상 인자(form factor, 마찰 항력 대비 압력 항력의 증가를 반영)
• Q_i: 간섭 인자(interference factor)
• S_{\text{wet},i}: 구성 요소 i의 습윤 면적
• S_{\text{ref}}: 기준 면적(통상 날개 면적)
• C_{D_{\text{misc}}}: 기타 항력(안테나, 돌출물 등)
• C_{D_{\text{L\&P}}}: 누설 및 돌출물(leakage and protuberance) 항력

3.2 형상 인자

형상 인자는 유선형 물체의 압력 항력을 마찰 항력 대비 비율로 반영한다. 대표적인 형상 인자 공식은 다음과 같다.

날개 및 미익(Raymer, 2018):

FF = \left[1 + \frac{0.6}{(x/c)_m}\left(\frac{t}{c}\right) + 100\left(\frac{t}{c}\right)^4\right] \left[1.34 M^{0.18}(\cos\Lambda_m)^{0.28}\right]

여기서 (x/c)_m은 최대 두께 위치, t/c는 두께비, M은 마하 수, \Lambda_m은 최대 두께선의 후퇴각이다.

동체(Raymer, 2018):

FF = 1 + \frac{60}{f^3} + \frac{f}{400}

여기서 f = l/d는 동체의 세장비(fineness ratio), l은 동체 길이, d는 최대 직경이다.

4. 기생 항력의 대표적 값

4.1 항공기 분류별 기생 항력

4.2 등가 평판 면적

기생 항력을 직관적으로 비교하기 위하여 등가 평판 면적(equivalent flat plate area) f가 사용된다.

f = C_{D_0} \cdot S_{\text{ref}}

등가 평판 면적은 동일한 기생 항력을 발생시키는 마찰 계수 1인 평판의 면적에 해당하며, 비행체의 공력적 청결도(aerodynamic cleanliness)를 나타내는 지표이다.

5. 기생 항력의 항력 비중

비행 조건에 따라 기생 항력과 유도 항력의 상대적 비중이 달라진다.

최대 양항비 조건에서 기생 항력과 유도 항력이 동일해지는 것은 항력 극곡선의 수학적 특성으로부터 자연스럽게 유도되는 결과이다.

6. 기생 항력의 저감 기법

6.1 습윤 면적 최소화

기생 항력은 습윤 면적에 직접 비례하므로, 기능 요구를 만족시키면서 표면적을 최소화하는 형상 설계가 기본적인 저감 전략이다.

1. 동체 세장비 최적화: 동체의 세장비 f = l/d가 약 6~8 범위에서 전체 기생 항력(마찰 항력 + 형태 항력의 합)이 최소화된다.
2. 구성 요소 통합: 외부 장착물을 동체 또는 날개 내부에 수납하여 추가 습윤 면적과 돌출물 항력을 제거한다.

6.2 형상 최적화

1. 유선형 설계: 모든 구성 요소를 가능한 한 유선형으로 설계하여 유동 박리와 형태 항력을 최소화한다.
2. 접합부 페어링: 구성 요소 접합부에 페어링을 적용하여 간섭 항력을 저감한다.
3. 수납식 착륙 장치: 착륙 장치를 비행 중에 수납하여 기생 항력을 저감한다.

6.3 표면 품질 관리

표면의 불연속(리벳, 이음매, 틈새 등)과 조도는 마찰 항력과 돌출물 항력을 증가시킨다. 매끄러운 표면 처리, 밀봉 처리, 리벳 매립(flush rivet) 등의 기법이 적용된다.

7. 드론 설계에서의 기생 항력 관리

소형 드론에서 기생 항력 관리는 다음의 측면에서 특히 중요하다.

1. 센서 및 페이로드 장착: 카메라, 라이다(LiDAR), 안테나 등의 외부 장착물이 기생 항력의 주요 원인이 된다. 유선형 하우징이나 내부 수납 설계가 효과적이다.
2. 배선 및 케이블 관리: 외부에 노출된 배선은 항력을 증가시키므로, 내부 배선 또는 정리 처리가 필요하다.
3. 착륙 장치: 고정식 착륙 장치는 기생 항력의 상당 부분을 차지할 수 있으므로, 유선형 다리 또는 수납식 설계를 고려한다.
4. 멀티로터의 전진 비행: 멀티로터 드론은 비유선형 형상으로 인하여 전진 비행 시 기생 항력이 크다. 동체 형상의 유선화가 전진 비행 효율 향상에 직접적으로 기여한다.

참고 문헌

• Anderson, J. D. (2017). Fundamentals of Aerodynamics (6th ed.). McGraw-Hill Education.
• Hoerner, S. F. (1965). Fluid-Dynamic Drag. Hoerner Fluid Dynamics.
• Raymer, D. P. (2018). Aircraft Design: A Conceptual Approach (6th ed.). AIAA Education Series.

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