25.43 무미익(Tailless) 형상과 전익기(Flying Wing)

1. 무미익 형상의 정의

무미익(tailless) 형상은 전통적인 수평 꼬리날개 또는 수직 꼬리날개 중 하나 또는 모두가 없는 기체 구성이다. 주요 변형은 다음과 같다. 첫째, 전익기(flying wing): 수평 및 수직 꼬리 모두 없음, 기체 전체가 날개. 둘째, 날개-동체 융합(blended wing body): 동체와 날개가 매끄럽게 연결. 셋째, 수평 꼬리 없는 구성(tailless). 이러한 구성은 공력 저항 감소와 스텔스 특성에 유리하다.

2. 전익기의 역사

전익기의 역사적 개발은 20세기 초부터 시작되었다. 주요 사례는 다음과 같다.

이 표는 주요 전익기 개발 사례를 요약한 것이다.

3. 무미익의 공력 이점

무미익 형상의 주요 공력 이점은 다음과 같다. 첫째, 공력 저항 감소: 꼬리 부재 제거. 둘째, 경량 구조: 구조물 감소. 셋째, 간섭 항력 감소: 교차점 감소. 넷째, 양항비 향상. 다섯째, 스텔스 특성: 레이더 반사 면적 감소. 이러한 이점들이 특정 임무에서 유리하다.

4. 무미익의 설계 도전

무미익 형상은 다음의 설계 도전을 가진다. 첫째, 종방향 안정성 확보: 꼬리 부재 없이 안정화. 둘째, 방향 안정성 확보: 수직 꼬리 없이 요 안정. 셋째, 조종면 배치: 제한된 공간. 넷째, 피치 제어: 큰 레버 암 부재. 다섯째, 실속 특성 관리. 이러한 도전이 설계의 복잡성을 증가시킨다.

5. 종방향 안정성 확보

무미익 기체의 종방향 안정성 확보 방법은 다음과 같다. 첫째, 반사 캠버(reflex camber): 익형 후연이 위로 굽어져 양의 C_{m,ac} 제공. 둘째, 큰 후퇴각과 워시아웃: 자연스러운 안정 요소. 셋째, 정밀한 CG 관리. 넷째, 자동 안정화 시스템. 이러한 기법들이 수평 꼬리 없이 안정 비행을 실현한다.

6. 방향 안정성 확보

수직 꼬리가 없는 전익기에서 방향 안정성 확보 방법은 다음과 같다. 첫째, 큰 후퇴각: 날개 자체가 풍향계 안정성 제공. 둘째, 팁 방향 핀(tip fin): 팁에 작은 수직 면. 셋째, 분리 드래그 러더(split drag rudder): 양쪽 날개 팁의 공력 표면. 넷째, 추력 벡터링. 다섯째, 능동 안정화. B-2 Spirit은 분리 드래그 러더를 사용한다.

7. 엘레본 제어

전익기의 피치와 롤 제어는 엘레본(elevon)으로 통합된다. 편위 규칙은 다음과 같다.

\delta_{e,L} = \delta_e + \delta_a, \quad \delta_{e,R} = \delta_e - \delta_a

여기서 \delta_e는 공통 편위(피치), \delta_a는 차등 편위(롤)이다. 이러한 제어 할당이 꼬리 부재 없이 자세 제어를 실현한다.

8. 반사 캠버

반사 캠버(reflex camber)는 익형 후연이 위로 굽어진 특수 캠버이다. 주요 특성은 다음과 같다. 첫째, 양의 C_{m,ac} 제공. 둘째, 전익기에 필수적. 셋째, 양력 계수가 약간 감소. 넷째, 적절한 CG와 조합하여 안정성 확보. 다섯째, 저 캠버 또는 대칭 익형도 사용 가능. 이러한 캠버가 무미익 안정성의 핵심이다.

9. Horten 형제의 기여

Horten 형제는 전익기 개발의 선구자이다. 주요 기여는 다음과 같다. 첫째, Horten H.I ~ H.IX 시리즈. 둘째, 수직 꼬리 없는 완전 전익기. 셋째, 제트 추진 전익기 Ho 229. 넷째, 적절한 스팬 양력 분포 연구. 다섯째, 현대 전익기의 기반. 이들의 연구가 후속 개발의 이론적 근거를 제공했다.

10. Northrop의 전익기

Jack Northrop은 미국 전익기 개발의 중심 인물이다. 주요 기여는 다음과 같다. 첫째, YB-35, YB-49 폭격기. 둘째, 대규모 전익기의 실용 시도. 셋째, 자동 안정화 시스템 개발. 넷째, B-2 Spirit의 기술적 기반. 다섯째, 현대 전익기 개발의 영향. Northrop의 연구가 B-2, B-21로 이어졌다.

11. B-2 Spirit

B-2 Spirit은 실용화된 대형 전익 폭격기이다. 주요 특성은 다음과 같다. 첫째, 완전 전익기 형상. 둘째, 스텔스 설계. 둘째, fly-by-wire 디지털 제어. 넷째, 자동 안정화. 다섯째, 대 장거리 임무. B-2의 개발은 전익기 기술의 성숙을 보여 주는 사례이다.

12. 블렌디드 윙 바디

블렌디드 윙 바디(Blended Wing Body, BWB)는 동체와 날개가 연속적으로 융합된 구성이다. 주요 특성은 다음과 같다. 첫째, 양력 생성 동체. 둘째, 부드러운 외형. 셋째, 공력 효율 우수. 넷째, 대 용량 가능. 다섯째, 연구 단계. NASA X-48, Airbus Maveric 등이 실험되고 있다.

13. 무미익의 안정 증강

현대 무미익 기체는 자동 안정 증강 시스템을 필수적으로 채택한다. 주요 기능은 다음과 같다. 첫째, 센서 기반 실시간 감시. 둘째, 빠른 제어 응답. 셋째, 자세 자동 보정. 넷째, 비행 포락선 보호. 다섯째, 고장 대응. 이러한 시스템이 자연 안정성 부족을 보완한다.

14. 무인기의 전익 설계

소형 무인기에서 전익 설계는 다음의 이점을 제공한다. 첫째, 구조 단순화. 둘째, 중량 감소. 셋째, 스텔스 특성. 넷째, 제작 용이. 다섯째, 고 L/D 잠재력. 많은 연구용 및 군사용 무인기가 전익 또는 유사 형상을 채택한다.

15. 현대 개발 동향

현대 무미익 형상의 개발 동향은 다음과 같다. 첫째, 도심항공교통 eVTOL. 둘째, 스텔스 무인기. 셋째, 장거리 폭격기. 넷째, 연구용 실험기. 다섯째, 태양광 무인기. 디지털 제어 기술의 발전이 이러한 개발을 가속화하고 있다.

16. 로봇공학적 의의

무미익 형상과 전익기의 이해는 자율 비행 로봇의 다음 측면에 기여한다. 첫째, 고효율 기체 설계. 둘째, 스텔스 무인기 개발. 셋째, 복잡한 제어 시스템 설계. 넷째, 새로운 기체 형식. 다섯째, 차세대 항공 기술. 이러한 의의는 무미익 형상이 자율 비행 로봇 기술의 중요한 영역임을 보여 준다.

17. 출처

• Nickel, K., and Wohlfahrt, M. Tailless Aircraft in Theory and Practice. Edward Arnold, 1990.
• Raymer, D. P. Aircraft Design: A Conceptual Approach, 6th ed. AIAA Education Series, 2018.
• Jones, R. T. Wing Theory. Princeton University Press, 1990.
• Torenbeek, E. Advanced Aircraft Design: Conceptual Design, Analysis and Optimization of Subsonic Civil Airplanes. Wiley, 2013.
• Liebeck, R. H. “Design of the Blended Wing Body Subsonic Transport.” Journal of Aircraft, vol. 41, no. 1, 2004.

18. 버전

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