활공 비행

섬네일|날아다니는 도마뱀
활공 비행(gliding flight)은 추력을 사용하지 않는, 공기보다 무거운 비행이다. "volplaning"이라는 용어는 동물의 이러한 비행 방식을 뜻하기도 한다. 활공하는 동물과 글라이더와 같은 항공기에 사용된다. 이러한 비행 방식은 하강에 비해 수평으로 상당한 거리를 비행하는 것을 포함하므로 둥근 낙하산처럼 대부분 직선으로 하강하는 것과 구별될 수 있다.

인간이 활공 비행을 적용한다는 것은 일반적으로 이러한 목적으로 설계된 항공기를 의미하지만, 대부분의 동력 항공기는 엔진 동력 없이 활공할 수 있다. 지속적인 비행과 마찬가지로 활공에는 일반적으로 항공기나 새의 날개 또는 활공하는 포섬의 활공 막과 같은 익형의 적용이 필요하다. 그러나 단순한 종이비행기처럼 평평한(움직이지 않는) 날개를 사용하거나 심지어 카드를 던지는 방법으로도 활공할 수 있다. 그러나 날아다니는 뱀과 같은 몸과 동물을 들어올리는 일부 항공기는 아래에 평평한 표면을 만들어 날개 없이 활공 비행을 달성할 수 있다.

 글라이더 항공기 

대부분의 유폭 항공기는 어느 정도 활공할 수 있지만, 활공을 위해 설계된 여러 유형의 항공기가 있다.
 글라이더 (세일플레인)
 행글라이더
 패러글라이더
 스피드 글라이더
 램 에어 낙하산
 로터 카이트 (밧줄이 풀린 경우 로터리 글라이더 또는 자이로글라이더로 알려짐)
 군용 글라이더
 종이비행기
 무선 조종 글라이더
 로켓 글라이더
 윙슈트

주요 인간 응용 분야는 현재 레크리에이션용이지만, 제2차 세계 대전 중에는 병사와 장비를 전투 현장으로 운송하기 위해 군용 글라이더가 사용되었다. 스포츠 및 레크리에이션에 사용되는 항공기 유형은 글라이더 (세일플레인), 행글라이더, 패러글라이더로 분류된다. 이 중 후자의 두 유형은 종종 발로 이착륙(foot-launched)한다. 이 세 가지 유형의 설계는 모두 상승 기류를 이용해 반복적으로 상승한 다음, 다음 양력원을 찾기 전까지 활공할 수 있게 해준다. 글라이더(세일플레인)로 이를 수행할 때 이 스포츠를 활공이라 하며 때로는 소어링(soaring)이라고도 한다. 발로 이착륙하는 항공기의 경우 행글라이딩 및 패러글라이딩으로 알려져 있다. 고정익을 가진 무선 조종 글라이더 또한 동호인들에 의해 소어링에 이용된다.

동력 활공기 외에도, 일부 동력 항공기는 비행의 일부 구간, 주로 동력 비행 후 착륙할 때 일상적인 활공을 하도록 설계되었다. 여기에는 다음이 포함된다.
 연료를 모두 사용한 후 활공하여 돌아오는 노스아메리칸 X-15와 같은 실험기
 우주왕복선, 스페이스십원, 러시아의 부란 우주왕복선과 같은 우주선

활공용으로 설계되지 않은 항공기라도 모든 엔진 고장이나 연료 고갈과 같은 비상 상황에서는 강제로 활공 비행을 수행해야 할 수도 있다. 활공 비행이 필요했던 항공 노선 목록을 참조하라.

 활공 동물 
 조류 
수많은 동물이 단일 조상 없이도 여러 차례에 걸쳐 수렴 진화를 통해 활공 능력을 발달시켰다. 특히 조류는 에너지 소비를 최소화하기 위해 활공 비행을 사용한다. 대형 조류는 활공에 특히 능숙하며, 여기에는 다음이 포함된다.
 알바트로스
 콘도르
 독수리
 수리
 황새
 군함조

레크리에이션용 항공기와 마찬가지로, 새들은 활공 기간과 상승 기류에서의 소어링 기간을 교대로 반복하며 최소한의 에너지 소비로 상당한 시간 동안 공중에 머물 수 있다. 특히 큰군함조는 최대 수 주 동안 연속 비행이 가능하다.

 포유류 
섬네일|날다람쥐의 날개막(Patagia)
활공을 돕기 위해 일부 포유류는 날개막(patagium)이라고 불리는 구조를 진화시켰다. 이것은 신체의 여러 부위 사이에 펼쳐진 막 구조이다. 이는 박쥐에게서 가장 고도로 발달되어 있다. 조류와 유사한 이유로 박쥐는 효율적으로 활공할 수 있다. 박쥐의 경우, 날개 표면을 형성하는 피부는 복부 피부의 연장선으로 각 손가락 끝까지 이어져 앞다리와 몸을 연결한다. 박쥐의 날개막은 네 부분으로 나뉜다.
 전익막(Propatagium): 목에서 첫 번째 손가락까지 이어진 부분
 지간막(Dactylopatagium): 손가락 사이에 있는 부분
 측익막(Plagiopatagium): 마지막 손가락과 뒷다리 사이에 있는 부분
 미막(Uropatagium): 두 뒷다리 사이의 신체 후방 부분

글라이딩 포섬이나 날다람쥐와 같은 다른 포유류도 날개막을 사용하여 활공하지만, 박쥐보다 효율성이 훨씬 떨어진다. 이들은 고도를 높일 수 없다. 동물은 나무에서 뛰어내려 활공 막을 노출시키기 위해 사지를 펼치며, 주로 우림에서 먹이를 찾거나 포식자를 피하기 위한 효율적인 수단으로 나무 사이를 이동한다. 이러한 수목 이동 방식은 나무가 높고 간격이 넓은 보르네오섬이나 오스트레일리아와 같은 열대 지역에서 흔하다.

날다람쥐의 경우, 날개막은 몸통 양쪽 길이를 따라 앞다리에서 뒷다리까지 뻗어 있다. 유대하늘다람쥐의 경우, 날개막은 각 손의 다섯 번째 손가락에서 각 발의 첫 번째 발가락 사이에 펼쳐져 있다. 이는 익형을 형성하여 50미터 이상을 활공할 수 있게 한다. 이러한 활공 비행은 막의 곡률을 바꾸거나 다리와 꼬리를 움직임으로써 조절된다.

 어류, 파충류, 양서류 및 기타 활공 동물 
포유류와 조류 외에도 날치, 날뱀, 날개구리, 날오징어 등의 다른 동물들도 활공한다.

섬네일|250px|right|이륙하는 날치
날치의 비행은 보통 약 50미터에 달하지만, 파도 앞면의 상승 기류를 이용하면 최대 의 거리를 이동할 수 있다. 물 밖으로 활공해 오르기 위해 날치는 꼬리를 초당 최대 70회 움직인다. 그런 다음 가슴지느러미를 펼치고 양력을 얻기 위해 약간 위쪽으로 기울인다. 활공이 끝나면 가슴지느러미를 접어 바다로 다시 들어가거나, 꼬리를 물속에 떨어뜨려 물을 밀어내어 다시 활공을 위해 몸을 띄우며 방향을 바꾸기도 한다. "날개"의 구부러진 프로필은 새 날개의 공기역학적 형태와 비슷하다. 물고기는 기류와 해류의 조합으로 만들어진 상승 기류 방향으로 직진하거나 각도를 맞춰 비행함으로써 공중에 머무는 시간을 늘릴 수 있다.

파라다이스날뱀(Chrysopelea)속의 뱀들은 흔히 "날뱀"이라는 이름으로 알려져 있다. 가지에서 뛰어내리기 전, 뱀은 J자 모양으로 몸을 구부린다. 몸을 나무에서 위쪽과 바깥쪽으로 밀어낸 후, 배를 안으로 끌어당기고 갈비뼈를 펼쳐 몸을 "가짜 오목한 날개"로 만든다. 그동안 지면과 평행하게 계속해서 측면 파상 운동(lateral undulation)을 하여 공중에서 방향을 안정시키고 안전하게 착륙한다. 날뱀은 팔다리나 날개, 또는 기타 날개 같은 돌출부가 없음에도 불구하고 날다람쥐나 다른 활공 동물보다 더 잘 활공할 수 있으며, 서식지인 숲과 정글을 가로질러 최대 100m까지 활공한다. 그들의 목적지는 대부분 탄도학에 의해 예측되지만, 공중에서 "미끄러지듯 움직임"으로써 어느 정도의 비행 자세 제어를 수행할 수 있다.

날도마뱀속(Draco)의 날도마뱀들은 확장된 갈비뼈 세트에 의해 형성된 날개(날개막)를 통해 활공 비행이 가능하다.

활공 비행은 신대륙(청개구리과)과 구세계(산청개구리과) 가문의 3,400종의 개구리들 사이에서 독립적으로 진화했다. 이러한 평행 진화는 지면 높은 곳의 나무 위 생활에 대한 적응으로 간주된다. 구세계 종의 특징에는 커진 손과 발, 모든 손가락과 발가락 사이의 완전한 물갈퀴, 팔다리의 측면 피부 판이 포함된다.

 힘 
섬네일|right|비행 중인 활공 동물이나 항공기에 작용하는 힘
활공 시 항공기와 동물에는 세 가지 주요 힘이 작용한다.
 무게(중력) – 아래쪽 방향으로 작용한다.
 양력 – 대기 속도(airspeed)를 나타내는 벡터에 수직으로 작용한다.
 항력 – 대기 속도를 나타내는 벡터에 평행하게 작용한다.

항공기나 동물이 하강함에 따라, 날개와 몸 위를 흐르는 공기는 운동 방향에 수직인 양력을 발생시키고 운동 방향에 평행한 항력을 발생시킨다. 글라이더는 전진하면서 하강하기 때문에, 중력 벡터는 항력과 균형을 맞출 수 있는 전진 성분을 가지며, 이를 통해 속도를 일정하게 유지할 수 있다. 항력을 극복하기 위한 에너지는 중력 위치 에너지의 손실에서 발생한다.

무게 때문에 글라이더가 하강하더라도, 공기가 강하율보다 빠르게 상승한다면 고도가 높아질 것이다.

 양항비 

섬네일|항력 대 속도. L/D 최대치는 총 항력(유해 항력 및 유도 항력의 합)이 최소일 때 발생한다.
섬네일|항력 및 양력 계수 대 받음각. 실속 속도는 최대 양력 계수일 때의 받음각에 해당한다.
양항비(lift-to-drag ratio) 또는 L/D 비는 날개나 기체에서 발생하는 양력을 공기 속을 이동할 때 발생하는 항력으로 나눈 값이다. 양항비가 높을수록 활공각이 좋아지거나 활공비가 높아진다.

대기 속도가 강하율에 미치는 영향은 극곡선(polar curve)으로 묘사될 수 있다. 이 곡선들은 최소 강하가 달성되는 대기 속도와 최적의 양항비를 갖는 대기 속도를 보여준다. 곡선은 뒤집힌 U자 모양이다. 속도가 감소함에 따라 양력의 양은 실속 속도 부근에서 급격히 떨어진다. 'U'의 정점은 최소 항력 지점이다.

양력과 항력은 각각 양력 및 항력 계수에 동일한 계수(1/2 ρ공기 v2S)를 곱한 값에 비례하므로, 양항비는 양력 계수를 항력 계수로 나눈 값(Cl/Cd)으로 단순화할 수 있다. 두 계수 모두 대기 속도에 비례하므로, L/D 또는 Cl/Cd 비율은 일반적으로 받음각에 대해 도표로 그려진다.

 항력 

유도 항력은 날개의 양력 발생으로 인해 발생한다. 저속에서 항공기는 더 높은 받음각으로 양력을 발생시켜야 하며, 이는 더 큰 유도 항력으로 이어진다. 이 용어는 항력 그래프의 저속 측, 즉 U자의 왼쪽을 지배한다.

유해 항력(Parasitic drag)은 양력 생성과 무관한 항력으로, 표면 마찰과 기체 및 날개의 형태에 의해 발생한다. 이 항력은 고속에서 더 두드러지며, 항력 그래프의 U자 모양 오른쪽을 형성한다. 형상 항력은 주로 단면적을 줄이고 유선형화함으로써 낮아진다.

양력이 임계각까지 꾸준히 증가함에 따라, 일반적으로 복합 항력이 가장 낮은 지점이 날개나 항공기가 최상의 L/D 성능을 발휘하는 지점이다.

설계자들은 일반적으로 동력 고정익 항공기의 선택된 크루징 속도(cruising speed)에서 L/D 정점이 나타나는 날개 설계를 선택하여 경제성을 극대화한다. 항공 공학의 모든 것과 마찬가지로 양항비가 날개 설계의 유일한 고려 사항은 아니다. 높은 받음각에서의 성능과 부드러운 실속 또한 중요하다.

항력을 최소화하는 것은 고성능 글라이더 (세일플레인)의 설계와 운용에서 특히 중요하다. 가장 큰 글라이더는 60:1에 가까운 활공비를 가질 수 있지만, 훈련용으로 적당하다고 여겨지는 25:1 등 성능이 더 낮은 경우도 많다.

 활공비 
정지된 공기 중에서 일정한 속도로 비행할 때 글라이더는 일정 거리 하강하는 동안 일정 거리 전진한다. 하강 거리에 대한 전진 거리의 비율을 활공비라고 한다. 활공비(E)는 이러한 조건에서 수치적으로 양항비와 같지만, 특히 속도가 일정하지 않은 다른 기동 중에는 반드시 같지는 않다. 글라이더의 활공비는 대기 속도에 따라 변하지만, 자주 인용되는 최대값이 존재한다. 활공비는 보통 기체의 하중에 따라 거의 변하지 않는다. 더 무거운 기체는 더 빨리 활공하지만 활공비는 거의 유지한다.

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활공비(또는 "피네스")는 하강각인 활공각(γ)의 코탄젠트이다. 대안적으로 무동력 항공기에서 전진 속도를 강하 속도로 나눈 값이기도 하다.

활공 수(ε)는 활공비의 역수이지만 때때로 혼동되기도 한다.

 예시 

 활공 비행에서 활공비의 중요성 
섬네일|최적 활공 속도(최상의 L/D)에 대한 활공각을 보여주는 극곡선. 이는 잔잔한 공기 중에서 가장 평탄한 활공각이며, 비행 거리를 극대화한다. 이 대기 속도(수직선)는 그래프의 원점에서 시작하는 직선의 접점에 해당한다. 이 속도보다 빠르거나 느리게 비행하는 글라이더는 착륙 전까지 더 짧은 거리를 이동하게 된다.
최상의 활공비가 활공 항공기의 성능을 측정할 때 중요하지만, 다양한 속도에서의 활공비 또한 그 성공 여부를 결정한다(활공 문서 참조).

조종사는 때때로 대기 속도를 정밀하게 제어하고 조종 장치를 부드럽게 조작하여 항력을 줄임으로써 항공기의 최상 L/D 상태로 비행한다. 그러나 다음에 나타날 양력의 예상 강도, 강한 하강 기류 지역에서 보내는 시간의 최소화, 바람의 세기 등도 최적의 비행 속도(speed to fly)에 영향을 미친다. 조종사는 하강 기류를 빠르게 통과하기 위해, 그리고 맞바람을 맞을 때 지면에 대한 활공각을 최적화하기 위해 더 빨리 비행한다. 더 높은 속도로 장거리를 이동하기 위해 글라이더 (세일플레인)에는 대기 속도를 높여 다음 양력 지역에 더 빨리 도달할 수 있도록 종종 수평용 밸러스트(water ballast)를 싣는다. 이는 강하율과 대기 속도의 증가가 비례하여 유지되기 때문에 활공각에는 거의 영향을 주지 않으며, 따라서 더 무거운 항공기는 더 높은 대기 속도에서 최적의 L/D를 달성한다. 그날의 상승 기류가 강하다면, 밸러스트의 이점이 느린 상승률보다 더 크다.

공기가 강하율보다 빠르게 상승하면 항공기는 상승한다. 낮은 속도에서 항공기는 더 나쁜 활공비를 가질 수 있지만 강하율 또한 낮아진다. 낮은 대기 속도는 또한 상승률이 가장 큰 상승 기류의 중심에서 좁게 회전하는 능력을 향상시킨다. 약 1.0 m/s의 강하율은 실제 행글라이더나 패러글라이더가 상승이 가능한 기회를 강한 상승 기류가 있을 때로만 제한하기 전까지 가질 수 있는 최대치이다. 글라이더(세일플레인)는 등급에 따라 0.4에서 0.6 m/s 사이의 최소 강하율을 가진다. 여객기와 같은 항공기는 행글라이더보다 더 나은 활공비를 가질 수 있지만, 훨씬 높은 전진 속도와 훨씬 높은 강하율 때문에 서멀(thermal) 비행을 하기는 거의 불가능할 것이다. (김리 글라이더 사건 당시 보잉 767은 12:1의 활공비만을 기록했다.)

고도 손실은 여러 속도에서 측정되어 "극곡선"에 도표화될 수 있으며, 이를 통해 맞바람이 불 때나 하강 기류 속에 있을 때와 같은 다양한 조건에서 최적의 비행 속도를 계산할 수 있다. 글라이더에 수평용 밸러스트를 실은 후 다른 극곡선을 측정할 수도 있다. 질량이 증가함에 따라 최상의 활공비는 더 높은 속도에서 달성된다(활공비 자체가 증가하는 것은 아니다).

 소어링 

소어링 동물과 항공기는 활공과 상승 기류에서의 소어링 기간을 교대로 반복할 수 있다. 주로 다섯 가지 유형의 양력이 사용된다. 열상승기류(thermal), 산악 상면 상승 기류(ridge lift), 산악 파상풍(lee waves), 수렴대(convergences), 그리고 동적 소어링(dynamic soaring)이다. 동적 소어링은 주로 조류와 일부 모형 항공기에 의해 사용되지만, 드물게 유인 항공기에 의해서도 달성된 바 있다.

조류에 의한 소어링 비행의 예시는 다음과 같다.
 독수리류와 같은 맹금류에 의한 열상승기류 및 수렴대의 이용
 절벽 근처의 갈매기에 의한 산악 상면 상승 기류 이용
 철새에 의한 파상풍 이용
 알바트로스에 의한 해수면 근처의 동적 효과 이용

인간에게 소어링은 세 가지 항공 스포츠인 활공, 행글라이딩, 패러글라이딩의 기초가 된다.

 각주 

분류:활공
분류:날개 설계
분류:동물의 비행
분류:동물행동학
분류:활공동물
분류:무동력 비행