면적법칙 (area rule)
쉽게 풀면
면적법칙은 비행기를 옆에서 얇게 잘랐을 때 각 단면의 넓이가 앞에서 뒤로 갈수록 부드럽게 변해야 조파항력이 적다는 설계 원리입니다. 날개가 동체에 붙는 부분에서는 갑자기 단면적이 커지기 쉬운데, 이를 상쇄하기 위해 그 부분의 동체를 오히려 잘록하게 좁혀 전체 단면적 변화를 매끄럽게 만듭니다. 그 결과 옆에서 보면 허리가 잘록한 '콜라병' 모양의 동체가 나타나기도 합니다. 동체와 날개를 합친 단면적이 앞뒤로 매끄럽게 변하도록 설계하면 조파항력이 줄어든다는 원리예요.
왜 중요한가
면적법칙은 동체·날개·꼬리를 합친 단면적 분포를 매끄럽게 만들면 천음속 조파항력이 크게 줄어든다는 설계 원리로, 초음속 전투기 동체가 날개 부근에서 잘록해진 이유를 설명합니다. 오늘날에도 천음속 여객기의 동체-날개 결합부와 엔진 나셀 배치를 정할 때 단면적 분포를 검토하는 근거가 됩니다. 면적법칙은 날개가 붙는 부분의 동체를 잘록하게 만들어 전체 단면적 변화를 완만하게 하는 설계 기법의 이론적 근거가 된다. 이 원리를 적용한 기체는 단면적 변화 곡선이 매끄러워 조파항력이 뚜렷하게 줄어드는 것으로 확인되었다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
동체 형상을 면적법칙에 따라 조정하자 음속 부근에서 충격파로 인한 항력이 눈에 띄게 줄었다는 설계 개선 사례입니다.
날개와 동체가 만나는 부분의 단면적이 갑자기 커지지 않도록 동체 형태를 조정하면, 음속에 가까운 속도에서 발생하는 저항을 줄일 수 있다는 설계 효과를 설명하는 문장입니다.
조금 더 깊게 보면
면적법칙은 축대칭 세장체 이론에서 유도되어 본질적으로 체적에 의한 조파항력만 다루므로, 양력에 의한 조파항력이나 점성 항력은 줄이지 못합니다. 또한 마하수 1 부근에서 가장 잘 성립하고 초음속에서는 마하각을 고려한 초음속 면적법칙으로 확장해야 하며, 단면적을 매끄럽게 맞추느라 동체 용적과 구조가 복잡해지는 비용을 함께 감수해야 합니다.
주의할 점
면적법칙에 따른 동체 잘록화는 천음속·초음속 영역에서 특히 효과적이며, 저속 아음속 비행에서는 그 이점이 상대적으로 작다는 점을 함께 고려해야 합니다.