Aerodynamic Analysis of Various Winglets

윙렛 형상에 따른 공력 특성 해석

Aircraft fuel efficiency is one of main concerns to aircraft manufacturers and to aviation companies because jet fuel price has tripled in last ten years. One of simple and effective methods to increase fuel efficiency is to reduce aircraft induced drag by using of wingtip devices. Induced drag is closely related to the circulation distribution, which produces strong wingtip vortex behind the tip of a finite wing. Wingtip devices including winglets can be successfully applied to reduce induced drag by wingtip vortex mitigation. Winglet design, however, is very complicated process and has to consider many parameters including installation position, height, taper ratio, sweepback, airfoil, toe-out angle and cant angle of winglets. In current research, different shapes of winglets are compared in the view of vortex mitigation. Appropriately designed winglets are proved to mitigate wingtip vortex and to increase lift to drag ratio. Also, the results show that winglets are more efficient than wingtip extension. That is the reason B-747-400 and B-737-800 chose winglets instead of a span increase to increase payload and range. Drag polar comparison chart is presented to show that minimum drag is increased by viscous drag of winglet, but at high lift, total drag is reduced by induced drag decrease. So, winglets are more efficient for aircraft that cruises at a high lift condition, which generates very strong wingtip vortex.

최근의 유가인상과 관련하여 상업용 및 군용 항공기 운용시의 연료 효율을 높이고자 하는 노력이 가속화되고 있다. 관련 연구에 의하면 수송기와 비즈니스 젯 항공기에 있어서 윙렛은 공력/구조적 효율성을 향상시키고, 적은 중량 증가로 저속 수송기의 상승 성능을 향상시킨다고 보고된 바 있다. 윙렛은 일반적으로 날개 끝에 장착되는 작은 공력면이며, 날개에 수직에 가깝게 장착되어 날개 끝단 와류의 순환 유동장내에서 작용한다. 윙렛의 설계는 위치, 높이, 테이퍼비, 후퇴각, 익형, toe-out 및 켄트각 등 많은 요소를 고려해야 하는 매우 복잡한 과정이다. 최근에는 미국 보잉사의 B737-800과 B787 등의 최신 기종에서 Blended 윙렛을 성공적으로 적용하여 날개끝의 길이를 늘리는 것(Wing Tip Extension) 보다 적은 추가 중량으로 같은 순항 성능을 도출하는데 성공하였다. 윙렛의 점성저항으로 인하여 최소항력은 증가하지만 높은 양력계수에서는 유도항력의 감소로 전체 항력이 감소하게 됨을 알 수 있다. 따라서, 윙렛은 강한 날개끝 와류를 발생시키는 높은 양력계수에서 순항하는 항공기에 더욱 적합하다.