1. 개요
익면 하중( 翼 面 下 重, Wing loading 혹은 날개면하중, 날개 하중) 이란 유체 역학에서 날개의 단위 면적당 부하가 실리는 날아다니는 물체의 질량을 뜻한다.일반적으로 항공기의 MTOW(Maximum Takeoff Weight, 최대이륙중량)를 날개 면적으로 나눈 값을 의미하며 보통은 SI 단위 기준 [math(kg/m^2)] 단위로, 야드파운드 기준 [math(lb/ft^2)]표기한다. 익면 하중이 높다는 의미는 단위 날개 면적에 걸리는 질량이 높다는 뜻이고, 날개 크기에 비해 비행기가 무겁다는 뜻이다.
익면 하중은 수평 비행시 실속 속도, 이륙 속도, 착륙 속도, 선회 특성 및 활강 특성에 부분적으로 관여한다.
항공기는 빠르게 비행 할 수록 날개에서 더 많은 양력을 발생시키므로 느린 항공기보다 단위 날개 면적당 생성되는 양력이 높다. 즉 더 작은 날개에서 동일한 질량을 운반 할 수 있기 때문에 결과적으로 같은 질량, 같은 동체 형상의 두 항공기가 최소한의 비행을 하기 위해서 날개가 작은 항공기가 날개가 큰 항공기보다 더 빨리 날아야 한다는 결론에 도달한다. 즉 익면 하중이 낮을수록 더 낮은 실속 속도, 이착륙 속도, 작은 선회 반경을 가질 수 있다.
다만 이런 설명은 종종 여객기 같이 느리지만 날개가 큰 항공기는 익면 하중이 낮고, 전투기와 같이 빠르고 날개가 작은 항공기는 익면 하중이 높다는 오해를 불러 일으키는데 이것은 사실이 아니다.
F-15 전투기는 30,845[math(kg)] MTOW에 56.5[math(m^2)]의 날개면적을 가지고 있어 546[math(kg/m^2)]의 익면하중을 가지고 있는데 비해 보잉 747-400은 396,830[math(kg)] MTOW에 525[math(m^2)]의 날개면적으로 익면 하중은 750[math(kg/m^2)]에 달한다.
반면 F-16전투기 보다 더 낮은 익면 하중을 가지는 보잉 767-300 ER 같은 여객기도 있어서 익면하중만이 항공기 특성을 설명하는것이 아님을 증명한다.
이것은 여러가지 이유에 의해 결정 되는데, 그 중에서 전투기의 경우 여객기에 비해 넓적한 동체에서 상대적으로 쉽게 동체 양력을 얻을 수 있기 때문이며[1] 항공기 익면 하중이 실속 속도, 이착륙 속도 같은 항공기 비행 특성에 부분적으로 관여하게 되는 이유가 바로 이것 때문이다.
특히 익면 하중이 주로 전투기의 비행 특성과 그 우열을 가리기 위한 근거로 제시되는 경우가 많은데 이런 이유에서 반드시 그러하지 않다는 것을 염두에 두어야 한다.
2. 이착륙 속도에 미치는 영향
익면하중이 낮은 항공기는 비교적 낮은 속도로 이착륙이 가능하다. 이런 이점을 이용해 상대적으로 익면 하중이 높은 항공기보다 더 많은 화물을 싣고도 비슷한 속도로 이착륙이 가능해진다. 대략 동일한 항공기 질량에서 날개 면적이 10% 증가하면 이륙속도가 약 5% 감소한다. 150[math(mile/h)]마일로 이륙하도록 설계된 항공기의 무게가 40% 증가하면 이륙속도는 177[math(mile/h)]이 된다.내연기관을 사용하는 모든 항공기[2]는 이륙 무게와 착륙 무게가 현저히 차이나는데, 이것은 연료의 사용 때문에 발생한다. 이륙 즉시 회항하는 경우 여객기 조종사는 연료를 버리도록 교육받는데, 이것은 익면 하중을 낮춰서 실속 속도를 낮추고 착륙속도를 낮춰 안전하게 착륙하도록 하기 위해서다.
3. 비행성능에 미치는 영향
3.1. 기동성
수평선회를 위해서 항공기는 Roll 방향으로 기울이고 뱅크 각을 증가시켜야 한다. 이것은 양력을 낮추는 효과가 있기 때문에 비행기 하강을 유발하는데, 이를 보완하기 위해서 상향 엘리베이터를 사용하여 받음각을 증가시키고 양력을 증가시켜야 한다. 그러나 이 경우 받음각이 커짐에 따라 항력도 증가하게 되므로 추력도 증가 시켜야 한다.달리 설명하면 선회반경이 작을수록 더 많은 Roll 기울임과 뱅크 각의 증가가 필요하므로 더 많이 양력을 잃게 되고 더 높은 항력이 생기게 되는것이다. 즉 비행기가 추락하지 않게 하기 위해서는 더 많은 양력과 추력이 필요하다.
결론적으로 비행기의 선회 반경은 날개 크기와 엔진 성능에 의해 결정되고 또 뱅크 각도 증가는 항공기 자체에 가해지는 중력이 증가하게 되어 익면 하중과 실속 속도가 증가하는 효과를 가진다. 익면 하중이 작은 항공기는 상대적으로 큰 항공기에 비해 같은 속도에서 더 많은 양력을 발생 시킬 수 있기 때문에 선회 능력이 우수한 특성을 가진다.
전투기의 경우 회피기동 등 목적으로 선회 반경을 줄일 이유가 생기는 경우 익면하중과 항력을 감소시킬 목적으로 보조연료탱크를 버린다.
3.2. 속도성능
익면하중이 작을수록 기동성에서는 이득이지만, 고속비행에는 오히려 불리하다. 날개 면적에 의한 유해항력도 있지만, 무엇보다도 양력이 늘어날수록 유도항력이 같이 증가하는 특성 때문에 익면하중이 큰(=날개 면적이 작은) 상태보다 속도의 한계를 만나기 쉽다.4. 안정성에 미치는 영향
익면 하중은 항공기가 난기류와 만나거나 공기 밀도 변화로 인하여 생기는 영향, 돌풍 반응에 영향을 준다. 작은 날개는 돌풍이 작용할 수 있는 면적이 적기 때문에 상대적으로 익면 하중이 큰 항공기가 익면 하중이 작은 항공기에 비해 흔들림이 적어진다. 다만 날개에 미치는 영향이 적은 이유 때문에 활공에는 더 불리해진다.이런 이유 때문에 글라이더 같은 초경량 항공기에서 상승기류가 강한 날에는 물탱크를 이용하여 오히려 익면 하중을 증가시켜 비행하는 경우도 있다.