WIG(Wing-in-ground effect) is the new generation of ship which takes advantage of ground effect near the ground or water surface. The concepts of ground effect have been known since the beginning of human flight and also found from the nature. The first WIG was developed for military use by Alexeiev, a ship designer, in the former USSR and at the same time it was also done by Lippisch, an aeronautical engineer, in Germany. However, developing big WIG was stopped because of the collapse of the Soviet Union. Instead, smaller WIG has been under consideration.
Aerodynamic concepts which are relative with WIG are divided into two phenomena. At first, lift coefficient generally increases near the ground due to ram effect but sometimes decrease also occur depending on the shape of airfoil. It is so called venturi effect. These two cases are referred as chord dominated ground effect. As well, wing tip vortex in free flight get weaker near the ground because of restriction of the ground. In fact, it causes effective aspect ratio to increase. As a result of the facts mentioned above, the L/D ratio generally increases and the efficiency of WIG is definitely superior to conventional aircraft. On the other hand, WIG has pitch up tendency once it gets away from ground effect, which causes WIG unstable. In order to make it stable S-foil was known as the most efficient among the other ways. Furthermore Irodov criteria are suggested to evaluate its stability.
In this study NACA4409 was basically used and compared with modified NACA4409 which is done by using DHMTU concept. After had done with 2D analysis, airfoil Clark-Y which has flat lower surface and has similar shape as modified NACA 4409 was selected for 3D calculation. Furthermore, End-plate attached at the wig tip is usual on WIG. So, in case of 3D calculation L/D ratio is evaluated with and without End-plate.
위그선(wing-in-ground effect, WIG)은 지면 효과(ground effect)를 이용하여 수면 위를 비행하는 선박을 말한다. 위그선에서 쓰이는 지면 효과에 대한 개념은 인류가 비행을 처음 시작할 때부터 이미 알려져 왔고 자연에서도 그 예를 찾을 수 있는데 바다새 펠리칸은 지면 효과를 이용하여 지면 근처를 비행하고 있다. 위그선은 처음 구 소련의 선박 기술자 Alexeiev 의하여 군사적 목적으로 만들어 졌고 같은 시기 항공 학자 Lippisch에 의하여 독일에서도 제작되었다. 하지만 냉전의 종식과 구 소련의 붕괴에 의하여 더 이상 대형 위그선의 제작은 시도 되지 않았고 상용화를 위한 소형 위그선이 고려되기 시작하였다. 위그선에 관련된 공기 역학적 개념은 일반적으로 2가지로 나눈다. 첫번째 것이 span 방향의 지면효과 이고 이는 지면에 근접할수록 ram 압력이 높아져 양력이 증가되는 현상이다. 하지만 에어포일의 형상에 따라 오히려 양력이 감소하는 음의 지면효과가 유도될 수 있는데 이를 Venturi 효과라고 한다. 두번째로 chord 방향의 지면효과가 있는데 자유 비행 상태의 날개 끝 와류(wing tip vortex)가 지면의 구속에 의하여 제한 되어져 실제로 유효 가로세로비(effective aspect ratio)가 증가 하는 현상이 나타난다. 위에서 언급한 두 현상의 결과 양항비가 전반적으로 증가 하며 위그선의 효율은 보편적인 항공기에 비해 훨씬 우수하다. 한편 양항비의 측면에서는 이러한 장점을 가지고 있으나 안정성 측면에서 지면효과를 벗어나는 순간 pitch-up 경향성으로 인하여 불안정해 진다. 이러한 안정성 문제를 해결하기 위하여 수평 꼬리 날개를 크게 하거나 날개의 형상을 reverse delta 형상으로 하는 등의 대안이 고려되어 질 수 있다. 그 중 최근 에어포일 형상을 S자 모양(S-foil)으로 바꿈으로써 안정성을 높이는 방안이 가장 효율적이라고 알려져 있다. 그리고 에어포일의 안정성을 평가하는 기준을 Irodov criteria 라고 하며 이는 에어포일에서 높이 변화에 대한 공력 중심이 받음각에 대한 공력 중심의 앞쪽에 위치해야 세로 안정성을 확보 할 수 있다는 것이다. 안정성을 고려하기위해 우선 위그선 에어포일 주위의 유동 해석에서 주로 사용 되어지는 에어포일인 NACA 4409를 이용했다. 이 에어포일을 이용하여 앞전반경(leading edge radius)과 두께의 분포를 고정시키고 캠버(camber) 모양만을 변화 시켰다. 그 결과 양력 감소가 현저함을 알 수 있었고 Irodov 기준에 의하여 안정성을 평가 해 본 결과 안정성이 현저하게 향상됨을 알 수 있었다. 하지만 양력 감소가 생각했던 것 보다 커서 지면효과에 의하여 얼마정도 극복되는 지 알아보았다. 이를 위하여 chord 길이의 10%로 비행할 때 양력 계수와 Chord 길이 만큼의 고도로 비행 할 때를 비교해 본 결과 변형된 에어포일의 경우 안정성을 확보하기 위하여 낮아진 양력 계수가 지면효과에 의하여 다시 극복되는 것을 알 수 있었다. 따라서 에어포일의 변형을 통하여 요구되어지는 안정성과 양력 계수 조건에 부합하는 새로운 에어포일 제작이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 다음으로 지면 효과는 일반적으로 강한 3차원 특성을 가지고 있다. 3차원 계산에서 쓰인 날개는 Clark-Y를 사용하였으며 이 에어포일은 앞에서 변형시킨 에어포일과 같이 DHMTU 개념과 같이 평평한 아랫면과 S 캠버선을 가지고 있다. 또 날개 끝에서는 유효 가로세로비를 증가시키기 위하여 위그선에서는 End-plate를 장착한다. 본 연구에서는 지면 과를 받는 경우에 대하여 End-plate를 장착한 경우와 아닌 경우에 대하여 효율성과 3차원 특성에 대하여 살펴보았다.
