항공기 정의, 형식증명과 주요 구성 — 조종사 핸드북 3장 (1/3)

앞 편은 글래스 조종석의 위험관리와 2장 정리까지였습니다. 이번 편은 14 CFR part 1의 항공기 정의, 형식증명·감항증명, 직선수평비행의 네 힘과 세 축, 그리고 동체·날개·미익·착륙장치·동력장치입니다. 앞 편은 상황인식·자동화 관리와 위험관리입니다.

항공기 정의 — 14 CFR part 1

항공기는 현행 연방규정집 제14편(14 CFR) part 1 「정의와 약어」에 따라, 비행에 쓰이거나 쓰일 예정인 장치입니다. (역주: 국내는 항공안전법 기준이 다를 수 있으니 확인 필요)

운항승무원 자격 증명에서 쓰는 항공기 종류는 비행기, 회전익, 활공기, 공기보다 가벼운 항공기, 동력양력기, 동력패러슈트, 무게이동조종 항공기입니다. 같은 part 1은 비행기를, 날개에 대한 공기의 동적 반력으로 비행 중 지지되는 엔진구동 고정익 항공기로 정의합니다.

14 CFR part 1에 아직 성문화되지 않은 다른 용어로 선진항전 항공기(advanced avionics aircraft)가 있습니다. GPS 항법과 무빙맵 표시가 있고, 오토파일럿 같은 다른 계통이 함께 있는 항공기를 가리킵니다.

이 장은 항공기 구조를 짧게 소개하며, 그림은 대부분 비행기를 씁니다. 무게이동조종 항공기, 기구, 활공기, 동력패러슈트, 자이로플레인 같은 경량스포츠항공기(LSA)는 공기역학과 조종을 다루는 자체 핸드북이 있습니다.

설계, 형식증명, 감항

FAA가 증명하는 항공 제품은 세 가지입니다. 항공기, 항공기 엔진, 프로펠러. 각각 감항 기준에 맞춰 설계됩니다. 그 기준은 FAA가 공표한 14 CFR의 해당 파트입니다. 감항 기준은 항공 제품에 불안전한 특성이 없도록 돕기 위해 만들어졌습니다. 제품 종류마다 적용 기준이 다릅니다.

활공기와 동력양력기처럼 자체 감항 기준이 없는 「특별 등급」도 있습니다. 이때는 14 CFR part 23, 25, 27, 29 요건을 조합해, FAA와 설계자가 그 제안에 맞다고 합의한 기준을 씁니다.

해당 감항 기준을 충족했다고 판단하면 FAA는 그 제품에 형식증명(TC, Type Certificate)을 발급합니다. TC가 나오면 형식증명자료표(TCDS, Type Certificate Data Sheet)가 만들어집니다. TCDS는 항공기·엔진·프로펠러의 중요 설계·운용 특성을 적고, 그 제품을 정의합니다. 일반에 공개되며 www.faa.gov에서 볼 수 있습니다.

경량스포츠항공기에 대한 주

경량스포츠항공기는 FAA 감항 기준으로 설계되지 않습니다. 항공업계가 합의한 합의 기준(consensus of standards)으로 설계되고, FAA는 그 합의를 설계 기준으로 받아들입니다. 엔진과 프로펠러가 각각 형식증명을 받지 않아도 됩니다. 대신 기체·엔진·프로펠러를 포함한 항공기 전체에 TC가 나갑니다.

항공기·엔진·프로펠러는 설계 도면으로 한 대씩 만들 수도 있고, 제작자의 규모와 능력에 따라 FAA가 승인한 제작 공정으로 만들 수도 있습니다. 제작 중 각 부품은 승인된 설계와 정확히 같은지 검사합니다. 이 검사를 적합성 검사(conformity inspection)라고 합니다.

동체·엔진·프로펠러가 갖춰진 항공기가 완성되면 검사하고, FAA가 감항증명(airworthiness certificate)을 발급합니다. 감항증명이 있다는 것은 완성된 항공기가 설계·제작 기준을 충족하고, 안전 비행이 가능한 상태에 있다는 뜻입니다. 모든 비행 운용 중 기내에 휴대해야 합니다. 요구되는 정비와 검사가 최신으로 유지되는 한 유효합니다.

감항증명은 표준(Standard)과 특별(Special)로 나뉩니다. 표준 감항증명은 흰색이며, 보통·실용·곡예·커뮤터·수송 등급 항공기, 유인 자유기구, 「특별 등급」으로 지정된 항공기에 발급됩니다. 특별 감항증명은 분홍색이며, 프라이머리·제한·리미티드 등급과 경량스포츠항공기에 발급됩니다. 잠정 감항증명, 특별비행허가(페리 허가), 실험 항공기에도 나갑니다.

감항증명에 대한 더 많은 내용은 9장, 14 CFR parts 175–225, FAA 웹사이트(www.faa.gov)에 있습니다.

양력과 기본 공기역학

주요 구성과 하부구성을 이해하려면 기본 공기역학이 필요합니다. 이 장은 짧게 소개하고, 자세한 설명은 5장 비행의 공기역학에 있습니다.

직선수평·비가속 비행에서 항공기에 작용하는 힘은 네 가지입니다. 추력, 양력, 무게, 항력입니다.

추력(thrust)은 동력장치/프로펠러가 만드는 앞방향 힘입니다. 항력을 상쇄하거나 이깁니다. 대체로 세로축에 평행하게 작용한다고 말하지만, 항상 그런 것은 아니며 뒤에서 설명합니다.

항력(drag)은 뒤쪽으로 막는 힘이며, 날개·동체·돌출물이 기류를 흐트러뜨려 생깁니다. 추력에 반대되고, 상대풍에 평행하게 뒤쪽으로 작용합니다.

무게(weight)는 항공기 자체, 승무원, 연료, 화물 또는 수하물의 합입니다. 중력 때문에 항공기를 아래로 당기는 힘입니다. 양력에 반대되고, 항공기의 무게중심(CG, center of gravity)을 지나 연직 아래로 작용합니다.

양력(lift)은 무게의 아래 힘에 반대됩니다. 공기가 날개에 미치는 동적 효과로 생기고, 비행경로에 수직으로 날개의 양력중심(center of lift)을 지나 작용합니다.

항공기는 3차원으로 움직이며, 하나 이상의 축을 중심으로 움직여 조종합니다. 세로축(longitudinal axis), 즉 롤 축은 기수에서 꼬리까지 동체를 관통합니다. 에일러론을 움직이면 이 축을 중심으로 회전합니다. 가로축(lateral axis), 즉 피치 축은 한쪽 날끝에서 다른 쪽 날끝까지입니다. 승강타를 움직이면 이 축을 중심으로 회전합니다. 연직축(vertical axis), 즉 요 축은 나머지 두 축에 수직입니다. 방향타를 움직이면 이 축을 중심으로 회전합니다. 세 조종면의 움직임이 하나 이상의 축을 중심으로 항공기를 움직이게 하고, 비행 중 조종을 가능하게 합니다.

항공기 설계에서 가장 중요한 요소 중 하나가 CG입니다. 질량 또는 무게가 모인다고 말할 수 있는 특정 점, 즉 그 점에서 매달거나 균형 잡으면 비교적 수평을 유지하는 점입니다. CG 위치가 비행 중 안정성을 결정합니다. CG가 뒤(꼬리 쪽)로 갈수록 항공기는 점점 더 동적 불안정해집니다. 연료탱크가 CG 앞에 있는 항공기에서는, 탱크가 빈 상태로 CG를 맞추는 일이 중요합니다. 그렇지 않으면 연료를 쓰면서 불안정해집니다. 초기 설계·제작에서 CG를 계산하고, 탑재 장비 설치, 탑재, 그 밖의 요인이 더 영향을 줍니다.

주요 구성 — 동체

비행기는 목적이 다양해도 주요 구성은 대체로 같습니다. 전체 특성은 원래 설계 목표에 크게 좌우됩니다. 대부분의 비행기 구조는 동체, 날개, 미익, 착륙장치, 동력장치를 포함합니다.

동체(fuselage)는 비행기의 중심 몸체이며, 승무원·승객·화물을 수용하도록 설계됩니다. 날개와 꼬리 조립을 구조적으로 잇는 자리이기도 합니다. 오래된 설계는 나무, 강관, 알루미늄 튜브로 짠 개방 트러스 구조를 썼습니다. 오늘날 가장 흔한 동체 구조는 모노코크(프랑스어로 「단일 껍질」)와 세미모노코크입니다.

날개

날개는 동체 양쪽에 붙는 익형이며, 비행기를 비행 중 지지하는 주 양력면입니다. 제작사마다 설계·크기·형상이 많고, 그 비행기에 기대하는 성능에 맞춰 쓰입니다. 날개가 양력을 만드는 원리는 5장 비행의 공기역학에서 설명합니다.

날개는 동체의 위·중간·아래에 붙을 수 있습니다. 각각 고장익, 중익, 저익입니다. 날개 수도 달라질 수 있습니다. 한 벌이면 단엽기(monoplane), 두 벌이면 복엽기(biplane)입니다.

많은 고장익은 외부 버팀대, 즉 윙스트럿이 비행·착륙 하중을 스트럿을 통해 동체 주구조로 전달합니다. 스트럿은 보통 날개 중간쯤에 붙으므로, 이런 날개 구조를 세미캔틸레버(semi-cantilever)라고 합니다. 일부 고장익과 대부분의 저익은 외부 스트럿 없이 하중을 지탱하는 풀 캔틸레버 날개입니다.

날개의 주요 구조 부재는 스파, 리브, 스트링거입니다. 트러스, I빔, 튜브, 스킨을 포함한 다른 요소로 보강됩니다. 리브가 날개(익형)의 형상과 두께를 정합니다. 현대 비행기에서는 연료탱크가 날개 구조의 일체형이거나, 날개 안에 넣는 유연 용기인 경우가 많습니다.

날개 뒤, 즉 뒷전에 붙는 조종면은 두 종류입니다. 에일러론과 플랩입니다. 에일러론은 각 날개 중간쯤에서 날끝 쪽으로 뻗고, 서로 반대 방향으로 움직여 롤을 만드는 공기력을 냅니다. 플랩은 동체에서 각 날개 중간 근처까지 뻗습니다. 순항 중에는 보통 날개 표면과 한 면입니다. 내리면 동시에 아래로 움직여, 이륙과 착륙에서 날개의 양력을 키웁니다.

다른 형태의 날개

항공기에는 다른 형태의 날개도 흔합니다. 형상과 설계는 그 항공기가 맡을 운용과 비행 종류에 맞춰집니다. 이런 설계 차이는 5장 비행의 공기역학에서 다룹니다. 전통 날개부터, 부풀어 휘는 날개와 CG 이동으로 움직이는 날개까지, 조종면이 양력면에 미치는 영향을 설명합니다. 예를 들어 무게이동조종 항공기의 날개는 항력을 줄이고 무게 이동으로 조종 비행을 하도록 크게 후퇴해 있습니다. 대부분 항공기 종류별 핸드북은 관심 있는 조종사를 위해 FAA 웹사이트(www.faa.gov)에서 구할 수 있습니다.

미익

미익(empennage)은 꼬리 전체이며, 수직안정판과 수평안정판 같은 고정면으로 이루어집니다. 움직이는 면은 방향타, 승강타, 하나 이상의 트림탭입니다.

방향타는 수직안정판 뒤에 붙습니다. 비행 중 기수를 좌우로 움직입니다. 승강타는 수평안정판 뒤에 붙고, 비행 중 기수를 위아래로 움직입니다. 트림탭은 조종면 뒷전의 작고 움직이는 부분입니다. 조종석에서 조작하며 조종력을 줄입니다. 에일러론, 방향타, 승강타에 달 수 있습니다.

승강타가 필요 없는 두 번째 미익 설계도 있습니다. 대신 중앙 힌지를 축으로 움직이는 일체형 수평안정판을 씁니다. 이 설계를 스태빌레이터(stabilator)라고 하며, 승강타와 같이 조종륜으로 움직입니다. 조종륜을 당기면 스태빌레이터가 뒷전이 올라가게 회전합니다. 꼬리의 공기역학 하중이 커지고 기수가 올라갑니다. 스태빌레이터에는 뒷전을 가로지르는 안티서보탭(antiservo tab)이 있습니다.

안티서보탭은 스태빌레이터 뒷전과 같은 방향으로 움직이며, 스태빌레이터가 덜 민감해지게 돕습니다. 조종력을 덜어 주는 트림탭 역할도 하고, 원하는 위치에 스태빌레이터를 유지하는 데도 돕습니다.

착륙장치

착륙장치는 주기, 지상활주, 이륙, 착륙에서 비행기를 받치는 주 지지입니다. 가장 흔한 형태는 바퀴이지만, 수상 운용용 플로트나 설상 착륙용 스키를 달 수도 있습니다.

바퀴식은 세 바퀴입니다. 주륜 둘과, 앞 또는 뒤에 두는 세 번째 바퀴입니다. 뒤에 달린 바퀴를 컨벤셔널 기어(conventional landing gear)라고 합니다.

컨벤셔널 기어 비행기를 테일휠 비행기라고도 합니다. 세 번째 바퀴가 기수에 있으면 노즈휠이며, 이 설계를 삼륜 기어(tricycle gear)라고 합니다. 조향되는 노즈휠이나 테일휠로 지상 운용 전체를 조종합니다. 노즈휠이든 테일휠이든 대부분 방향타 페달로 조향합니다. 차동 브레이크로 조향하는 항공기도 있습니다.

동력장치

동력장치는 보통 엔진과 프로펠러를 모두 포함합니다. 엔진의 일차 기능은 프로펠러를 돌릴 동력을 주는 것입니다. 전력도 만들고, 일부 비행계기에 진공원도 주며, 대부분 단발 비행기에서는 조종사와 승객의 열원도 됩니다. 엔진은 카울링(cowling) 또는 나셀(nacelle)로 덮입니다. 둘 다 덮개형 하우징입니다. 목적은 엔진 주위 기류를 유선형으로 만들고, 실린더 주위로 공기를 보내 엔진을 식히는 것입니다.

엔진 앞에 달린 프로펠러는 엔진의 회전력을 추력, 즉 항공기를 앞으로 밀어 주는 앞방향 힘으로 바꿉니다. 프로펠러는 공기역학 작용으로 추력을 만드는 회전 익형입니다. 프로펠러 익형 뒷면에는 고기압, 앞면(face)에는 저기압이 생깁니다. 양력면이나 날개로 쓰는 익형이 양력을 만드는 방식과 같습니다. 이 압력 차가 프로펠러 추력을 만들고, 그 추력이 비행기를 앞으로 당깁니다. 엔진을 돌려 뒤에 프로펠러를 둔 푸셔로 쓸 수도 있습니다.

프로펠러 효과에 영향을 주는 설계 요인은 크게 두 가지입니다. 허브에 대해 잰 블레이드 각은 블레이드 스팬을 따라 받음각(AOA, angle of attack)을 비교적 일정하게 유지해, 실속 가능성을 줄이거나 없앱니다. 프로펠러가 만드는 양력의 크기는 AOA, 즉 상대풍이 블레이드를 만나는 각과 직결됩니다. AOA는 항공기 방향에 따라 비행 중 계속 바뀝니다.

피치(pitch)는 프로펠러가 고체 속을 돈다고 가정할 때 1회전으로 가는 거리로 정의합니다. 이 두 요인을 합치면 프로펠러 효율을 잴 수 있습니다. 프로펠러는 보통 특정 항공기/동력장치 조합에 맞춰, 특정 출력에서 효율이 가장 좋아지게 고릅니다. 엔진을 어떻게 다는지에 따라 당기거나 밉니다.

하부구성 — 기체와 전기

비행기의 하부구성에는 기체, 전기계통, 비행조종, 브레이크가 들어갑니다.

기체(airframe)는 항공기의 기본 구조이며, 모든 공기역학 힘과 연료·승무원·탑재물의 무게가 주는 응력을 견디도록 설계됩니다.

항공기 전기계통의 일차 기능은 전력을 만들고, 조절하고, 항공기 전체에 나누는 것입니다. 전기계통에 전력을 주는 전원은 여러 가지입니다. 엔진구동 교류(AC) 발전기, 보조동력장치(APU), 외부 전원입니다. 항공기의 전력 계통은 비행계기, 방빙 같은 필수 계통, 객실 조명 같은 승객 서비스에 쓰입니다.

다음 편은 비행조종·브레이크와 트러스·모노코크·세미모노코크 구조입니다.

이 글은 미국 연방항공청(FAA)의 Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge(FAA-H-8083-25B)(퍼블릭 도메인)를 번역·재구성한 시리즈입니다.