지면효과 위험·세 축과 종안정 — 조종사 핸드북 5장 (3/11)

앞 편은 간섭항력·유도항력과 지면효과, 지면효과 이탈 네 가지까지였습니다. 이번 편은 이착륙에서 지면효과가 만드는 위험, 항공기의 세 축과 모멘트, 정적·동적 안정, 그리고 종안정입니다.

이착륙에서 지면효과가 만드는 위험

이착륙에서는 지면효과를 반드시 계산에 넣어야 합니다. 예를 들어 이륙 때 항공기와 지면효과의 관계를 이해하지 못하면, 제작사가 권고한 이륙속도에 이르지 못한 채 위험한 상황이 됩니다. 지면효과 안에서 항력이 줄어 항공기가 권고 속도보다 훨씬 느려도 뜰 수 있는 것처럼 보입니다. 속도가 모자란 채로 지면효과를 벗어나면 유도항력이 커져, 초기 상승 성능이 빠듯해집니다. 전중량이 크고 밀도고도와 기온이 높은 극단 조건에서는, 이륙 속도 부족으로 일단은 떠도 지면효과 밖에서는 비행을 유지하지 못합니다. 이 경우 속도가 모자란 채로 떴다가 활주로로 다시 내려앉을 수 있습니다.

속도가 모자란 채로 항공기를 억지로 띄우려 하지 마십시오. 제작사 권고 이륙속도는 충분한 초기 상승 성능을 주기 위해 필요합니다. 착륙장치나 플랩을 접기 전에 분명한 상승이 잡혀 있어야 합니다. 양의 상승률이 확인되고 안전한 고도에 이른 뒤에만 착륙장치와 플랩을 접습니다.

착륙 단계에서 받음각을 일정하게 유지한 채 지면효과에 들어가면, 양력계수(C_L)는 커지고 필요 추력은 줄어 “떠 있는(floating)” 느낌이 납니다. 지면효과 안에서는 항력이 줄고 동력을 끈 상태의 감속도 약하므로, 플레어 지점에서 속도가 남아 있으면 상당한 플로트 거리가 생깁니다. 접지에 가까워질수록 지면효과는 스팬보다 낮은 고도에서 가장 뚜렷합니다. 최종접근에서 지면이 가까워지면, 지면효과가 만든 양력 증가를 상쇄하려고 파워를 줄여야 합니다. 그렇지 않으면 항공기는 원하는 활공로(GP, glidepath) 위로 올라가려 합니다.

항공기의 세 축

항공기의 축은 무게중심(CG)을 지나는 세 개의 가상 직선입니다. 항공기가 그 둘레로 도는 가상 차축으로 보면 됩니다. 세 축은 CG에서 서로 90°로 만납니다. CG를 지나 기수에서 기미로 이은 선과 평행한 축이 종축(longitudinal axis), 한쪽 날끝에서 다른 쪽 날끝으로 이은 선과 평행한 축이 횡축(lateral axis), 나머지 두 축에 직각으로 CG를 지나는 축이 수직축(vertical axis)입니다. 비행 자세나 위치가 바뀌면 항공기는 세 축 가운데 하나 이상 둘레로 회전합니다.

종축 둘레의 운동은 배가 좌우로 흔들리는 롤과 닮았습니다. 세 축 운동을 부르는 이름 자체가 원래 항해 용어입니다. 배와 항공기의 운동이 비슷해 항공 용어로 옮겨 왔습니다. 종축 둘레는 “롤(roll)”, 횡축 둘레는 “피치(pitch)”, 수직축 둘레는 “요(yaw)”입니다. 요는 기수가 좌우로 움직이는 것입니다.

통상 비행기의 세 운동(롤·피치·요)은 세 조종면이 담당합니다. 롤은 에일러론(aileron), 피치는 승강타(elevator), 요는 방향타(rudder)입니다. 이 조종면의 쓰임은 6장 비행조종에서 다룹니다. 다른 형태의 항공기는 각 축 운동을 다른 방식으로 다스리기도 합니다.

예를 들어 무게이동 조종(weight-shift control) 항공기는 롤과 피치 두 축을, 유연한 날개에 매달린 “A”자 프레임과 삼륜 캐리지로 조종합니다. 행글라이더 조종사가 나르는 것과 비슷하게 수평 바(조종바, control bar)를 움직여 조종합니다. 조종사가 CG를 옮겨 항공기를 다루므로 무게이동 조종 항공기라고 부릅니다. 자세한 내용은 미국 연방항공청(FAA) Weight-Shift Control Flying Handbook(FAA-H-8083-5)을 보십시오. 동력패러슈트(powered parachute)는 조향 라인으로 익형을 바꿔 조종합니다.

동력패러슈트의 날개는 윗면이 캠버 있고 아랫면이 더 평평한 낙하산입니다. 두 면은 리브가 칸(cell)을 이루며 앞전에서 기류가 들어가고, 안쪽 통로로 좌우 기류가 통합니다. 칸 안 압력이 바깥보다 커서 비행 중 익형 모양이 유지됩니다. 조종사와 승객은 엔진 앞 좌석에 직렬로 앉고, 엔진은 차체 뒤쪽에 있습니다. 기체는 두 부착점과 라인으로 캐노피에 연결됩니다. 동력과 조종 라인으로 익형을 바꾸는 일이 함께 조종입니다.

모멘트와 모멘트 팔

자유롭게 회전하는 물체는 언제나 CG 둘레로 돕니다. 공기역학에서는 항공기가 CG 둘레로 돌려고 하는 경향의 수학적 크기를 “모멘트(moment)”라고 합니다. 모멘트는 가한 힘과, 그 힘을 가한 거리의 곱입니다. 모멘트 팔(moment arm)은 기준선(datum, 기준점이나 기준선)에서 가한 힘까지의 거리입니다. 항공기 무게와 균형 계산에서 모멘트는 팔의 거리 곱하기 항공기 무게, 곧 인치-파운드로 나타냅니다.

설계자는 항공기의 전후 CG를 되도록 평균공력시위(MAC, mean aerodynamic chord)의 20퍼센트 지점 근처에 둡니다. 추력선(thrust line)이 CG를 수평으로 지나도록 설계하면, 출력을 바꿔도 피치가 생기지 않고, 동력 켬·끔에 따른 추력 모멘트 차이도 없습니다. 설계자가 항력의 작용 위치를 어느 정도 다스릴 수는 있어도, 합성 항력이 언제나 CG를 지나게 만들지는 못합니다. 가장 크게 손을 댈 수 있는 것은 미익의 크기와 위치입니다. 목표는 추력·항력·양력에 의한 모멘트를 되도록 작게 만들고, 미익을 알맞게 두어 어떤 비행 상태에서도 항공기를 종방향으로 평형시키는 수단을 주는 것입니다.

비행 중 힘의 작용점을 조종사가 직접 옮기지는 못합니다. 예외는 받음각을 바꿔 양력중심을 옮기는 일입니다. 힘의 크기는 조종할 수 있습니다. 다만 한 힘을 바꾸면 곧바로 다른 힘도 바뀝니다. 따라서 한 힘의 위치만 독립적으로 바꿀 수는 없습니다. 예를 들어 대기속도가 바뀌면 양력뿐 아니라 항력과, 미익에 걸리는 위·아래 힘도 바뀝니다. 난기류와 돌풍이 항공기를 밀어내면, 조종사는 반대 조종력으로 그 변위를 막습니다.

어떤 항공기는 탑재가 바뀌면 CG 위치도 바뀝니다. 연료 소모, 승객·화물의 탑재와 하기가 만든 모멘트를 상쇄하려고 승강타 트림탭, 가변 수평안정판 같은 트림 장치를 씁니다.

항공기 설계 특성

항공기마다 조종력에 저항하거나 반응하는 방식이 달라, 다루는 느낌도 다릅니다. 훈련기는 조종 입력에 빨리 반응하고, 수송기는 조종력이 무겁고 반응이 느립니다. 이런 특성은 그 항공기의 목적에 맞게, 안정과 기동 요구를 고려해 설계에 넣습니다. 아래는 항공기의 안정·기동성·조종성, 그것을 분석하는 방법, 여러 비행 상태와의 관계 가운데 중요한 점입니다.

안정

안정(stability)은 평형을 깨는 상태를 바로잡아, 원래 비행경로로 돌아가거나 그 경로를 이어 가려는 항공기의 타고난 성질입니다. 일차적으로는 설계 특성입니다. 항공기가 나는 경로와 자세는 공력 특성, 추진 계통, 구조 강도가 한계를 정합니다. 그 한계가 곧 최대 성능과 기동성입니다. 항공기가 쓸모를 최대로 내려면, 조종사 힘을 넘거나 특별한 조종 실력을 요구하지 않은 채 그 한계까지 안전하게 조종되어야 합니다. 임의의 경로를 똑바로 일정하게 나려면, 작용하는 힘이 정적 평형(static equilibrium)이어야 합니다. 평형이 깨졌을 때 물체가 보이는 반응이 안정입니다. 안정에는 정적 안정과 동적 안정 두 종류가 있습니다.

정적 안정

정적 안정(static stability)은 평형으로 돌아가려는 초기 경향, 곧 움직임의 방향입니다. 항공에서는 주어진 피치·요·뱅크에서 흐트러졌을 때 항공기가 맨 처음 보이는 반응을 말합니다.

• 양의 정적 안정 — 흐트러진 뒤 원래 평형 상태로 돌아가려는 초기 경향
• 중립 정적 안정 — 평형이 깨진 뒤 새로운 상태에 머무르려는 초기 경향
• 음의 정적 안정 — 흐트러진 뒤 원래 평형에서 더 멀어지려는 초기 경향

동적 안정

정적 안정은 트림된 상태에서 흐트러진 뒤 평형으로 돌아가려는 초기 경향입니다. 가끔 초기 경향이 전체 경향과 다르거나 반대이므로, 둘을 구별해야 합니다. 동적 안정(dynamic stability)은 주어진 피치·요·뱅크에서 흐트러진 뒤 시간에 따른 응답입니다. 여기에도 하위 유형이 셋입니다.

• 양의 동적 안정 — 시간이 지나며 변위된 물체의 운동 진폭이 줄고, 양이므로 평형 쪽으로 돌아옵니다.
• 중립 동적 안정 — 한 번 변위되면 진폭이 줄지도 늘지도 않습니다. 낡은 자동차 쇼크 업소버가 이런 경향을 보입니다.
• 음의 동적 안정 — 시간이 지나며 운동이 커지고 더 발산합니다.

항공기에서 안정은 다음 두 영역에 크게 영향을 줍니다.

• 기동성(maneuverability) — 쉽게 기동하고, 기동이 가하는 응력을 견디는 성질. 무게, 관성, 비행조종면의 크기와 위치, 구조 강도, 동력장치가 좌우합니다. 이것 역시 설계 특성입니다.
• 조종성(controllability) — 특히 비행경로와 자세에 대해 조종사의 조종에 응답하는 능력. 안정 특성과 관계없이, 기동할 때 조종 입력에 대한 응답의 질입니다.

종안정 (피치)

항공기를 설계할 때 세 축 둘레로 원하는 정도의 안정을 만드는 데 많은 힘을 씁니다. 다만 여러 비행 상태에서 특정 변수에 가장 크게 흔들리는 것은 횡축 둘레의 종안정입니다.

종안정(longitudinal stability)은 항공기를 횡축 둘레로 안정되게 하는 성질입니다. 비행 중 기수가 오르내리는 피치 운동이 여기 해당합니다. 종방향으로 불안정한 항공기는 점점 더 가파른 강하 또는 상승, 심지어 실속으로 빠져드는 경향이 있습니다. 그래서 종불안정 항공기는 나기 어렵고, 때로는 위험합니다.

항공기의 정적 종안정 또는 불안정은 다음 세 가지에 달려 있습니다.

1. 날개의 CG에 대한 위치
2. 수평미익의 CG에 대한 위치
3. 미익 면적 또는 크기

안정을 분석할 때는, 자유롭게 회전하는 물체는 언제나 CG 둘레로 돈다는 점을 떠올려야 합니다.

정적 종안정을 얻으려면 날개 모멘트와 미익 모멘트의 관계가 이러해야 합니다. 모멘트가 처음에 평형을 이루고 있다가 갑자기 기수가 올라가면, 날개와 미익 모멘트가 바뀌어 그 힘의 합이 평형을 깨는 복원 모멘트가 되고, 그 모멘트가 기수를 다시 내립니다. 기수가 내려간 경우에도, 그에 따른 모멘트 변화가 기수를 다시 올립니다.

대부분의 비대칭 익형에서 양력중심(CL, center of lift)은 받음각이 바뀌면 전후로 자리를 옮기려 합니다. 받음각이 커지면 양력중심은 앞으로, 작아지면 뒤로 갑니다. 따라서 익형 받음각이 커지면 양력중심이 앞으로 가며 날개 앞전을 더 들어 올리려 합니다. 이 경향이 날개에 타고난 불안정성을 줍니다. (주: 양력중심 CL은 압력중심(CP)이라고도 합니다.)

그림 5-23은 직선수평비행 중인 항공기입니다. 선 CG–CL–T는 CG에서 수평안정판의 점 T까지 이은 항공기의 종축입니다.

대부분의 항공기는 날개의 양력중심이 CG보다 뒤에 오도록 설계합니다. 그러면 항공기는 “기수가 무겁고”, 기수가 계속 아래로 숙지 않게 수평안정판에 약간의 하향력이 있어야 평형이 됩니다. 이 기수 무거움을 메우려고 수평안정판을 약한 음의 받음각으로 둡니다. 그렇게 생긴 하향력이 꼬리를 눌러, 무거운 기수와 맞섭니다. CG–CL–T 선을 지렛대로 보면, CL에서 위쪽 힘 하나와 서로 맞서는 아래쪽 힘 둘이 있습니다. 하나는 CG의 큰 힘이고, 다른 하나는 점 T의 훨씬 작은 힘(안정판을 누르는 공기 압력)입니다. 이 물리 원리를 그리려면, 쇠막대를 CL에서 매달고 CG에 무거운 추를 달았다고 보십시오. 지렛대가 평형이려면 점 T에서 아래로 눌러 주어야 합니다.

수평비행에서 수평안정판이 수평이어도, 날개에서 나온 하향류가 있습니다. 이 하향류가 안정판 윗면을 때려 하향 압력을 만들고, 어떤 속도에서는 그 힘이 지렛대를 평형시키기에 딱 맞습니다. 항공기가 빠를수록 하향류도 크고, 수평안정판의 하향력도 큽니다(T형 미익은 예외). 고정 위치 수평안정판을 단 항공기에서는, 제작사가 설계 순항속도와 출력에서 가장 좋은 안정(또는 평형)을 주도록 안정판 각을 정합니다.

속도가 줄면 날개 위 기류 속도도 줄고, 하향류가 약해져 수평안정판의 하향력도 작아집니다. 타고난 기수 무거움이 더 두드러져 기수가 더 숙습니다. 기수가 낮은 자세가 되면 날개 받음각과 항력이 줄고 대기속도가 회복됩니다. 기수 낮은 자세가 이어지며 속도가 다시 커지면, 수평안정판의 하향력도 다시 커집니다. 그래서 꼬리가 다시 눌리고 기수는 상승 자세로 올라갑니다.

이 상승이 이어지면 대기속도가 다시 줄어 꼬리의 하향력이 줄고, 기수가 다시 내려갑니다. 항공기가 동적으로 안정하면, 이번 기수 내림은 앞번만큼 깊지 않습니다. 더 완만한 강하에서 속도를 얻어 다시 상승에 들어가지만, 그 상승은 앞번만큼 가파르지 않습니다.

기수가 번갈아 오르내리는 이런 감쇠 진동이 몇 차례 지나면, 항공기는 마침내 꼬리의 하향력이 강하 경향을 정확히 상쇄하는 속도에 정착합니다. 이 상태가 되면 다시 평형 비행이고, 자세와 대기속도를 바꾸지 않는 한 안정된 비행이 이어집니다.

스로틀을 닫을 때도 비슷한 효과가 있습니다. 날개 하향류가 줄고, 그림 5-23의 점 T 힘이 수평안정판을 누르기에 모자랍니다. 지렛대의 점 T 힘이 약해져 중력이 기수를 끌어내리는 것과 같습니다. 항공기가 스스로 대기속도를 되찾고 올바른 평형을 다시 잡으려 하므로, 바람직한 특성입니다.

출력 또는 추력도 불안정을 만들 수 있습니다. 출력을 키우면 기수가 올라가는 경향이 있기 때문입니다. 설계자는 추력선이 CG 위를 지나게 하는 “높은 추력선”으로 이를 상쇄할 수 있습니다. 그러면 출력·추력이 커질 때 미익 하중을 상쇄하는 모멘트가 생깁니다. 반대로 “매우 낮은 추력선”은 수평미익이 만드는 기수 올림에 더해집니다.

정리하면, CG가 양력중심보다 앞에 있고 공력적으로 미익을 누르는 힘이 있으면, 항공기는 대개 안전한 비행 자세로 돌아가려 합니다.

종안정의 간단한 확인은 다음과 같습니다.

1. 수평비행에서 손을 떼도 유지되게 트림합니다.
2. 조종장치를 살짝 밀어 기수를 잠깐 숙입니다.
3. 짧은 시간 안에 기수가 원래 쪽으로 올라오면 정적 안정입니다.

보통 기수는 원래 위치(수평비행)를 지나고, 느린 피치 진동이 이어집니다. 진동이 점점 잦아들면 양의 안정, 고르지 않게 계속되면 중립 안정, 커지면 불안정입니다.

다음 편은 횡안정(롤)—다이히드러, 후퇴각, 킬 효과, 중량 배분입니다.

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