앞 편은 예방정비·AD와 9장 요약까지 다뤘고 9장이 끝났습니다. 이번부터는 10장이고, 무게 한도와 무게중심(CG)이 비행 안전·성능에 미치는 영향, 그리고 계산에 쓰는 용어입니다.
도입
어떤 항공기든 무게와 균형(weight and balance) 한도를 지키는 것은 비행 안전의 핵심입니다. 최대중량 한도를 넘기면 구조 강도가 흔들리고 성능이 나빠집니다. 무게중심(CG, center of gravity)이 승인된 한도 밖으로 나가면 조종이 어려워집니다.
무게 관리
5장 비행의 공기역학에서 다룬 대로, 무게는 중력이 물체를 지구 중심으로 끌어당기는 힘입니다. 물체의 질량과 그 물체에 작용하는 가속도의 곱입니다. 무게는 항공기 제작과 운용에서 큰 요소이고, 조종사는 이를 가볍게 보지 않아야 합니다.
중력은 항공기를 계속 지면으로 당깁니다. 무게에 맞서 항공기를 공중에 붙들어 두는 힘은 양력뿐입니다. 익형이 만드는 양력은 익형 설계, 받음각(AOA, angle of attack), 속도, 공기 밀도로 한계가 정해집니다. 생기는 양력이 무게를 이길 수 있게 하려면, 제작사가 권고한 무게를 넘겨 싣지 않아야 합니다. 무게가 양력보다 크면 그 항공기는 날지 못할 수 있습니다.
무게의 영향
탑재해서 전체 무게를 늘리는 물건은 성능에 이롭지 않습니다. 제작사는 강도나 안전을 포기하지 않는 선에서 기체를 최대한 가볍게 만듭니다.
조종사는 과적의 결과를 항상 알고 있어야 합니다. 과적한 항공기는 지면을 못 떠나거나, 떠올라도 예상 밖의 나쁜 비행 특성을 보일 수 있습니다. 적재가 잘못되면, 성능이 나쁘다는 첫 신호는 대개 이륙에서 납니다.
과다한 무게는 거의 모든 면에서 비행 성능을 깎습니다. 과적 항공기의 가장 중요한 성능 저하는 예를 들어 다음과 같습니다.
- 이륙속도 증가
- 이륙활주 거리 증가
- 상승률·상승각 감소
- 최고고도 저하
- 항속거리 단축
- 순항속도 감소
- 기동성 감소
- 실속속도 증가
- 접근·착륙속도 증가
- 착륙활주 거리 증가
- 전륜 또는 미륜에 과도한 무게
조종사는 지금 나는 그 기체의 성능에 무게가 미치는 영향을 알아야 합니다. 비행전 계획에는 성능 차트를 보고, 무게가 위험한 운용으로 이어질 수 있는지를 확인하는 일이 들어갑니다. 과다한 무게 자체로 안전 여유는 줄어들고, 성능을 더 깎는 다른 요소와 겹치면 위험은 더 커집니다. 비상 상황까지 가정해야 합니다. 이륙 중 발동기가 멈추거나 낮은 고도에서 기체에 착빙이 생기면, 그때 무게를 줄여 공중에 남기에는 이미 늦은 경우가 많습니다.
무게 변화
항공기의 운용 무게는 연료 탑재량만 바꿔도 달라집니다. 가솔린은 갤런당 6파운드로 가볍지 않습니다. 연료 30갤런이면 승객 한 명보다 무거울 수 있습니다. 연료를 줄여 무게를 낮추면, 그만큼 항속거리가 줄어든다는 점을 비행 계획에 넣어야 합니다. 비행 중 무게 변화는 보통 연료 소모뿐입니다. 연료가 타면 기체는 가벼워지고 성능은 나아집니다.
고정 장비의 변경은 항공기 무게에 큰 영향을 줍니다. 무전기나 계기를 더 달거나, 수리·개조를 해도 무게가 달라질 수 있습니다.
평형, 안정성, 무게중심
평형(balance)은 항공기의 CG 위치이고, 비행 안정과 안전에 중요합니다. CG는 그 점에서 항공기를 매달면 평형을 이루는 점입니다.
평형의 일차 관심은 종축을 따른 CG의 전후 위치입니다. CG는 고정점이 아닙니다. 기체 안 무게가 어떻게 퍼져 있느냐에 따라 움직입니다. 가변 탑재물을 옮기거나 쓰면 CG도 따라서 이동합니다. 무게중심의 전방·후방 한계 사이, 곧 CG 범위(CG range)는 제작사가 그 기체에 대해 증명합니다. 종축에서 CG가 너무 앞으로 가면 기수가 무거워집니다. 반대로 너무 뒤로 가면 미부가 무거워집니다. CG 위치가 불안정한 상태를 만들면 조종사가 항공기를 제어하지 못할 수도 있습니다.
횡축을 기준으로 한 CG 위치도 중요합니다. 동체 중심선 왼쪽에 있는 무게마다, 오른쪽 대칭 위치에 같은 무게가 있어야 합니다. 횡방향 적재가 한쪽으로 치우치면 이 균형이 깨집니다. 모든 항공기에서 횡방향 CG를 계산하지는 않지만, 횡방향 불평형이 나쁜 결과를 낸다는 점은 조종사가 알아야 합니다. 비행기에서 횡방향 불평형은, 한쪽 탱크에서만 발동기(들)에 연료를 공급해 연료 관리가 어긋날 때 생깁니다. 그 결과 한쪽 날개가 무거워지면, 트림을 맞추거나 조종력을 계속 잡아 보정할 수 있습니다. 이렇게 하면 조종면이 유선에서 벗어나고 항력이 늘며 운용 효율이 떨어집니다. 횡방향 평형은 필요할 때 항공기 비행교범(AFM)에서 다루고, 종방향 평형이 더 결정적이므로, 이 핸드북에서 말하는 평형은 이후 CG의 종방향 위치를 뜻합니다.
평형이 깨진 항공기를 타면 조종사 피로가 늘고, 안전과 효율에 바로 티가 납니다. 종방향 불평형에 대한 자연스러운 보정은 트림을 바꿔 과도한 조종력을 없애는 것입니다. 다만 트림을 과도하게 쓰면 공기역학 효율이 떨어질 뿐 아니라, 트림을 넣은 쪽으로 주조종면이 움직일 수 있는 거리도 줄어듭니다.
불리한 평형의 영향
불리한 평형은 과다 무게와 비슷한 방식으로 비행 특성을 바꿉니다. 모든 항공기에 정해진 무게와 균형 한도를 지키는 일이 핵심입니다. 최대중량 한도를 넘기면 구조 강도가 흔들리고 성능이 나빠질 수 있습니다. 평형이 잘못되면 안정성과 조종성도 영향을 받습니다.
안정성
기수가 무거운 적재는 기수를 들고 다루는 일을 어렵게 하고, 이륙과 착륙에서 특히 그렇습니다. 미부가 무거운 적재는 종안정에 심각한 영향을 주고, 실속·스핀 회복 능력을 깎습니다. 미부가 무거우면 조종력도 매우 가벼워지는데, 이것 역시 바람직하지 않습니다. 조종사가 의도치 않게 기체에 과하중을 주기 쉽습니다.
안정성과 무게중심
CG 위치의 한계는 제작사가 정합니다. 비행 중 CG가 넘어서는 안 되는 전방·후방 한계입니다. 이 한계는 기체마다 형식증명자료서(TCDS, Type Certificate Data Sheet) 또는 항공기 규격과, AFM 또는 조종사 운영교범(POH)에 실립니다. 적재 후 CG가 허용 한도 안에 없으면, 비행을 시도하기 전에 일부 물건을 옮겨야 합니다.
전방 CG 한계는 그 기체의 착륙 특성으로 정하는 경우가 많습니다. 착륙은 가장 치명적인 비행 단계 가운데 하나이고, 전방 CG 한계를 넘기면 전륜에 과도한 하중, 미륜기에서는 기수가 숙으며 전복하려는 경향, 성능 저하, 더 높은 실속속도, 더 큰 조종력이 따라올 수 있습니다.
조종
극단적으로는 전방 한계를 넘긴 CG가 기수를 무겁게 해, 착륙 플레어가 어렵거나 불가능해질 수 있습니다. 제작사는 착륙 손상을 피하도록, 전방 CG 한계를 의도적으로 가능한 한 뒤에 둡니다. 허용 범위보다 뒤에 CG가 있으면 정적·동적 종안정이 떨어지는 데 더해, 조종이 극도로 어려워지고, 실속 특성이 격해지며, 조종력이 매우 가벼워 과하중을 주기 쉽습니다.
전방 CG 한계를 제한하는 또 다른 이유는, 최저속도에서도 승강타/조종면 변위가 충분하게 남게 하려는 것입니다. 구조 제한이 전방 CG 위치를 묶지 않으면, 착륙에서 높은 받음각을 내기 위해 승강타/조종면을 완전히 올려야 하는 그 위치에 전방 한계를 둡니다.
후방 CG 한계는 가장 치명적인 기동이나 운용에서도 CG가 있을 수 있는 가장 뒤쪽 위치입니다. CG가 뒤로 갈수록 안정은 줄고, 기동이나 난기류 뒤에 기체가 스스로 바로잡히는 능력도 떨어집니다.
일부 기체는 전방·후방 CG 한계가 총중량에 따라 달라지도록 지정됩니다. 곡예비행, 착륙장치 접힘, 비행 특성을 바꾸는 특수 탑재물·장치 장착처럼 특정 운용에서는 한계 자체가 바뀌기도 합니다.
실제 CG 위치는 여러 가변 요소로 바뀌고, 대개 조종사가 다룹니다. 수하물과 화물을 어디에 두느냐가 CG를 정합니다. 승객 좌석 배정도 평형을 맞추는 수단입니다. 미부가 무거우면 무거운 승객을 앞좌석에 앉히는 것이 당연합니다. 연료 소모도 탱크 위치에 따라 CG를 움직입니다. 예를 들어 대부분의 소형기는 연료를 CG 바로 근처 날개에 두고, 연료가 타도 적재 CG에는 거의 영향이 없습니다.
무게와 균형 관리
미국 연방규정 14 CFR part 23 section 23.23은 항공기를 안전하게 운용할 수 있는 무게와 CG의 범위를 정하도록 요구합니다. 이 정보는 제작사가 제공하고, 승인된 AFM, TCDS, 또는 항공기 규격에 들어갑니다.
14 CFR part 91로 운용하는 조종사에게 매 비행 전 무게와 균형 계산을 하라는 명시 요건은 없습니다. 다만 14 CFR part 91 section 91.9는 기장(PIC)이 승인된 AFM의 운용 제한을 지키도록 합니다. 그 제한에는 항공기의 무게와 균형이 포함됩니다. 조종사가 계산할 수 있도록, 승인된 AFM에 차트와 그래프가 있습니다. (역주: 국내는 항공안전법·해당 기체 비행교범 기준이 다를 수 있으니 확인 필요)
무게와 균형 관리는 모든 조종사의 관심사여야 합니다. 조종사는 그 기체의 적재와 연료 관리를 다룹니다. 이 둘이 총중량과 CG 위치를 바꿀 수 있는 가변 요소입니다. 항공기 소유자 또는 운용자는 조종사가 쓸 정보가 최신인지 확인하고, 수리나 개조를 하면 기록에 올바로 남기도록 해야 합니다. 장비를 빼거나 더하면 CG가 바뀝니다.
무게 변화는 반영하고, 무게와 균형 기록에 올바로 적어야 합니다. 해당하면 장비목록도 갱신합니다. 이런 정보가 없으면 조종사는 필요한 계산과 판단을 할 근거가 없습니다.
무게가 무시할 수준인 표준 부품, 또는 너트·볼트·와셔·리벳처럼 무게가 무시할 수준인 소형 장비를 고정익에 더하는 경우에는 무게와 균형 점검이 필요 없습니다. 무시할 수 있는 무게 변화의 기준은 자문회람(AC) 43.13-1(개정본), Methods Techniques and Practices—Aircraft Inspection and Repair에 다음과 같이 나와 있습니다.
- 공허중량 5,000파운드 미만 항공기: 1파운드 이하
- 공허중량 5,000파운드 초과~50,000파운드: 2파운드 이하
- 공허중량 50,000파운드 초과: 5파운드 이하
무시할 수 있는 CG 변화는 고정익에서 평균공력시위(MAC, Mean Aerodynamic Chord)의 0.05% 미만, 회전익에서 0.2%입니다. MAC은 날개 앞전에서 뒷전까지의 평균 거리입니다. 이 한도를 넘으면 무게와 균형 점검이 필요합니다.
어떤 비행이든 전에, 조종사는 그 항공기의 무게와 균형 상태를 파악해야 합니다. 제작사는 타당한 원리에 기초한 간단하고 정연한 절차로 적재 상태를 판단하게 해 두었습니다. 조종사는 그 절차를 쓰고, 무게와 균형을 판단할 때 분별력을 발휘합니다. 많은 현대 항공기에서는 좌석, 수하물실, 연료탱크를 모두 채우고도 승인된 무게와 균형 한도 안에 남는 일이 불가능합니다. 승객을 최대로 태우면 조종사는 연료를 줄이거나 수하물을 줄여야 하는 경우가 많습니다.
14 CFR part 125는 좌석 20석 이상이거나 최대 유상하중 용량 6,000파운드 이상인 항공기를 36달력월마다 계량하도록 합니다. 14 CFR part 135로 운용하는 다발기도 36개월마다 계량해야 합니다. part 135 항공기라도 증명 소지자의 운용규격(operations specifications)에 승인된 무게와 균형 계통으로 운용하면 36개월 요건에서 제외됩니다. part 121과 135의 승인된 무게와 균형 관리 프로그램은 AC 120-27, Aircraft Weight and Balance Control 최신판을 봅니다. AC 43.13-1, Acceptable Methods, Techniques and Practices—Aircraft Inspection and Repair는 또한, 100시간 또는 연간 검사 뒤에 정비사가 항공기 기록의 무게와 균형 자료가 최신이고 정확한지 확인하도록 요구합니다. (역주: 국내 계량 주기·운용규격은 항공안전법·운항기술기준이 다를 수 있으니 확인 필요)
용어와 정의
조종사는 무게와 균형에 쓰는 용어를 알고 있어야 합니다. 아래 목록은 표준화되어 있고, 이 정의를 알면 어떤 항공기든 무게와 균형 계산을 이해하기 쉽습니다. 일반항공제작사협회(GAMA)가 업계 표준으로 정의한 용어는 제목에 GAMA를 붙입니다.
| 용어 | 정의 |
|---|---|
| 암(Arm, moment arm) | 기준점(reference datum) 선에서 그 항목 CG까지 수평 거리(인치). 기준점 뒤이면 대수 부호 플러스(+), 앞이면 마이너스(−). |
| 기본 공허중량(Basic empty weight, GAMA) | 표준 공허중량에, 장착된 선택·특수 장비 무게를 더한 값. |
| 무게중심(CG) | 그 점에서 매달 수 있다면 항공기가 평형을 이루는 점. 질량 중심, 또는 전체 무게가 모인다고 보는 이론상 점. 기준점에서 인치, 또는 MAC의 %로 나타냅니다. CG는 종·횡·수직 위치를 가진 3차원 점입니다. |
| CG 한계(CG limits) | 비행 중 CG가 있어야 하는 지정된 전방·후방 점. 해당 항공기 규격에 표시. |
| CG 범위(CG range) | 해당 항공기 규격에 표시된 전방 CG 한계와 후방 CG 한계 사이 거리. |
| 기준점(Datum, reference datum) | 암 측정의 출발이 되는 가상의 수직 평면 또는 선. 제작사가 정합니다. 한 번 정하면 모든 모멘트암과 CG 범위 위치는 이 점에서 잽니다. |
| 델타(Delta) | 값의 변화를 나타내는 그리스 문자 Δ. 예: ΔCG는 CG의 변화(또는 이동). |
| 바닥하중 한계(Floor load limit) | 제작사가 정한, 바닥이 제곱인치/제곱피트당 견딜 수 있는 최대 무게. |
| 연료 탑재(Fuel load) | 탑재물 가운데 소모되는 부분. 사용 가능 연료만이며, 배관을 채우는 연료나 탱크 섬프에 남는 연료는 넣지 않습니다. |
| 면허 공허중량(Licensed empty weight) | 기체, 발동기, 사용 불가 연료, 배출 불가 오일, 장비목록에 지정된 표준·선택 장비로 이루어진 공허중량. GAMA 표준화 이전에 일부 제작사가 쓴 용어. |
| 최대착륙중량(Maximum landing weight) | 착륙 때 항공기가 정상적으로 가져도 되는 가장 큰 무게. |
| 최대램프중량(Maximum ramp weight) | 연료를 모두 포함한 적재 항공기의 총중량. 지상활주와 런업에서 탈 연료만큼 이륙중량보다 큽니다. 택시중량이라고도 합니다. |
| 최대이륙중량(Maximum takeoff weight) | 이륙에 허용되는 최대 무게. |
| 최대중량(Maximum weight) | 그 항공기 TCDS에 지정된, 항공기와 모든 장비의 최대 허가 무게. |
| 최대무연료중량(Maximum zero fuel weight, GAMA) | 사용 가능 연료를 제외한 최대 무게. |
| 평균공력시위(MAC) | 날개 앞전에서 뒷전까지의 평균 거리. |
| 모멘트(Moment) | 항목 무게에 암을 곱한 값. 단위는 파운드인치(in-lb). 총모멘트는 항공기 무게에 기준점과 CG 사이 거리를 곱한 값. |
| 모멘트 지수(Moment index) | 모멘트를 100, 1,000, 10,000 같은 상수로 나눈 값. 무거운 항목과 긴 암 때문에 숫자가 커져 다루기 어려운 기체의 계산을 단순화합니다. |
| 유상하중(Payload, GAMA) | 탑승자, 화물, 수하물의 무게. |
| 표준 공허중량(Standard empty weight, GAMA) | 기체, 발동기, 위치가 고정되고 영구 장착된 모든 운용 장비. 고정 밸러스트, 유압유, 사용 불가 연료, 엔진 오일 만충을 포함합니다. |
| 스테이션(Station) | 기준점에서 인치로 잰 거리 번호로 식별하는 기체 안 위치. 기준점은 스테이션 0입니다. 스테이션 +50에 있는 항목의 암은 50인치입니다. |
| 유용하중(Useful load) | 기장, 부기장, 승객, 수하물, 사용 가능 연료, 배출 가능 오일의 무게. 최대 허용 총중량에서 기본 공허중량을 뺀 값. 이 용어는 일반항공(GA) 항공기에만 씁니다. |
표준 무게(Standard weights)는 무게와 균형 계산에 쓰는 여러 항목의 정해진 무게입니다. 실제 무게를 알면 표준 무게를 쓰지 않습니다. 일부 표준 무게는 다음과 같습니다.
| 항목 | 표준 무게 |
|---|---|
| 가솔린 | 6 lb/US gal |
| Jet A, Jet A-1 | 6.8 lb/US gal |
| Jet B | 6.5 lb/US gal |
| 오일 | 7.5 lb/US gal |
| 물 | 8.35 lb/US gal |
다음 편은 무게와 균형 계산 원리입니다. 기준점·암·모멘트와 시소로 평형을 맞추는 예부터 이어집니다.
핵심 정리
- ● 최대중량을 넘기면 구조와 성능이 같이 나빠집니다. 과적의 첫 신호는 대개 이륙입니다. 이륙속도·활주가 늘고, 상승·항속·기동이 줄며, 실속·접근 속도와 착륙활주가 커집니다.
- ● 가솔린은 6 lb/US gal입니다. 30갤런이면 승객 한 명보다 무거울 수 있습니다. 비행 중 무게 변화는 보통 연료 소모뿐입니다.
- ● CG가 너무 앞이면 기수가 무겁고, 착륙 플레어가 어렵거나 전륜·미륜기 전복 경향이 납니다. 너무 뒤이면 종안정이 줄고 실속·스핀 회복이 약해지며 조종력이 가벼워 과하중을 주기 쉽습니다.
- ● part 91은 매 비행 전 계산을 명시하지 않아도, 91.9로 PIC는 AFM 한도(무게와 균형 포함)를 지켜야 합니다. 많은 현대기는 좌석·수하물·연료를 다 채우면 한도를 넘습니다.
- ● 무시할 수 있는 무게 변화(AC 43.13-1): 공허중량 <5,000 lb는 1 lb, 5,000~50,000 lb는 2 lb, >50,000 lb는 5 lb. CG는 고정익 MAC 0.05%, 회전익 0.2% 미만.
- ● part 125(20석 이상 또는 유상하중 용량 6,000 lb 이상)와 part 135 다발기는 36달력월마다 계량. 135는 운용규격의 승인 계통이면 면제. 100시간·연간 검사 뒤 정비사는 기록의 무게와 균형 자료를 확인합니다.
- ● 유용하중은 최대 허용 총중량 − 기본 공허중량이고 GA만 씁니다. 연료 탑재는 사용 가능 연료만, 표준 공허중량(GAMA)은 고정 밸러스트·유압유·사용 불가 연료·오일 만충을 포함합니다.
이 글은 미국 연방항공청(FAA)의 Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge(FAA-H-8083-25B)(퍼블릭 도메인)를 번역·재구성한 시리즈입니다.
“무게 제한·CG와 용어 — 조종사 핸드북 10장 (1/3)”에 대한 1개의 생각