4장은 대기, 네 힘, 착빙이 계기접근·홀딩·저속 IMC에서 기체를 어떻게 바꾸는지다. VFR보다 IFR에서 더 깊게 알아야 한다. 바깥을 못 보면 계기만으로 조종면을 밀고, 그때 공기역학을 틀리면 숫자가 바로 거짓이 된다.
날개 말
시위선은 앞전과 뒷전을 잇는 직선이다. 시위는 그 길이. 평균 캠버선은 윗면과 아랫면의 가운데를 지나 양쪽 끝에서 시위선과 만난다. 최대 캠버의 높이와 시위 위 위치는 익형 성능을 가늠하는 숫자다.
상대풍은 익형에 대한 기류 방향이다. 받음각(AOA)은 상대풍(또는 비행경로)과 시위가 만드는 예각이다. 비행경로는 기체가 가는, 또는 가려는 궤적이다.
네 힘
양력·무게·추력·항력이다. 양력은 전체 공기력 중 상대풍에 수직인 성분이다. 평균 압력중심(CP), 곧 양력중심에서 위로 선다. 시위 위의 한 점으로, 모든 공기력이 여기를 지난다고 본다. 크기은 속도, 밀도, 익형 모양과 넓이, 받음각에 비례한다. 직선수평에서는 양력과 무게가 같다.
무게는 중력이다. 무게중심(CG)을 지나 아래로 선다. 양력중심과 자리가 다를 수 있다. 하강 중에는 무게가 양력보다 크다. 추력은 엔진·프로펠러·로터가 앞으로 민다. 항력을 이긴다. 대개 세로축과 나란하다. 항력은 상대풍과 나란한 알짜 공기력이고, 유도항력과 유해항력의 합이다.
유도항력은 양력을 만들 때 생긴다. 받음각이 커지면 늘고, 양력이 없으면 0이다. 속도가 오르면 줄어든다. 유해항력은 양력과 무관한 전부다. 기체가 공기를 밀어내고, 익형이 난류를 만들고, 표면이 흐름을 가로막는다. 속도와 같이 는다. 표면마찰, 간섭, 형상항력이 들어간다.
경계층은 카드 한 장 두께쯤이다. 표면 분자는 속도 0이고, 위로 갈수록 자유흐름에 가까워진다. 층이 서로 미끄러지며 점성으로 속도를 깎는 것이 표면마찰항력이다. 소형기에서는 작고, 대형 수송기에서는 커진다. 간섭항력은 동체 흐름과 날개 흐름이 뿌리에서 부딪혀 각각을 더한 것보다 커질 때다. 외부 장착물이 같은 일을 한다. 형상항력은 뒷면에 난류가 생겨 압력이 떨어질 때다. 물방울형 페어링이 그걸 줄인다.
전체 양력은 실제 무게에, 피치를 잡는 꼬리 내리힘을 더한 값을 이겨야 한다. 추력은 전체 항력을 이겨야 앞으로 가며 양력을 만든다.
뉴턴 세 법칙
제1법칙(관성). 정지한 물체는 정지, 움직이는 물체는 같은 속도와 방향으로 간다. 바깥 힘이 오기 전까지다. 비행 중 바깥 힘은 늘 둘이다. 중력과 항력. 조종사는 피치와 추력으로 그걸 상대한다. 직선수평에서 출력을 줄이면 항력 때문에 느려지고, 양력이 빠져 중력으로 내려가기 시작한다.
제2법칙(운동량). 알짜 힘 방향으로 가속하고, 가속은 힘에 비례·질량에 반비례한다. 감속도 가속이다. 피치·뱅크·추력이 속도와 경로를 바꾸는 이유가 이것이다.
제3법칙(작용·반작용). 제트 추력이나 프로펠러의 당김이 기체를 앞으로 보낸다. 날개 아래쪽으로 꺾인 상대풍의 반작용이 양력의 일부다.
대기, ISA, 고도
건조 공기 부피의 약 78%가 질소, 21%가 산소, 1%가 아르곤·이산화탄소 등이다. 해면에서 1제곱인치 공기 기둥은 약 14.7파운드다. 무게의 절반이 처음 18,000피트 안에 있다. 밀도는 온도에 반비례, 압력에 비례한다.
대류권은 적도에서 약 60,000피트까지다. 그 위가 성층권, 중간권, 전리권, 열권, 외기권이다. 대류권계면은 표준감율(1,000피트당 2°C)이 1°C 이하로 꺾이는 얇은 층이다.
ICAO 표준대기(ISA)는 계기와 성능을 맞추는 기준이다. 현실은 거의 표준이 아니라서, 벗어난 만큼 숫자와 성능을 고쳐 읽는다. 해면 29.92 inHg, 15°C(59°F). 압력은 1,000피트에 약 1 inHg, 온도는 성층권 아래까지 1,000피트에 2°C(3.6°F) 떨어진다. 10,000피트 ISA는 19.92 inHg, −5°C다. 온도와 압력이 다르면 성능과 계기를 다시 계산한다.
압력고도는 표준데이텀면(SDP, 29.92 inHg·14.7 psi) 위 높이다. 콜스만을 29.92에 두고 읽거나, 보고된 수정치로 지시고도를 고친다. 성능 계산과 FL18,000 이상 배정의 바닥이다. SDP는 해면보다 아래·같·위일 수 있다.
밀도고도는 압력고도를 비표준 온도로 고친 값이다. 밀도가 높으면(밀도고도 낮음) 성능이 좋고, 밀도가 낮으면(밀도고도 높음) 성능이 떨어진다. 표준이면 압력고도와 밀도고도가 같다. 코흐 차트나 비행계산기의 밀도고도 기능으로 구한다.
차트가 없으면 ISA보다 1°C 높을 때마다 120피트를 더한다. 압력고도 3,000피트면 ISA는 9°C다. 실제 20°C면 11°C×120=1,320, 밀도고도 4,320피트다.
핵심 정리
- ● 양력은 상대풍에 수직이다. 땅을 기준으로 ‘위’가 아니다.
- ● 유도항력은 양력·받음각과 같이 늘고 속도와 반대로 간다. 유해항력은 속도와 같이 는다.
- ● 제1법칙: 출력 감소 → 느려짐 → 양력 감소 → 하강.
- ● 제3법칙: 아래로 꺾인 기류의 반작용이 양력의 일부다.
- ● 콜스만 29.92가 압력고도다. 밀도고도가 성능을 가른다.
이 글은 미국 연방항공청(FAA)의 Instrument Flying Handbook(FAA-H-8083-15B)(퍼블릭 도메인)를 번역·재구성한 시리즈입니다. 국내 성능·착빙은 AFM/POH와 AIP를 따릅니다.