앞 편은 무게 추가·제거와 10장 요약까지였습니다. 이번 편은 11장 항공기 성능의 앞부분으로, AFM/POH 성능 자료, 대기·밀도고도, 수평비행 항력, 상승의 운동·위치에너지까지입니다.
성능 자료가 왜 필요한가
이 장은 항공기 성능에 영향을 주는 인자를 다룹니다. 무게, 대기 조건, 활주로 환경, 항공기에 작용하는 힘을 지배하는 기본 물리 법칙입니다.
항공기비행교범/조종사운영교범(AFM/POH, Aircraft Flight Manual/Pilot’s Operating Handbook)의 성능·운용 정보 절에는 그 항공기의 운용 자료, 곧 이륙·상승·항속·체공·강하·착륙 자료가 들어 있습니다. 이 자료를 비행에 쓰는 일은 안전하고 효율적인 운용의 필수입니다. 이 절을 공부하면 그 항공기를 꽤 깊이 알 수 있습니다. (역주: 국내는 해당 기종 AFM/POH와 국토교통부 기준을 확인하세요)
강조할 점은, 제작사가 AFM/POH에 넣는 정보와 자료가 표준화되어 있지 않다는 것입니다. 표로 주는 곳도 있고 그래프로 주는 곳도 있습니다. 또 성능 자료를 표준대기, 기압고도, 밀도고도 중 어느 기준으로 제시하는지도 다릅니다. 그 차이를 알아채고 필요한 수정을 하지 않으면 AFM/POH 성능 정보는 거의 쓸모가 없습니다.
항공기의 능력과 제한을 실제로 쓰려면 운용 자료가 무엇을 뜻하는지 알아야 합니다. 조종사는 성능 자료의 바탕과, 성능 능력·제한을 말할 때 쓰는 용어의 뜻을 알고 있어야 합니다.
대기 특성이 성능에 큰 영향을 주므로, 지배 인자 둘인 압력과 온도를 다시 짚습니다.
대기의 구조
대기(atmosphere)는 지구를 둘러싸고 지표면에 얹혀 있는 공기 껍질입니다. 땅이나 물과 마찬가지로 지구의 일부이지만, 공기는 기체 혼합물이라 땅·물과 다릅니다. 질량과 무게가 있고 정해진 모양이 없습니다.
공기는 다른 유체처럼, 분자 응집력이 약해서 아주 작은 압력에도 흐르고 모양이 바뀝니다. 예를 들어 기체는 담는 그릇을 완전히 채우고, 팽창하거나 수축해 그릇의 한계에 맞춥니다. 대기의 조성은 질소 78%, 산소 21%, 아르곤·헬륨 같은 기타 기체 1%입니다. 산소의 대부분은 고도 35,000ft 아래에 있습니다.
대기압
압력의 종류는 여러 가지지만, 조종사가 주로 다루는 것은 대기압(atmospheric pressure)입니다. 날씨 변화의 기본 인자이고, 항공기를 들어 올리는 데 쓰이며, 중요한 비행계기 일부를 움직입니다. 그 계기는 흔히 고도계, 속도계(ASI), 승강계(VSI), 흡기압력계입니다.
공기는 아주 가볍지만 질량이 있고 중력의 끌어당김을 받습니다. 그래서 다른 물질과 마찬가지로 무게가 있고, 무게 때문에 힘이 있습니다. 공기는 유체라 이 힘이 모든 방향으로 같고, 공기 속 물체에 미치는 이 효과를 압력이라고 합니다. 해면 표준 조건에서 대기 무게가 가하는 평균 압력은 약 14.7 psi입니다. 공기 밀도는 항공기 성능에 큰 영향을 줍니다. 공기가 묽어지면 다음이 줄어듭니다.
- 출력 — 엔진이 빨아들이는 공기가 줄어들기 때문
- 추력 — 프로펠러가 묽은 공기에서 효율이 떨어지기 때문
- 양력 — 묽은 공기가 익면에 가하는 힘이 작아지기 때문
대기압은 시간에 따라 변할 수 있지만, 더 중요한 것은 고도와 온도에 따라 변한다는 점입니다. 변하는 대기압 때문에 표준 기준이 만들어졌습니다. 해면 표준대기는 표면 온도 59°F 또는 15°C, 표면 압력 29.92 수은주인치(“Hg) 또는 1,013.2 밀리바(mb)입니다.
표준 기온감률은 온도가 1,000ft마다 약 3.5°F 또는 2°C씩 내려가 36,000ft까지 이어지는 경우입니다. 이 지점 위로는 80,000ft까지 온도가 일정한 것으로 봅니다. 표준 기압감률은 10,000ft까지 고도 1,000ft 상승마다 약 1 “Hg씩 압력이 떨어지는 경우입니다. 국제민간항공기구(ICAO)가 이를 세계 표준으로 정했고, 흔히 국제표준대기(ISA, International Standard Atmosphere) 또는 ICAO 표준대기라고 부릅니다. 표준 감률과 다른 온도·압력은 비표준 온도·압력입니다. 비표준 온도·압력 수정값은 제작사 성능 차트에 있습니다.
| 고도 (ft) | 기압 (“Hg) | 온도 | |
|---|---|---|---|
| (°C) | (°F) | ||
| 0 | 29.92 | 15.0 | 59.0 |
| 1,000 | 28.86 | 13.0 | 55.4 |
| 2,000 | 27.82 | 11.0 | 51.9 |
| 3,000 | 26.82 | 9.1 | 48.3 |
| 4,000 | 25.84 | 7.1 | 44.7 |
| 5,000 | 24.89 | 5.1 | 41.2 |
| 6,000 | 23.98 | 3.1 | 37.6 |
| 7,000 | 23.09 | 1.1 | 34.0 |
| 8,000 | 22.22 | −0.9 | 30.5 |
| 9,000 | 21.38 | −2.8 | 26.9 |
| 10,000 | 20.57 | −4.8 | 23.3 |
| 11,000 | 19.79 | −6.8 | 19.8 |
| 12,000 | 19.02 | −8.8 | 16.2 |
| 13,000 | 18.29 | −10.8 | 12.6 |
| 14,000 | 17.57 | −12.7 | 9.1 |
| 15,000 | 16.88 | −14.7 | 5.5 |
| 16,000 | 16.21 | −16.7 | 1.9 |
| 17,000 | 15.56 | −18.7 | −1.6 |
| 18,000 | 14.94 | −20.7 | −5.2 |
| 19,000 | 14.33 | −22.6 | −8.8 |
| 20,000 | 13.74 | −24.6 | −12.3 |
그림 11-2. 표준대기의 성질 (출처: FAA)
항공 성능은 모두 표준대기를 기준으로 비교·평가하므로, 모든 항공기 계기도 표준대기에 맞춰 교정되어 있습니다. 실제 운용 조건이 표준대기와 맞지 않으면 계기와 항공기 성능 모두에 어떤 수정이 필요합니다. 비표준 대기를 제대로 반영하려면 관련 용어를 정의해야 합니다.
기압고도
기압고도(pressure altitude)는 표준데이텀면(SDP, standard datum plane) 위 높이입니다. 항공기 고도계는 본질적으로 표준대기에서 고도를 가리키도록 눈금이 잡힌 정밀 기압계입니다. 고도계를 29.92 “Hg SDP로 맞추면 지시 고도가 기압고도입니다. 감지한 압력에 해당하는 표준대기 고도입니다. SDP는 대기 압력이 29.92 “Hg이고 공기 무게가 14.7 psi인 이론상의 면입니다. 대기압이 변하면 SDP는 해면보다 아래일 수도, 해면일 수도, 위일 수도 있습니다. 기압고도는 항공기 성능을 정하는 바탕이고, 18,000ft 이상에서 운용하는 항공기에 비행고도(flight level)를 배정하는 기준이기도 합니다. (역주: 국내 천이고도와 비행고도 배정 기준은 AIP를 확인하세요)
기압고도는 다음 세 방법으로 구할 수 있습니다.
- 고도계의 기압 눈금을 29.92 “Hg로 맞추고 지시 고도를 읽는다
- 보고된 “고도계 수정치”에 따라 지시 고도에 수정값을 적용한다
- 비행계산기를 쓴다
밀도고도
비표준 대기에서 공력 성능을 대응시키는 데 더 알맞은 말은 밀도고도(density altitude)입니다. 어떤 공기 밀도 값에 해당하는 표준대기 고도입니다.
밀도고도는 비표준 온도로 수정한 기압고도입니다. 공기 밀도가 커지면(밀도고도가 낮아지면) 항공기 성능이 좋아집니다. 반대로 공기 밀도가 작아지면(밀도고도가 높아지면) 성능이 떨어집니다. 공기 밀도가 감소한다는 것은 밀도고도가 높다는 뜻이고, 밀도가 증가한다는 것은 밀도고도가 낮다는 뜻입니다. 밀도고도는 항공기 성능 계산에 씁니다. 표준대기 조건에서는 각 층의 공기에 고유 밀도가 있고, 표준 조건에서는 기압고도와 밀도고도가 같은 층을 가리킵니다. 곧 밀도고도는 어떤 밀도가 나타나는, 표준대기에서 해면 위 수직 거리입니다.
밀도고도는 기압고도와 온도로 계산합니다. 어느 고도의 항공기 성능 자료든 표준일 공기의 밀도를 기준으로 하므로, 그 자료가 적용되는 밀도 층은 고도계 지시와 같지 않을 수 있습니다. 표준보다 높거나 낮은 조건에서는 이 층을 고도계에서 바로 읽을 수 없습니다.
밀도고도는 먼저 기압고도를 구한 뒤, 비표준 온도 변화를 그 고도에 수정해 구합니다. 밀도는 압력에 정비례하고 온도에 반비례하므로, 밀도를 바꾸면 같은 기압고도가 아주 다른 온도 범위에서 나타날 수 있습니다. 그러나 어떤 온도·기압고도 조합에는 정해진 밀도가 있습니다. 공기 밀도는 항공기와 엔진 성능에 뚜렷한 영향을 줍니다. 실제 고도가 무엇이든, 항공기는 그때의 밀도고도와 같은 고도에서 움직이는 것처럼 성능을 냅니다.
예를 들어 29.92 “Hg로 맞춘 고도계가 기압고도 5,000ft를 가리킬 수 있습니다. AFM/POH에 따르면 표준 온도에서 이륙 활주가 790ft일 수 있습니다. 그러나 온도가 표준보다 20°C 높으면 공기가 팽창해 밀도 층이 올라갑니다. 표·그래프의 온도 수정 자료를 쓰거나 계산기로 밀도고도를 구하면, 밀도 층이 7,000ft 위이고 활주는 1,000ft에 더 가까울 수 있습니다.
공기 밀도는 고도, 온도, 습도 변화에 영향을 받습니다. 높은 밀도고도는 묽은 공기를, 낮은 밀도고도는 짙은 공기를 말합니다. 높은 밀도고도가 되는 조건은 높은 표고, 낮은 대기압, 높은 온도, 높은 습도, 또는 이들의 조합입니다. 낮은 표고, 높은 대기압, 낮은 온도, 낮은 습도는 낮은 밀도고도에 더 가깝습니다.
비행계산기에는 비행 고도의 기압고도와 외기온(OAT)을 넣으면 밀도고도를 구할 수 있습니다. 그림 11-3의 표와 그림 11-4의 차트로도 구합니다.
압력이 밀도에 미치는 영향
공기는 기체이므로 압축되거나 팽창할 수 있습니다. 압축하면 같은 부피에 더 많은 공기가 들어갑니다. 반대로 같은 부피의 공기에 가해지는 압력이 줄면 공기는 팽창해 더 큰 공간을 차지합니다. 곧 압력이 낮은 원래 공기 기둥에는 공기 질량이 더 적습니다. 밀도가 감소합니다. 사실 밀도는 압력에 정비례합니다. 압력이 두 배가 되면 밀도도 두 배가 되고, 압력이 낮아지면 밀도도 낮아집니다. 이 말은 온도가 일정할 때만 참입니다.
온도가 밀도에 미치는 영향
물질의 온도를 올리면 밀도가 감소합니다. 반대로 온도를 내리면 밀도가 증가합니다. 따라서 공기 밀도는 온도에 반비례합니다. 이 말은 압력이 일정할 때만 참입니다. 대기에서는 고도가 오르면 온도와 압력이 함께 내려가 밀도에 서로 반대 방향으로 작용합니다. 그러나 고도가 오를 때 압력이 꽤 빠르게 떨어지는 쪽이 보통 우세합니다. 그래서 조종사는 고도가 오르면 밀도가 감소한다고 보면 됩니다.
습도(수분)가 밀도에 미치는 영향
앞 문단은 완전히 마른 공기를 전제로 했습니다. 실제로는 완전히 마르지 않습니다. 대기에 떠 있는 약간의 수증기는 어떤 조건에서는 거의 무시할 수 있지만, 다른 조건에서는 항공기 성능의 중요 인자가 됩니다. 수증기는 공기보다 가볍습니다. 따라서 습한 공기는 마른 공기보다 가볍습니다. 공기 속 수분이 늘면 공기가 묽어져 밀도고도가 오르고 성능이 떨어집니다. 주어진 조건에서 수증기를 최대로 품었을 때 공기가 가장 가볍고 밀도가 가장 낮습니다.
습도, 곧 상대습도(relative humidity)는 대기가 품은 수증기량을 공기가 품을 수 있는 최대량에 대한 백분율로 나타낸 것입니다. 이 최대량은 온도에 따라 변합니다. 따뜻한 공기는 수증기를 더 많이 품고, 찬 공기는 더 적게 풉니다. 수증기가 전혀 없는 완전 건조 공기의 상대습도는 0%이고, 더 이상 품을 수 없는 포화 공기는 100%입니다. 습도만으로 밀도고도와 항공기 성능을 계산하는 필수 인자로 보지는 않는 편이지만, 기여 인자는 됩니다.
온도가 오르면 공기가 품을 수 있는 수증기가 늘어납니다. 따뜻하고 습한 기단(둘 다 공기를 가볍게 함)과 차고 건조한 기단(둘 다 무겁게 함)을 비교하면, 전자가 후자보다 밀도가 낮을 수밖에 없습니다. 압력·온도·습도는 밀도에 영향을 주어 항공기 성능에 크게 작용합니다. 습도가 밀도고도에 미치는 영향을 계산하는 경험법칙이나 차트는 없지만, 반드시 고려해야 합니다. 고습 조건에서는 전반 성능이 떨어진다고 보면 됩니다.
성능이란
성능(performance)은 항공기가 어떤 목적에 쓸모 있게 만드는 일을 해내는 능력을 가리키는 말입니다. 아주 짧은 거리에서 이착륙할 수 있는 능력은 짧고 비포장인 활주로를 드나드는 조종사에게 중요 인자입니다. 무거운 탑재를 싣고, 높은 고도를 빠른 속도로 날고, 먼 거리를 가는 능력은 항공사·임원용 항공기의 성능에 필수입니다.
성능의 영향을 가장 크게 받는 일차 인자는 이착륙 거리, 상승률, 상승한도, 탑재량, 항속거리, 속도, 기동성, 안정성, 연료 경제성입니다. 이 인자 중 일부는 서로 직접 대립합니다. 예를 들어 고속 대 짧은 착륙 거리, 긴 항속 대 큰 탑재, 높은 상승률 대 연료 경제성입니다. 이 인자 중 하나 이상이 두드러지는 정도가 항공기 사이의 차이를 만들고, 현대 항공기의 높은 전문화를 설명합니다.
항공기 성능의 여러 항목은 항공기와 동력장치의 특성이 합쳐진 결과입니다. 항공기의 공력 특성은 여러 비행 조건에서 필요한 출력과 추력을 대체로 정하고, 동력장치 특성은 여러 조건에서 쓸 수 있는 출력과 추력을 대체로 정합니다. 제작사는 공력 형상과 동력장치를 맞춰, 특정 설계 조건(예: 항속, 체공, 상승)에서 최대 성능을 냅니다.
수평 직선비행
비행 성능의 주요 구성은 모두 정상 상태 비행과 항공기의 평형을 전제로 합니다. 항공기가 안정된 수평비행을 유지하려면, 양력이 항공기 무게와 같고 동력장치 추력이 항공기 항력과 같은 평형이 되어야 합니다. 곧 항공기 항력이 안정된 수평비행을 유지하는 데 필요한 추력을 정합니다. 4장 비행 공기역학에서 다룬 것처럼, 항공기 모든 부분이 항력에 기여합니다. 양력면에서 오는 유도항력(induced drag)이거나 유해항력(parasite drag)입니다.
유해항력은 고속에서 우세하고, 유도항력은 저속에서 우세합니다. 예를 들어 100노트의 정상 비행에서 200노트로 가속하면 유해항력은 원래의 4배가 되지만, 그 항력을 이기는 데 필요한 출력은 원래의 8배입니다. 반대로 속도를 두 배로 한 정상 수평비행에서는 유도항력이 원래의 1/4이고, 그 항력을 이기는 데 필요한 출력은 원래의 1/2입니다.
항공기가 안정된 수평비행에 있으면 평형이 유지되어야 합니다. 무가속 비행은 양력이 무게와 같게 트림하고, 동력장치를 추력이 항력과 같게 맞춰 얻습니다.
항공기의 최대 수평비행 속도는 필요 출력(또는 추력)이 동력장치가 낼 수 있는 최대 출력(또는 추력)과 같아질 때 나옵니다. 최소 수평비행 속도는 보통 추력·출력 요구로 정해지지 않습니다. 실속이나 안정·조종 문제가 대체로 먼저 오기 때문입니다.
상승 성능 — 일과 에너지
항공기가 움직이고, 날고, 성능을 내려면 일이 작용해야 합니다. 일은 힘이 항공기를 움직이는 것입니다. 항공기는 움직일 때 역학적 에너지를 얻습니다. 역학적 에너지는 두 형태입니다. (1) 운동에너지(KE, Kinetic Energy), 속도의 에너지. (2) 위치에너지(PE, Potential Energy), 위치의 저장 에너지.
항공기 운동(KE)은 속도(대기속도)로 나타내고, 항공기 위치(PE)는 높이(고도)로 나타냅니다. KE와 PE는 모두 물체 질량에 정비례합니다. KE는 물체 속도(대기속도)의 제곱에 정비례하고, PE는 물체 높이(고도)에 정비례합니다. 아래 식이 이 에너지 관계를 요약합니다.
KE = ½ × m × v2
m = 물체 질량, v = 물체 속도
PE = m × g × h
m = 물체 질량, g = 중력장 세기, h = 물체 높이
다음 편은 추력과 출력의 구분, 최대상승각(VX)과 최대상승률(VY)입니다.
핵심 정리
- ● AFM/POH 성능 자료는 표·그래프, 표준대기·기압고도·밀도고도 기준이 제작사마다 다릅니다. 차이를 보고 수정하지 않으면 자료는 거의 쓸모가 없습니다.
- ● 해면 표준대기: 15°C / 59°F, 29.92 “Hg / 1,013.2 mb / 14.7 psi. 기온감률 약 2°C/1,000ft(36,000ft까지), 기압감률 약 1 “Hg/1,000ft(10,000ft까지).
- ● 기압고도는 29.92 “Hg인 표준데이텀면 위 높이입니다. 고도계를 29.92로 맞추거나, 보고된 수정치로 지시 고도를 고치거나, 비행계산기를 씁니다.
- ● 밀도고도는 비표준 온도로 수정한 기압고도입니다. 밀도가 줄면(밀도고도가 오르면) 출력·추력·양력이 함께 떨어집니다.
- – 보기: 기압고도 5,000ft, 표준 활주 790ft. 표준보다 20°C 높으면 밀도 층이 7,000ft 위, 활주는 1,000ft에 가깝습니다.
- ● 밀도는 압력에 정비례, 온도에 반비례합니다(다른 쪽이 일정할 때). 수증기는 공기보다 가벼워 습하면 밀도고도가 오릅니다. 습도 전용 차트는 없지만 고습이면 성능이 떨어집니다.
- ● 수평비행 평형은 양력=무게, 추력=항력입니다. 속도 2배면 유해항력 4배·필요 출력 8배, 유도항력 1/4·필요 출력 1/2입니다.
- ● 상승의 일은 역학적 에너지입니다. KE = ½mv2(속도의 제곱), PE = mgh(고도). 최대 수평속도는 필요 출력=최대 가용 출력일 때입니다.
이 글은 미국 연방항공청(FAA)의 Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge(FAA-H-8083-25B)(퍼블릭 도메인)를 번역·재구성한 시리즈입니다.
“성능 자료·밀도고도와 수평비행 — 조종사 핸드북 11장 (1/6)”에 대한 1개의 생각