역커맨드 영역과 이착륙 성능 — 조종사 핸드북 11장 (3/6)

앞 편은 추력·출력, V_X/V_Y와 항속에서 왕복엔진 희박 운전(BSFC)까지였습니다. 이번 편은 고도가 비항속을 깎는 조건, 역커맨드 영역, 이착륙 거리의 활주로·바람·무게입니다.

고도가 비항속을 깎는 때

따라서 고도를 올리면 비항속(specific range)이 줄어드는 것은, 늘어난 필요 출력이 엔진의 최대 순항 출력 정격을 넘을 때뿐입니다. 과급의 한 이점은 높은 고도에서도 순항 출력을 유지할 수 있어, 그에 맞는 TAS 증가와 함께 그 고도의 항속을 뽑을 수 있다는 점입니다. 고고도 순항과 저고도 순항의 주된 차이는 TAS와 상승에 쓰는 연료입니다.

역커맨드 영역

항공기의 공력 특성이 대체로 여러 비행 조건의 필요 출력을 정하고, 동력장치의 능력이 대체로 가용 출력을 정합니다. 안정된 수평비행에서는 평형이 유지되어야 합니다. 가속 없는 비행은 양력=무게이고, 동력장치가 추력=항력이 되도록 맞춰질 때 이루어집니다. 여러 대기속도에서 고도를 일정하게 유지하는 평형에 필요한 출력은 필요 출력 곡선으로 그립니다. 이 곡선이 보여 주는 사실은, 실속 또는 최소조종속도 근처의 낮은 대기속도에서는 안정된 수평비행에 필요한 출력 설정이 꽤 높다는 것입니다.

정상 커맨드 영역(region of normal command)의 비행은, 고도를 일정하게 유지할 때 대기속도가 높을수록 출력 설정도 높고, 대기속도가 낮을수록 출력 설정도 낮다는 뜻입니다. 항공기가 하는 비행의 대부분(상승, 순항, 기동)은 정상 커맨드 영역에서 이뤄집니다.

역커맨드 영역(region of reversed command)의 비행은, 고도를 유지하려면 대기속도가 높을수록 출력 설정은 낮고, 대기속도가 낮을수록 출력 설정은 높다는 뜻입니다. 출력을 줄이면 대기속도가 낮아진다는 뜻이 아닙니다. 역커맨드 영역은 저속 비행에서 만납니다. 최대체공속도(출력 곡선의 가장 낮은 점)보다 느린 속도에서는, 대기속도가 줄수록 더 높은 출력 설정이 필요합니다. 속도가 줄수록 필요 출력을 올려야 하는 것은 정상 커맨드와 반대이므로, 필요 출력 설정이 최소인 속도와 실속속도(또는 최소조종속도) 사이를 역커맨드 영역이라고 부릅니다. 역커맨드 영역에서 대기속도를 낮추면, 안정 비행을 유지하려고 출력 설정을 반드시 올려야 합니다.

그림 11-14는 최대 가용 출력을 곡선으로 보여 줍니다. 순항 출력처럼 더 낮은 출력 설정도 비슷한 곡선으로 나타납니다. 필요 출력 곡선의 가장 낮은 점은, 가장 낮은 제동마력으로 수평비행을 유지하는 속도입니다. 이를 최대체공 대기속도(best endurance airspeed)라고 합니다.

단거리 착륙을 위해 낮은 대기속도·높은 기수 자세로 파워 접근하는 비행기가 역커맨드 영역의 보기입니다. 침하율이 받아들여지지 않을 만큼 커지면, 출력을 넣어 강하를 줄이거나 멈출 수는 있습니다. 그러나 출력을 더 쓰지 않으면 실속하거나 착륙 플레어를 할 수 없을 가능성이 큽니다. 이 상황에서 출력 없이 기수만 낮춰 비행 속도를 되찾으면, 침하율이 급증하고 고도가 그만큼 빠집니다.

비행기 조종사는 역커맨드 영역의 낮은 비행 속도에서 대기속도를 정밀하게 다뤄야 합니다.

이착륙 성능 — 가속과 감속

조종사 원인 항공기 사고의 대부분은 이륙과 착륙 단계에서 납니다. 그래서 조종사는 이착륙 성능에 영향을 주는 변수를 모두 알고, 이 단계에서 정확하고 전문적인 절차를 지켜야 합니다.

이착륙 성능은 가속·감속 운동입니다. 이륙은 속도 0에서 시작해 이륙속도까지 가속해 공중에 뜹니다. 착륙은 착륙속도로 접지한 뒤 속도 0까지 감속합니다. 이착륙 성능의 중요한 인자는 다음입니다.

• 이륙 또는 착륙 속도는 대체로 실속속도 또는 최소 비행속도의 함수입니다.
• 이륙·착륙 활주 중의 가속/감속률. 어떤 물체가 겪는 속도 변화(가속과 감속)는 힘의 불균형에 정비례하고 질량에 반비례합니다. 활주로에서 75노트로 움직이는 비행기는 37노트일 때보다 에너지가 4배입니다. 따라서 정지 거리도 절반 속도일 때의 4배가 필요합니다.
• 이륙 또는 착륙 활주 거리는 가속/감속과 속도 둘 다의 함수입니다.

활주로 표면과 구배

활주로 상태는 이착륙 성능에 영향을 줍니다. 보통 성능 차트 정보는 포장되고, 수평이며, 매끄럽고, 건조한 활주로를 가정합니다. 활주로 두 본이 같은 경우는 없고, 표면도 구배(경사)도 활주로마다 다릅니다.

공항마다 만나는 표면은 콘크리트, 아스팔트, 자갈, 흙, 잔디로 크게 달라집니다. 특정 공항의 활주로 표면은 Chart Supplement U.S.(구 Airport/Facility Directory)에 나옵니다. (역주: 국내는 AIP·항공정보간행물에서 해당 공항 활주로 표면·구배를 확인하세요) 단단하고 매끄럽지 않은 표면은 이륙 활주를 늘립니다. 타이어가 활주로를 매끄럽게 굴러가지 못하기 때문입니다. 타이어는 부드럽거나 잔디, 진흙 활주로에 파고들 수 있습니다. 포장의 움푹 팬 곳이나 다른 홈도 타이어 진행을 나쁘게 합니다. 진흙, 눈, 고인 물 같은 장애물은 활주로를 내려가는 가속도를 줄입니다. 진흙·젖은 표면은 활주로와 타이어 사이 마찰을 줄이기도 하지만, 장애물로 작용해 착륙 거리를 줄일 수도 있습니다. 제동 효과도 활주로 종류를 다룰 때 빼놓을 수 없습니다. 표면 상태가 항공기의 제동 능력에 영향을 줍니다.

타이어를 스키드시키지 않고 브레이크에 넣을 수 있는 힘의 양을 제동 효과(braking effectiveness)라고 합니다. 이상적이지 않은 표면이 보고될 때에는, 이륙 가속과 착륙 감속에 활주로 길이가 충분한지 확인하십시오.

활주로의 구배 또는 경사는 활주로 길이에 대한 높이 변화량입니다. 구배는 백분율로 씁니다. 보기: 3% 구배는 활주로 길이 100피트마다 높이가 3피트 바뀐다는 뜻입니다. 양의 구배는 높이가 증가하고, 음의 구배는 높이가 감소합니다. 오르막 활주로는 가속을 방해해 이륙 지상 활주가 길어집니다. 다만 오르막에 착륙하면 착륙 활주는 보통 짧아집니다. 내리막 활주로는 이륙 가속을 도와 이륙 거리가 짧아집니다. 착륙은 반대입니다. 내리막 착륙은 착륙 거리를 늘립니다. 활주로 경사 정보는 Chart Supplement U.S.(구 Airport/Facility Directory)에 있습니다.

활주로 위 물과 동적 하이드로플레이닝

활주로 위 물은 타이어와 지면 사이 마찰을 줄여 제동 효과를 깎을 수 있습니다. 타이어가 하이드로플레이닝하면 물층이 타이어와 활주로를 갈라, 제동 능력을 완전히 잃을 수 있습니다. 활주로가 얼음으로 덮여 있을 때의 제동 효과도 마찬가지입니다.

활주로가 젖어 있으면 조종사는 동적 하이드로플레이닝(dynamic hydroplaning)에 맞닥뜨릴 수 있습니다. 동적 하이드로플레이닝은 항공기 타이어가 활주로 표면이 아니라 얇은 물막 위를 타는 상태입니다. 하이드로플레이닝 중인 바퀴는 활주로에 닿지 않으므로, 제동과 방향 조종은 거의 없습니다. 동적 하이드로플레이닝을 줄이려고 홈을 파 물을 빼는 활주로가 있으나, 대부분은 그렇지 않습니다.

타이어 압력은 동적 하이드로플레이닝의 인자입니다. 다음 식으로 하이드로플레이닝이 시작되는 최소 속도(노트)를 계산할 수 있습니다. 주륜 타이어 압력(psi)의 제곱근에 9를 곱합니다.

최소 동적 하이드로플레이닝 속도(반올림) = 9 × √(타이어 압력 psi)
보기: 주륜 압력이 36 psi이면 √36 = 6, 9 × 6 = 54노트에서 하이드로플레이닝이 시작됩니다.

권고 접지속도보다 빠르게 착륙하면 하이드로플레이닝 가능성이 커집니다. 그리고 한 번 시작되면, 처음의 최소 하이드로플레이닝 속도보다 훨씬 아래까지 이어질 수 있습니다.

젖은 활주로에서는 바람 속으로 착륙해 방향 조종을 최대로 가져갈 수 있습니다. 급격한 조종 입력은 피해야 합니다. 활주로가 젖어 있으면 착륙 전에 제동 문제를 예상하고 하이드로플레이닝에 대비하십시오. 바람과 가장 잘 정렬된 적당한 활주로를 고르십시오. 기계 제동이 먹히지 않을 수 있으므로, 공력 제동을 최대한 써야 합니다.

이륙 성능 — 속도·무게·바람

최소 이륙 거리는 어떤 항공기 운용에서나 일차 관심입니다. 활주로 요구를 정하기 때문입니다. 최소 이륙 거리는, 실속 위 충분한 여유와 만족스러운 조종·초기 상승률(ROC)을 주는 어떤 최소 안전 속도에서 이륙할 때 나옵니다. 일반적으로 이륙 형상에서 이륙속도는 실속속도 또는 최소조종속도의 어떤 고정 비율입니다. 따라서 이륙은 특정 양력계수와 받음각에서 이뤄집니다. 기종 특성에 따라 이륙속도는 실속속도 또는 최소조종속도의 1.05~1.25배입니다.

그 특정 이륙속도에서 최소 이륙 거리를 내려면, 항공기에 작용하는 힘이 이륙 활주 중 최대 가속을 줘야 합니다. 그 힘의 일부는 조종사가 다룰 수 있고 일부는 그렇지 않으며, 어떤 항공기에서는 이륙 가속을 최고로 유지하려고 절차가 따로 필요할 수 있습니다.

동력장치 추력이 가속을 주는 주된 힘이고, 최소 이륙 거리를 내려면 추력 출력이 최대여야 합니다. 속도가 붙는 즉시 양력과 항력이 생기고, 그 값은 받음각과 동압에 달립니다.

6장에서 다룬 것처럼, 엔진압력비(EPR, engine pressure ratio)는 터보제트 또는 터보팬에서 배기 압력(제트 블래스트)과 흡입(정압) 압력의 비입니다. EPR 게이지는 엔진이 내는 출력이 얼마인지를 알려 줍니다. EPR이 높을수록 엔진 추력도 높습니다. EPR은 엔진 과부스트를 피하고, 필요하면 이륙·복행 출력을 맞추는 데 씁니다. 이륙 전에 알아야 하는 정보이며, 항공기 성능을 정하는 데 도움이 됩니다.

올바른 절차 말고도 이륙 성능에 영향을 주는 변수가 많습니다. 이륙속도 또는 이륙 활주 중 가속률을 바꾸는 항목은 무엇이든 이륙 거리를 바꿉니다.

보기입니다. 총중량이 이륙 거리에 미치는 영향은 크고, 이륙 거리를 예측할 때 반드시 고려해야 합니다. 총중량 증가는 이륙 성능에 세 겹으로 작용한다고 볼 수 있습니다.

1. 더 높은 이륙속도
2. 가속해야 할 질량이 더 큼
3. 지연력(항력과 지면 마찰) 증가

총중량이 늘면, 이륙 양력계수에서 항공기를 띄우는 데 필요한 더 큰 양력을 내려고 더 큰 속도가 필요합니다. 총중량 변화의 보기: 이륙중량 21% 증가는 그 무게를 받치려고 이륙속도를 10% 올립니다.

총중량 변화는 알짜 가속력과, 가속되는 질량을 함께 바꿉니다. 추력 대 중량비가 비교적 큰 항공기에서는 알짜 가속력 변화는 작고, 가속에 미치는 주된 영향은 질량 변화입니다.

보기입니다. 이륙 총중량 10% 증가는 다음을 일으킵니다.

• 이륙속도 5% 증가
• 가속률 최소 9% 감소
• 이륙 거리 최소 21% 증가

ISA 조건에서 평균 세스나 182의 이륙중량을 2,400파운드에서 2,700파운드(11% 증가)로 올리면, 이륙 거리는 440피트에서 575피트(23% 증가)로 늘어납니다.

추력 대 중량비가 큰 항공기에서 이륙 거리 증가는 대략 21~22%일 수 있으나, 추력 대 중량비가 비교적 작은 항공기에서는 대략 25~30%입니다. 영향이 이만큼 크므로, 이륙 거리를 예측할 때 총중량을 제대로 넣어야 합니다.

바람이 이륙 거리에 미치는 영향도 크고, 이륙 거리를 예측할 때 반드시 넣어야 합니다. 정풍의 효과는 더 낮은 대지속도로 이륙속도에 이르게 하는 것이고, 배풍의 효과는 이륙속도에 이르려면 더 큰 대지속도가 필요하게 하는 것입니다.

이륙 대기속도의 10%인 정풍은 이륙 거리를 대략 19% 줄입니다. 그러나 이륙 대기속도의 10%인 배풍은 이륙 거리를 대략 21% 늘립니다. 정풍 속도가 이륙속도의 50%이면, 이륙 거리는 무풍 이륙 거리의 대략 25%(75% 감소)가 됩니다.

바람이 착륙 거리에 미치는 영향은 이륙 거리에서와 같습니다. 그림 11-19는 바람 속도 대 이착륙 속도의 비에 따른 이착륙 거리의 퍼센트 변화를 보여 줍니다.

올바른 이륙속도의 효과는 활주로 길이와 이륙 거리가 빠듯할 때 특히 큽니다. AFM/POH에 적힌 이륙속도는 대체로 항공기가 떠오를 수 있는 최소 안전 속도입니다. (역주: 국내는 해당 기종 AFM/POH를 확인하세요) 권고 속도 아래로 이륙하면 실속하거나, 조종하기 어렵거나, 초기 ROC가 매우 낮을 수 있습니다. 어떤 경우에는 과도한 받음각이 지면효과 밖으로의 상승을 허용하지 않을 수 있습니다. 반대로 이륙 때 대기속도가 지나치면 초기 ROC와 “감”은 나아질 수 있으나, 이륙 거리가 바람직하지 않게 늘어납니다. 가속이 본질적으로 그대로라고 보면, 이륙 거리는 이륙속도의 제곱에 비례합니다. 따라서 대기속도가 10% 초과이면 이륙 거리는 21% 늘어납니다. 대부분의 임계 이륙 조건에서 그런 증가는 허용되지 않으므로, 조종사는 권고 이륙속도를 지켜야 합니다.

밀도고도와 AFM/POH 예측

기압고도와 외기온의 효과는 밀도고도를 정하고, 밀도고도가 이륙 성능에 미치는 효과입니다. 이후 온도가 동력장치 성능의 어떤 항목에 미치는 보정은 따로 하는 것이 맞지만, 밀도고도는 이륙 성능에 특정 효과를 정합니다. 밀도고도 증가는 이륙 성능에 두 겹으로 작용할 수 있습니다.

1. 더 큰 이륙속도
2. 추력 감소와 알짜 가속력 감소

주어진 무게·형상의 항공기를 표준 해면보다 높은 고도에서 운용하면, 이륙 양력계수에서 공중에 뜨려면 같은 동압이 필요합니다. 따라서 고도의 항공기는 해면에서와 같은 지시대기속도(IAS)로 이륙하지만, 공기 밀도가 낮아 TAS는 더 큽니다.

밀도고도가 동력장치 추력에 미치는 영향은 동력장치 종류에 크게 달립니다. 표준 해면 위로 고도가 오르면, 과급 없는 왕복엔진은 출력 저하가 즉시 옵니다. 그러나 과급 왕복엔진은 임계 운용 고도를 넘기 전에는 고도 증가가 출력 저하를 일으키지 않습니다. 고도와 함께 추력이 감쇠하는 동력장치에서는, 알짜 가속력과 가속률에 미치는 영향을 밀도에 정비례한다고 근사할 수 있습니다. 실제로 이 가정은 추력 대 중량비가 큰 항공기의 효과에 가깝습니다.

이륙 활주 거리를 정확히 예측하려면 기압고도와 온도를 제대로 넣는 것이 필수입니다. 이륙 성능이 가장 빠듯한 조건은 높은 총중량, 고도, 온도, 불리한 바람의 어떤 조합입니다. 어떤 경우에도 조종사는 가용 활주로와 관계없이 AFM/POH 성능 자료로 이륙 거리를 정확히 예측하고, 다듬어진 전문적 이륙 절차를 지향해야 합니다.

AFM/POH 자료로 이륙 거리를 예측할 때 일차로 넣어야 할 고려는 다음입니다.

• 기압고도와 온도 — 밀도고도가 거리에 미치는 효과
• 총중량 — 거리에 큰 효과
• 바람 — 활주로를 따른 바람 또는 바람 성분의 큰 효과
• 활주로 경사와 상태 — 오르막의 효과와 눈·얼음 같은 지연 인자

다음 편은 착륙 성능입니다.

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