횡안정·방향안정과 선회 힘 — 조종사 핸드북 5장 (4/11)

앞 편은 지면효과 위험·세 축과 종안정이었습니다. 이번 편은 횡안정(롤)—다이히드러, 후퇴각, 킬 효과, 중량 배분—과 방향안정, 더치롤, 스파이럴 불안정, 날개 평면형, 그리고 선회에서 양력이 나뉘는 힘입니다.

횡안정 (롤)

종축 둘레의 안정, 곧 기수에서 기미로 이은 축 둘레의 안정을 횡안정(lateral stability)이라고 합니다. 한쪽 날개가 반대쪽보다 낮아져 생기는 롤을 바로잡는 성질입니다. 횡안정을 만드는 설계 요소는 크게 넷입니다. 다이히드러, 후퇴각, 킬 효과, 중량 배분입니다.

다이히드러

일부 항공기는 날끝이 날개뿌리보다 높게 설계합니다. 날개가 이루는 이 위쪽 각을 다이히드러(dihedral)라고 합니다.

돌풍이 롤을 일으키면 사이드슬립이 따라옵니다. 사이드슬립이 있으면 항공기 전체에 부는 상대풍이 슬립 쪽에서 옵니다. 상대풍이 옆에서 오면, 바람 속으로 미끄러져 들어가는 날개는 받음각이 커져 양력이 늘고, 바람에서 먼 날개는 받음각이 줄어 양력이 줍니다. 이 양력 차이가 바람 쪽 날개를 올리는 롤 모멘트를 만들어, 다이히드러는 사이드슬립에 대한 안정된 롤을 돕습니다.

후퇴각과 날개 위치

유효 다이히드러에 영향을 주는 형상 요소는 여럿이지만, 큰 것은 둘입니다. 날개 후퇴각, 그리고 동체 대비 날개 위치(저익·고익)입니다. 대략 후퇴각 10°가 유효 다이히드러 약 1°에 해당하고, 고익은 저익보다 유효 다이히드러가 약 5° 큽니다.

후퇴익은 앞전이 뒤로 기울어진 날개입니다. 흐트러짐으로 후퇴익 항공기가 슬립하거나 한쪽 날개가 내려가면, 낮은 날개의 앞전이 상대기류에 더 직각에 가깝게 드러납니다. 그 결과 낮은 날개의 양력이 커져 올라오고, 항공기는 원래 자세로 돌아갑니다.

킬 효과와 중량 배분

고익기는 종축을 상대풍 쪽으로 돌리려 하는 경향이 있고, 이를 킬 효과(keel effect)라고 합니다. 날개가 동체 높은 곳에 붙어 동체가 용골처럼 종축 둘레로 가로로 잡아 주므로, 그 자체로 횡안정입니다. 고익기가 흐트러져 한쪽 날개가 내려가면, 동체 무게가 진자처럼 작용해 수평으로 되돌립니다.

횡안정 항공기는 킬 면적의 더 큰 부분이 무게중심(CG) 위에 오도록 만듭니다. 한쪽으로 슬립하면, 항공기 무게와 킬 면적 윗부분에 부딪히는 기류 압력(둘 다 CG 둘레로 작용)이 날개를 수평으로 되돌리는 롤을 만듭니다.

방향안정 (요잉)

수직축 둘레의 안정(옆으로 도는 모멘트)을 요잉 또는 방향안정(directional stability)이라고 합니다. 항공기 설계에서 가장 얻기 쉬운 안정입니다. CG 뒤의 수직안정판 면적과 동체 옆면이 주된 기여 요소로, 항공기를 잘 알려진 풍향계나 화살처럼 기수가 상대풍을 가리키게 합니다.

풍향계를 보면, 피벗 앞과 뒤에 같은 면적이 바람에 드러나면 앞뒤 힘이 평형을 이루어 방향 운동이 거의 없습니다. 따라서 피벗보다 뒤에 면적이 더 커야 합니다.

마찬가지로 설계자는 CG보다 뒤쪽 옆면적을 앞보다 크게 해 양의 방향안정을 확보합니다. 동체가 주는 양의 안정에 더해 수직안정판을 답니다. 수직안정판은 화살의 깃처럼 직선비행을 유지합니다. 풍향계·화살과 같이, 이 판을 더 뒤에 두고 더 크게 만들수록 방향안정이 커집니다.

직선비행 중 옆바람 돌풍이 수직축 둘레로 살짝 돌리면(예: 오른쪽), 그 운동은 수직안정판이 늦추고 멈춥니다. 항공기가 오른쪽으로 도는 동안 공기가 수직안정판 왼쪽을 비스듬히 때리기 때문입니다. 판 왼쪽에 압력이 생겨 선회를 막고 요를 줄입니다. 이렇게 풍향계처럼 기수를 상대풍 쪽으로 돌립니다. 비행경로가 바뀌는 것은 보통 기수 방향 변화보다 조금 늦습니다. 따라서 오른쪽으로 살짝 요한 직후, 잠깐은 원래 경로로 가면서 종축만 살짝 오른쪽을 가리킵니다.

그 순간 항공기는 옆으로 스키딩하고, 요 운동은 멈췄어도 수직안정판 왼쪽의 과잉 압력은 남아 있다고 보면, 기수를 왼쪽으로 일부 되돌리려는 경향이 생깁니다. 곧 수직안정판이 만드는 잠깐의 복원 경향입니다.

이 복원 경향은 비교적 천천히 생기고, 스키딩이 멈추면 사라집니다. 사라질 때 항공기는 원래와 조금 다른 방향으로 납니다. 스스로 원래 기수로 돌아가지는 않으므로, 조종사가 처음 기수를 다시 잡아야 합니다.

후퇴각으로 방향안정을 조금 더 얻을 수도 있습니다. 날개에 후퇴각을 넣는 주된 이유는 고속 비행에서 압축성 시작을 늦추는 것입니다. 가볍고 느린 항공기에서는 후퇴각이 압력중심을 CG와 올바른 관계에 두는 데 도움이 됩니다. 종으로 안정한 항공기는 압력중심을 CG보다 뒤에 둡니다.

구조상 날개를 동체의 원하는 지점에 정확히 붙이지 못할 때가 있습니다. 날개를 너무 앞에, 동체에 직각으로 달면 압력중심이 충분히 뒤에 오지 않아 원하는 종안정을 못 얻습니다. 날개에 후퇴각을 넣으면 압력중심을 뒤로 옮길 수 있습니다. 후퇴각의 크기와 날개 위치가 압력중심을 올바른 자리에 둡니다.

난기류나 방향타 조작으로 한쪽 요가 생기면, 반대쪽 날개의 앞전이 상대기류에 직각으로 더 길게 드러납니다. 앞쪽 날개의 속도가 커지고 뒤쪽 날개보다 항력이 커집니다. 앞쪽 날개의 추가 항력이 그 날개를 뒤로 끌어, 항공기를 원래 경로로 돌립니다.

날개가 정적 방향안정에 기여하는 양은 보통 작습니다. 후퇴익은 후퇴각에 따라 안정 쪽으로 기여하지만, 다른 요소에 비하면 상대적으로 작습니다.

자유 방향 진동 (더치롤)

더치롤(Dutch roll)은 횡·방향이 결합된 진동입니다. 대개 동적으로는 안정이지만, 진동 자체 때문에 항공기에서는 안전하지 않습니다. 진동 모드의 감쇠는 항공기 특성에 따라 약할 수도 강할 수도 있습니다.

오른쪽 날개가 내려가면, 양의 사이드슬립각이 기수가 상대풍과 다시 맞기 전에 날개를 횡으로 바로잡습니다. 날개가 자세를 바로잡는 동안 횡·방향 진동이 생겨, 기수가 지평선에서 8자를 그립니다. 롤과 요 두 진동의 크기는 비슷하지만 위상이 어긋나 있기 때문입니다.

고속 후퇴익 설계를 제외한 대부분의 현대 항공기에서, 이 자유 방향 진동은 돌풍·난기류가 이어지지 않으면 보통 몇 주기 안에 저절로 잦아듭니다. 더치롤이 계속되는 항공기에는 보통 자이로 안정 요 댐퍼를 답니다. 제작사는 방향안정이 너무 크지도 작지도 않은 중간을 노립니다. 더치롤 경향보다 “스파이럴 불안정”이 낫다고 보아, 대부분의 항공기는 그 특성으로 설계합니다.

스파이럴 불안정

스파이럴 불안정(spiral instability)은 정적 방향안정이, 횡평형을 유지하는 다이히드러 효과보다 훨씬 클 때 생깁니다. 돌풍으로 횡평형이 깨지고 사이드슬립이 생기면, 강한 방향안정은 기수를 합성 상대풍 쪽으로 요시키는데, 비교적 약한 다이히드러는 횡평형을 되돌리는 데 늦습니다. 이 요 때문에 선회 모멘트의 바깥 날개가 안쪽 날개보다 빨리 앞으로 가 양력이 커집니다. 오버뱅킹 경향이 생기고, 조종사가 바로잡지 않으면 뱅크가 점점 가파라집니다. 동시에 상대풍 쪽으로 요시키는 강한 방향안정이 기수를 더 낮은 피치로 밀어 내립니다. 느린 하향 스파이럴이 시작되고, 조종사가 막지 않으면 가파른 스파이럴 강하로 커집니다. 보통 스파이럴 발산 속도는 매우 완만해서, 조종사가 큰 어려움 없이 그 경향을 다스릴 수 있습니다.

많은 항공기가 어느 정도는 이 특성을 띠며, 다른 보통 매개변수에서는 타고난 안정이어도 그렇습니다. 항공기를 “손 놓고” 무한히 날 수 없는 이유가 여기 있습니다.

이 불안정을 바로잡거나 없애려고 날개 수평 유지 장치(wing leveler) 같은 조종 장치를 개발하는 연구가 많이 이루어졌습니다. 스파이럴이 진행된 단계에서 회복 조종을 가할 때는, 구조에 과도한 하중이 걸리지 않게 조심해야 합니다. 스파이럴 불안정에서 회복을 잘못해 비행 중 구조 파괴로 이어진 일이, 일반항공 항공기 사망 원인 가운데 어떤 다른 요인보다 많았을 가능성이 큽니다. 스파이럴 상태에서 속도가 빨리 붙으므로, 속도를 줄이고 기수를 올리려고 승강타를 당기기만 하면 선회가 “조여져” 하중배수가 커집니다. 오래 방치된 스파이럴의 결과는 비행 중 구조 파괴, 지상 충돌, 또는 둘 다입니다. 이 상황에 빠진 조종사의 기록된 흔한 원인은 지평선 기준 상실, 계기로 항공기를 다루지 못함, 또는 둘의 결합입니다.

날개 평면형의 영향

날개 성능과 비행 특성을 배울 때 평면형(planform)의 영향을 이해하는 일이 중요합니다. 평면형은 바로 위에서 본 날개 모양이며, 3차원 기류를 다룹니다. 가로세로비, 테이퍼비, 후퇴각이 평면형 설계에서 날개 전체 공력 특성에 매우 중요합니다.

가로세로비(aspect ratio)는 날개 스팬 대 시위의 비입니다. 테이퍼비(taper ratio)는 평면형, 두께, 또는 둘 다일 수 있습니다. 가장 단순히는 날개뿌리에서 날끝으로 시위 또는 두께가 줄어드는 것입니다. 후퇴각은 날개·수평미익 또는 다른 익형 면이 뒤로 기울어진 것입니다.

설계자가 날개 평면형을 바꾸는 일반적 방법은 둘이고, 둘 다 날개 공력 특성에 영향을 줍니다. 첫째는 가로세로비를 바꾸는 것입니다. 가로세로비는 보통 날개의 3차원 특성과 양항비를 정하는 일차 요소입니다. 속도를 일정하게 두고 가로세로비를 키우면 항력이 줄고, 특히 높은 받음각에서 줄어 상승 자세에서 날개 성능이 좋아집니다.

가로세로비를 줄이면 항력이 그만큼 커집니다. 다만 가로세로비를 키우면 스팬이 길어지고 날개 구조 무게도 늘어, 같은 하중을 나르려면 날개가 더 무거워집니다. 그래서 항력 감소로 얻은 이득의 일부가 무게 증가로 상쇄되고, 이 서로 맞서는 조건에서 최선의 결과를 얻으려면 설계 타협이 필요합니다.

둘째 방법은 테이퍼, 곧 날개뿌리에서 날끝으로 시위를 줄이는 것입니다. 대체로 테이퍼는 항력을 줄이고(고속에서 효과가 큼) 양력을 늘립니다. 날개 무게가 줄어 구조적으로도 이득입니다.

훈련기·일반항공기는 대개 높은 양력계수에서 운용되므로 비교적 큰 가로세로비가 필요합니다. 매우 빠른 속도를 위해 개발된 항공기는 공력적으로 더 매끈하고 더 강해야 해서 작은 가로세로비가 필요합니다. 가로세로비가 매우 작으면 날개하중과 실속속도가 커집니다. 후퇴각과 작은 가로세로비를 결합하면, 큰 가로세로비의 보통 형상과 비행 특성이 크게 달라집니다. 이런 항공기는 특히 저속에서 매우 정밀하고 숙련된 조종 기법이 필요하고, 가로세로비가 큰 항공기는 보통 조종 실수에 더 관대합니다.

타원 날개는 주어진 가로세로비에서 유도항력이 최소인 이상적인 아음속 평면형입니다. 다만 실속 특성은 어떤 면에서 직사각 날개보다 못합니다. 만들기도 비교적 어렵습니다. 테이퍼 익형은 무게와 강성 면에서는 바람직하지만, 공력 효율은 타원 날개만 못합니다. 타원 날개의 공력 효율을 살리려고, 직사각·테이퍼 날개에 날개 비틀림과 익형 단면 변화를 주어 타원 날개의 양력 분포에 가깝게 다듬기도 합니다. 타원 날개는 실속 직전까지 양력계수가 가장 좋지만, 완전 실속의 사전 경고가 거의 없고, 에일러론 효과가 나빠 횡조종도 어려울 수 있습니다.

이에 비해 직사각 날개는 날개뿌리부터 실속하는 경향이 있어 실속 경고와 에일러론 효과가 충분하고, 대개 상당히 안정합니다. 그래서 저비용·저속 항공기 설계에 선호됩니다.

비행 기동의 공력

선회에서 작용하는 힘

직선수평비행 중인 항공기를 앞에서 보고, 작용하는 힘을 볼 수 있다면 양력과 무게 두 힘이 드러납니다. 뱅크가 있으면 양력은 무게와 정반대가 아니라 뱅크 방향으로 작용합니다. 선회의 기본 사실은 이렇습니다. 항공기가 뱅크하면 양력은 선회 중심 쪽으로, 횡축에 수직이면서 위쪽으로도 작용합니다.

뉴턴 운동 제1법칙, 관성 법칙에 따르면 정지했거나 직선으로 움직이는 물체는 다른 힘이 작용할 때까지 그 상태를 유지합니다. 항공기도 선회하려면 옆방향 힘이 필요합니다. 정상 선회에서 이 힘은 뱅크를 주어 양력이 안쪽과 위쪽으로 작용하게 해서 얻습니다. 선회 중 양력은 서로 직각인 두 성분으로 나뉩니다. 수직으로 무게(중력)와 반대인 성분을 “양력의 수직성분”이라 하고, 선회 중심 쪽으로 수평인 성분을 “양력의 수평성분” 또는 구심력(centripetal force)이라 합니다. 양력의 수평성분이 직선 경로에서 끌어내 선회하게 하는 힘입니다. 원심력(centrifugal force)은 방향 변화에 대한 항공기의 “같으면서 반대인 반작용”으로, 양력의 수평성분과 크기가 같고 방향이 반대입니다. 그래서 올바르게 수행한 선회에서 항공기를 돌리는 힘은 방향타가 아닙니다. 방향타는 기수와 기미가 상대풍을 향해 같은 직선 궤적을 벗어나면 그 편차를 고칩니다. 좋은 선회는 기수와 기미가 같은 경로를 따라가는 선회입니다. 선회에서 방향타를 쓰지 않으면 기수가 선회 바깥으로 요합니다. 선회에 들어갈 때 방향타로 기수를 상대풍과 다시 맞추고, 선회가 잡히면 방향타는 더 필요 없어야 합니다.

항공기는 배나 자동차처럼 조향하지 않습니다. 선회하려면 뱅크가 있어야 합니다. 뱅크가 없으면 직선 경로에서 벗어나게 할 힘이 없습니다. 반대로 뱅크가 있으면, 선회 안쪽으로 슬립하지 않는 한 돕니다. 좋은 방향 조종은 “뱅크하면 항공기가 선회하려 한다”는 사실에 기초합니다. 직선수평비행을 유지할 때도 이 점을 기억해야 합니다.

뱅크만 준다고 전체 양력이 바뀌지는 않습니다. 뱅크 중 양력이 수직·수평 성분으로 나뉘므로, 중력에 맞서 무게를 받치는 양력은 줄어듭니다. 따라서 양력을 더 만들지 않으면 고도가 빠집니다. 양력의 수직성분이 다시 무게와 같아질 때까지 받음각을 키웁니다. 뱅크가 커질수록 수직성분이 줄어들므로, 무게를 받칠 수직 양력을 만들려면 받음각을 단계적으로 더 키워야 합니다. 등고도 선회에서 조종사가 기억할 중요한 사실은, 고도를 지키려면 양력의 수직성분이 무게와 같아야 한다는 것입니다.

주어진 속도에서 선회율은 양력 수평성분의 크기에 달려 있습니다. 양력의 수평성분은 뱅크각에 비례합니다. 뱅크가 커지면 수평성분이 커져 선회율(ROT, rate of turn)이 커집니다. 따라서 주어진 속도에서 ROT는 뱅크각으로 조절합니다.

수평 선회에서 고도를 지킬 수직성분을 만들려면 받음각을 키워야 합니다. 익형 항력은 받음각에 정비례하므로, 양력이 늘면 유도항력도 늘고, 속도는 뱅크각에 비례해 떨어집니다. 작은 뱅크는 속도 감소가 작고, 큰 뱅크는 속도 감소가 큽니다. 수평 선회에서 속도가 빠지지 않게 추력을 더 넣어야 하고, 필요한 추가 추력은 뱅크각에 비례합니다.

선회 중 속도를 올리면 양력이 더 생기므로, 등고도를 지키려면 받음각을 줄이거나 뱅크각을 키워야 합니다. 뱅크를 고정한 채 받음각만 줄이면 ROT가 줄어듭니다. 속도가 커져도 ROT를 일정하게 유지하려면 받음각은 그대로 두고 뱅크각을 키웁니다.

속도가 커지면 선회 반경이 커지고, 원심력은 선회 반경에 정비례합니다. 올바르게 수행한 선회에서 양력의 수평성분은 원심력과 정확히 같고 반대여야 합니다. 등고도·등선회율에서 속도를 올리면 선회 반경이 커집니다. 반경이 커지면 원심력도 커지고, 이를 맞추려면 양력의 수평성분을 키워야 하며, 그 성분을 키우는 방법은 뱅크각을 키우는 것뿐입니다.

다음 편은 슬립·스키드 선회와 상승에서 작용하는 힘입니다.

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