슬립·스키드 선회와 실속 — 조종사 핸드북 5장 (5/11)

앞 편은 횡안정·방향안정과 선회 힘이었습니다. 이번 편은 슬립·스키드 선회, 상승·강하에서 작용하는 힘, 실속, 받음각 지시기입니다.

슬립 선회와 스키드 선회

슬립 선회(slipping turn)에서 항공기는 쓰고 있는 뱅크에 맞는 선회율로 돌지 않습니다. 기수가 선회 경로 바깥쪽으로 요해 있기 때문입니다. 뱅크가 선회율(ROT)보다 커서 양력의 수평성분이 원심력보다 큽니다. 수평성분과 원심력의 평형은 뱅크를 줄이거나, ROT를 키우거나, 둘을 함께 바꿔 다시 맞춥니다.

스키드 선회(skidding turn)는 원심력이 양력 수평성분보다 커서 항공기를 선회 바깥으로 당깁니다. ROT가 뱅크각보다 큽니다. 고치려면 ROT를 줄이거나, 뱅크를 키우거나, 둘을 함께 바꿉니다.

주어진 ROT를 유지하려면 뱅크각을 속도에 맞춰 바꿔야 합니다. 고속 항공기에서 특히 중요합니다. 예를 들어 400 mph에서는 표준율 선회(1초에 3°)를 하려면 뱅크가 약 44° 필요합니다. 이 뱅크에서 양력의 약 79%만 수직성분입니다. 수직 양력 손실을 받음각으로 메우지 않으면 고도가 빠집니다.

상승에서 작용하는 힘

실용적으로, 정상 정상상태 상승에서 날개 양력은 같은 속도의 정상 수평비행과 같습니다. 비행경로는 바뀌었지만, 기울어진 경로에 대한 날개 받음각은 거의 같은 값으로 돌아가고 양력도 그렇습니다. 처음 잠깐의 변화는 그림 5-36과 같습니다.

수평에서 상승으로 넘어갈 때, 승강타를 뒤로 처음 당기는 순간 양력이 바뀝니다. 기수를 올리면 받음각이 커져 양력이 잠깐 늘어납니다. 그 순간 양력이 무게보다 커서 상승이 시작됩니다. 위쪽 경사 경로가 안정되면 받음각과 양력은 다시 수평비행 값 근처로 돌아갑니다.

파워를 바꾸지 않고 상승에 들어가면 속도가 서서히 줄어듭니다. 수평비행에서 그 속도를 유지하던 추력으로는 상승에서 같은 속도를 못 지키기 때문입니다. 경로가 위로 기울면 항공기 무게의 한 성분이 전체 항력과 같은 방향, 평행으로 작용해 유효 항력을 키웁니다. 그래서 유효 항력이 파워보다 커져 속도가 떨어집니다. 속도가 줄면 항력도 줄다가, 전체 항력(같은 방향으로 작용하는 무게 성분 포함)이 추력과 같아집니다.

운동량 때문에 속도 변화는 점진적이고, 크기·무게·전체 항력 등에 따라 꽤 다릅니다. 따라서 유효 항력이 추력보다 커서 속도가 떨어집니다.

일반적으로 추력·항력, 양력·무게는 속도가 안정되면 다시 평형을 이루지만, 같은 파워의 직선수평비행보다 낮은 속도입니다. 상승 중 무게는 아래뿐 아니라 항력과 함께 뒤로도 작용하므로, 수평과 같은 속도를 지키려면 파워를 더 넣어야 합니다. 필요한 파워는 상승각에 달립니다. 파워가 모자랄 만큼 가파른 상승을 잡으면 더 느린 속도가 됩니다.

안정 상승에 필요한 추력은 항력에, 상승각에 따른 무게의 일정 비율을 더한 값입니다. 예를 들어 10° 상승이면 추력 = 항력 + 무게의 17%입니다. 수직 상승이면 추력 = 무게 전부 + 항력입니다. 따라서 상승 성능의 상승각은 무게의 일부를 이길 잉여 추력에 달립니다. 항공기가 상승을 유지하는 것은 잉여 추력 덕분입니다. 잉여 추력이 없어지면 더 이상 상승하지 못합니다. 그 지점이 “절대상승한도(absolute ceiling)”입니다.

강하에서 작용하는 힘

상승과 같이, 직선수평비행에서 강하에 들어가면 힘에 뚜렷한 변화가 있습니다. 다음 예는 수평비행과 같은 파워로 강하하는 경우입니다.

조종간을 밀어 강하를 시작하면 받음각이 잠깐 줄어듭니다. 처음에는 운동량 때문에 같은 경로를 잠깐 갑니다. 그 순간 받음각이 줄어 전체 양력이 줄고, 무게가 양력보다 커져 강하가 시작됩니다. 동시에 경로는 수평에서 강하 경로로 바뀝니다. 양력이 줄었다고 해서 수평을 유지할 양력을 못 만든다는 뜻은 아닙니다. 경로는 여유 추력과 승강타로 다루는 것입니다.

수평과 같은 속도로 강하하려면 강하에 들어가며 파워를 줄여야 합니다. 강하각이 커질수록 경로를 따라 앞으로 작용하는 무게 성분이 커지고, 반대로 수평으로 되돌릴 때는 강하각이 줄면서 그 성분이 줄어듭니다.

실속

항공기 실속은 임계 받음각을 넘겨 날개 면에서 기류가 박리되면서 양력이 급격히 줄어 생깁니다. 어떤 피치 자세, 어떤 속도에서도 날 수 있습니다. 실속하면 익형이 양력을 멈춘다고 믿는 조종사가 많아, 공기역학에서 가장 오해받는 부분 중 하나입니다. 실속 중에도 날개는 양력을 완전히 멈추지 않습니다. 수평비행을 유지할 만큼의 양력을 못 만들 뿐입니다.

양력계수(C_L)는 받음각과 함께 커지다가 정점을 찍고 떨어집니다. 이 정점이 C_L-MAX입니다. C_L-MAX 또는 임계 받음각을 넘으면 양력이 크게 떨어지지만, 앞에서 말했듯 완전히 멈추지는 않습니다.

대부분의 직선날개 항공기는 날개뿌리부터 실속하도록 만듭니다. 날개뿌리가 임계 받음각에 먼저 도달해 실속이 날끝 쪽으로 진행됩니다. 뿌리부터 실속하면 날끝 에일러론 효과가 남아 조종성을 지킵니다. 뿌리부터 실속시키는 설계는 여럿입니다. 하나는 날개를 “비틀어” 뿌리의 받음각을 더 크게 하는 것입니다. 앞전 안쪽 20–25%에 실속 스트립(stall strip)을 붙여 실속을 먼저 일으키는 방법도 있습니다.

실속 상태에서도 날개는 양력을 완전히 멈추지 않습니다. 멈추면 항공기는 그대로 떨어집니다. 대부분의 훈련기는 실속 때 기수가 떨어지도록 만들어, 받음각이 줄며 날개가 “실속에서 벗어나게” 합니다. 기수가 내려가는 경향은 양력중심이 무게중심(CG)보다 뒤에 있기 때문입니다. 실속 회복 특성에서 CG 범위는 매우 중요합니다. CG 범위 밖에서 운용하면 실속 회복이 어려울 수 있습니다. 가장 치명적인 위반은 후방 한계를 넘는 CG입니다. 이 경우 조종사가 승강타로 CG 뒤의 과잉 무게를 이길 힘을 못 만들 수 있습니다. 받음각을 줄이지 못하면 항공기는 실속 상태로 지면에 닿을 때까지 갑니다.

특정 항공기의 실속속도는 모든 비행 상황에서 고정값이 아닙니다. 다만 주어진 항공기는 속도·무게·하중배수·밀도고도와 관계없이 항상 같은 받음각에서 실속합니다. 각 항공기는 윗면에서 기류가 박리되어 실속하는 특정 받음각이 있습니다. 이 임계 받음각은 설계에 따라 대략 16°에서 20°입니다. 다만 각 항공기에는 실속하는 받음각이 하나뿐입니다.

임계 받음각을 가장 자주 넘는 비행 상황은 셋입니다. 저속, 고속, 선회입니다.

직선수평비행에서 너무 느리게 날아 실속할 수 있습니다. 속도가 줄면 고도를 지킬 양력을 유지하려고 받음각을 키워야 합니다. 속도가 더 낮을수록 받음각을 더 키웁니다. 결국 날개가 항공기를 받칠 양력을 못 만드는 받음각에 도달해 내려앉기 시작합니다. 속도를 더 줄이면 받음각이 임계각을 넘겨 날개 위 기류가 흐트러져 실속합니다.

실속에 저속이 필요한 것은 아닙니다. 어떤 속도에서도 날개를 과다 받음각으로 가져갈 수 있습니다. 예를 들어 100 kt로 급강하 중 승강타를 급히 당기는 경우입니다.

중력과 원심력이 경로를 바로 바꾸지 못하게 막지만, 받음각은 아주 낮은 값에서 아주 높은 값으로 갑자기 바뀝니다. 다가오는 공기에 대한 비행경로가 상대풍 방향을 정하므로, 받음각이 갑자기 커지고 항공기는 정상 실속속도보다 훨씬 큰 속도에서 실속각에 도달합니다.

수평 선회에서 실속속도는 직선수평비행보다 높습니다. 원심력이 무게에 더해지고, 날개는 원심력과 무게가 합친 하중을 상쇄할 추가 양력을 만들어야 합니다. 선회에서 이 추가 양력은 승강타를 당겨 얻습니다. 날개 받음각이 커져 양력이 늘습니다. 뱅크가 커질수록 원심력이 키우는 하중을 이기려면 받음각을 더 키워야 합니다. 선회 중 언제든 받음각이 과다해지면 실속합니다.

이 지점에서 실속 중 항공기 운동을 살펴봅니다. 공력적으로 균형을 맞추려고 양력중심은 보통 CG보다 뒤에 둡니다. 그래서 항공기는 타고난 기수 무겁지만, 수평안정판의 하향류가 이를 상쇄합니다. 실속 순간, 날개 양력의 위쪽 힘이 지속 비행에 필요한 값 아래로 줄고 꼬리의 아래쪽 힘이 효력을 잃거나 위쪽 힘으로 바뀌면 불평형이 됩니다. 항공기는 CG 둘레로 기수가 갑자기 내려갑니다. 기수 내림 자세에서 받음각이 줄고 속도가 다시 붙습니다. 날개 위 매끈한 기류가 돌아오고 양력이 돌아와 다시 납니다. 이 순환이 끝나기 전에 고도가 상당히 빠질 수 있습니다.

실속 논의에서는 익형 모양과 그 모양의 손상도 봐야 합니다. 예를 들어 얼음·눈·서리가 표면에 쌓이면 날개 위 매끈한 기류가 흐트러집니다. 경계층이 임계각보다 낮은 받음각에서 박리됩니다. 양력이 크게 줄어 예상 성능이 바뀝니다. 비행 중 얼음이 쌓이면 무게는 늘고 양력을 만드는 능력은 줄어듭니다. 윗면 얼음이 0.8 mm만 있어도 항력이 늘고 양력은 25% 줄어듭니다.

조종사는 어느 계절, 어느 지역에서도, 고도 18,000 ft까지, 때로는 더 위에서 착빙을 만날 수 있습니다. 소형기와 커뮤터기가 가장 취약합니다. 착빙이 더 흔한 낮은 고도를 나고, 제트기처럼 날개 앞전을 가열해 얼음을 막는 장치도 없는 경우가 많습니다.

구름 안에서 기온이 어는점 아래로 떨어지고 과냉각 물방울이 항공기에 붙어 얼면 착빙이 생깁니다. 과냉각 물방울은 32 °F(0 °C) 아래여도 아직 액체입니다.

받음각 지시기

FAA는 일반항공 합동 조종위원회(GAJSC, General Aviation Joint Steering Committee)와 함께, 일반항공 사고율을 줄이려는 여러 안전 이니셔티브 가운데 하나로 받음각 지시기를 권하고 있습니다. 받음각 지시기는 특히 조종 상실(LOC, Loss of Control) 사고를 겨냥합니다. 조종 상실은 일반항공과 상업항공 모두에서 사망 원인의 1위입니다. 일반항공 사망 사고의 25% 이상이 기동 단계에서 나고, 그중 절반은 실속/스핀 상황입니다. 받음각 지시기 같은 기술은 이 추세를 되돌리는 데 큰 영향을 줄 수 있고, 일반항공기에 점점 더 감당할 수 있는 가격이 되고 있습니다.

받음각 지시기의 목적은 익형의 공력 건강에 대한 조종사의 상황인식을 높이는 것입니다. 실속 여유(stall margin) 인식이라고도 합니다. 더 단순히는, 익형이 지금 나는 받음각과 실속하는 받음각(임계 받음각) 사이의 여유입니다.

받음각은 지상 교육에서 이론으로 배웁니다. 비행 훈련이 시작되면 학생은 대개 속도와 출판된 1G 실속속도만으로 실속을 피하려 합니다. 이 속도가 유효한 조건은 다음뿐입니다.

• 무가속 비행 (하중배수 1G)
• 조화 비행 (경사계 중앙)
• 한 가지 중량 (대개 최대 이륙중량)

속도만으로는 실속을 피하기에 믿을 수 없습니다. 비행기는 어떤 속도에서도 실속할 수 있습니다. 실속을 피하려면 받음각이 더 나은 매개변수입니다. 주어진 형상에서 비행기는 항상 같은 받음각, 곧 임계 받음각에서 실속합니다. 이 임계 받음각은 다음이 바뀌어도 바뀌지 않습니다.

• 무게
• 뱅크각
• 온도
• 밀도고도
• 무게중심

일반항공기에 받음각 지시기를 달면 이득이 여럿이고, 그중에서도 상황인식이 커집니다. 지시기가 없으면 받음각은 조종사에게 “보이지 않습니다.” 이 장치는 여러 매개변수를 동시에 재어 현재 받음각을 구하고, 현재 받음각과 임계 받음각까지의 거리를 시각으로 보여 줍니다. 비행기의 에너지 관리 상태를 시각으로 보여 줄 수도 있습니다. 비행기의 에너지 관리 상태는 속도·고도·항력·추력의 균형이며, 익형이 얼마나 효율적으로 일하는지를 나타냅니다. 익형이 더 효율적으로 일할수록 실속 여유가 큽니다. 비행기의 에너지 상태에 대한 상황인식이 커지면, 조종사는 실속/스핀으로 이어지는 LOC를 막는 데 필요한 정보를 갖습니다. 또한 비행을 유지하는 데 쓰는 에너지가 적을수록 전체 효율이 커지고, 대개 연료 절감으로 나타납니다. 곧 조종사의 운용 비용이 낮아집니다.

다음 편은 받음각 지시기 훈련·장착·한계, 그리고 프로펠러 기본 원리입니다.

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