스태빌레이터·플랩과 트림 — 조종사 핸드북 6장 (2/2)

앞 편은 주조종면·에일러론·승강타와 T형 꼬리였습니다. 이번 편은 스태빌레이터와 카나드, 방향타와 V형 꼬리, 보조조종면과 트림, 오토파일럿까지 6장을 마칩니다.

스태빌레이터

3장 항공기 구조에서 말한 대로, 스태빌레이터(stabilator)는 본질적으로 한 장의 수평안정판이 중앙 힌지를 중심으로 도는 것입니다. 조종기둥을 당기면 스태빌레이터 뒷전이 올라가 기수를 당깁니다. 조종기둥을 밀면 스태빌레이터 뒷전이 내려가 기수를 숙입니다.

스태빌레이터는 중앙 힌지를 중심으로 돌므로, 조종 입력과 공기역학 하중에 매우 민감합니다. 민감도를 줄이려고 뒷전에 안티서보탭(antiservo tab)을 넣습니다. 안티서보탭은 스태빌레이터와 같은 방향으로 꺾입니다. 스태빌레이터를 움직이는 데 필요한 힘이 커져, 조종사가 과조종하기 어렵게 됩니다. 또한 주스파 앞에 균형추(balance weight)를 두는 일이 많습니다. 균형추는 미익 안으로 돌출하거나, 스태빌레이터 팁의 앞쪽에 넣기도 합니다.

카나드

카나드(canard) 설계는 양력면이 둘이라는 개념을 씁니다. 카나드는 주날개 앞에 있는 수평안정판 구실을 합니다. 사실 카나드는 일반 후방 꼬리의 수평면과 비슷한 익형이지만, 차이는 분명합니다. 카나드는 실제로 양력을 만들어 기수를 들어 주고, 후방 꼬리 설계는 꼬리에 하향력을 주어 기수가 아래로 도는 것을 막습니다.

카나드 설계는 항공 초창기까지 거슬러 갑니다. 가장 유명한 것은 라이트 플라이어입니다. 최근에 카나드 배치가 다시 관심을 얻어 새 항공기에도 나타납니다. 카나드 설계는 두 가지입니다. 하나는 일반 후방 꼬리와 비슷한 크기의 수평면이고, 다른 하나는 후방 날개와 크기·익형이 비슷한 면으로, 탠덤 날개(tandem wing) 배치라 합니다. 이론상 카나드가 더 효율적이라고 봅니다. 수평면이 항공기 무게를 들어 주는 데 보태면, 같은 양력에 항력이 더 적어야 하기 때문입니다.

방향타

방향타(rudder)는 수직축을 중심으로 항공기 운동을 조종합니다. 이 운동을 요(yaw)라 합니다. 다른 주조종면과 같이 방향타는 고정면에 힌지로 붙은 가동면이며, 이 경우 고정면은 수직안정판 또는 핀입니다. 방향타는 좌우 방향타 페달로 조종합니다.

방향타를 기류 속으로 꺾으면 반대 방향으로 수평력이 생깁니다. 왼쪽 페달을 밀면 방향타가 왼쪽으로 갑니다. 수직안정판·방향타 주위 기류가 바뀌어 옆양력이 생기고, 꼬리는 오른쪽으로, 기수는 왼쪽으로 요합니다. 방향타 효과는 속도가 오를수록 커집니다. 따라서 원하는 반응을 얻으려면 낮은 속도에서는 크게, 높은 속도에서는 작게 꺾으면 됩니다. 프로펠러기에서는 방향타 위를 흐르는 슬립스트림이 있으면 효과가 더 커집니다.

V형 꼬리

V형 꼬리(V-tail) 설계는 기울어진 꼬리 면 두 장으로, 일반 승강타·방향타 배치의 면과 같은 일을 합니다. 고정면이 수평안정판과 수직안정판을 겸합니다.

가동면은 보통 러더베이터(ruddervator)라 하며, 특수 링크로 연결되어 조종륜이 두 면을 동시에 움직이게 합니다. 반면 방향타 페달을 움직이면 두 면이 서로 다르게 움직여 방향 조종을 줍니다.

조종사가 방향타와 승강타 조종을 함께 쓰면, 조종 혼합 기구가 각 면을 알맞은 양만큼 움직입니다. V형 꼬리의 조종계통은 일반 꼬리보다 더 복잡합니다. 또한 V형 꼬리는 일반 꼬리보다 더치롤(Dutch roll) 경향에 더 취약하고, 항력 감소 총량은 미미합니다.

보조조종면

보조조종계통은 날개 플랩, 앞전 장치, 스포일러, 트림 계통으로 이루어질 수 있습니다.

플랩

플랩은 항공기에서 가장 흔한 고양력 장치입니다. 날개 뒷전에 붙는 이 면은 어떤 받음각에서든 양력과 유도항력을 모두 키웁니다. 필요할 때 내리고 필요 없을 때 날개 구조 안으로 넣으므로, 높은 순항 속도와 낮은 착륙 속도 사이의 타협이 됩니다. 흔한 플랩은 네 가지입니다. 플레인, 스플릿, 슬로티드, 파울러입니다.

플레인 플랩(plain flap)은 네 가지 중 가장 단순합니다. 익형 캠버를 키워 같은 받음각에서 양력계수(CL)가 크게 오릅니다. 동시에 항력이 크게 늘고 압력중심(CP)이 익형에서 뒤로 가, 기수 내림 피치 모멘트가 생깁니다.

스플릿 플랩(split flap)은 익형 아랫면에서 꺾이며, 플레인 플랩보다 양력 증가가 약간 더 큽니다. 익형 뒤에 난류가 생겨 항력은 더 큽니다. 끝까지 내리면 플레인과 스플릿 모두 양력 추가는 거의 없이 항력이 큽니다.

오늘날 항공기에서 가장 많이 쓰는 플랩은 슬로티드 플랩(slotted flap)입니다. 이 설계의 변형은 소형기에도, 대형기에도 씁니다. 슬로티드 플랩은 플레인이나 스플릿보다 양력계수를 훨씬 더 키웁니다. 소형기에서는 힌지가 플랩 아랫면보다 아래에 있어, 플랩을 내리면 날개의 플랩 웰과 플랩 앞전 사이에 덕트가 생깁니다. 슬로티드 플랩을 내리면 아랫면의 고에너지 공기가 덕트를 통해 플랩 윗면으로 갑니다. 슬롯의 고에너지 공기가 윗면 경계층을 가속하고 박리를 늦춰, 더 높은 CL을 줍니다. 따라서 슬로티드 플랩은 플레인이나 스플릿보다 최대 양력계수(CL-MAX)를 훨씬 더 키웁니다. 슬로티드 플랩에도 여러 형이 있으며, 대형기는 이중·삼중 슬로티드 플랩을 쓰는 일이 많습니다. 플랩 위 기류가 박리되어 양력을 잃지 않으면서 항력을 최대로 키울 수 있습니다.

파울러 플랩(Fowler flap)은 슬로티드 플랩의 한 종류입니다. 이 설계는 날개 캠버만 바꾸는 것이 아니라 날개 면적도 키웁니다. 힌지를 중심으로 아래로 도는 대신, 트랙을 따라 뒤로 미끄러집니다. 내림의 앞부분에서는 항력이 거의 늘지 않고, 면적과 캠버가 모두 커져 양력은 크게 늘습니다. 조종사는 플랩을 내리면 기종에 따라 기수 올림 또는 기수 내림 피치 모멘트가 생길 수 있음을 알아야 하며, 보통 트림으로 보정합니다. 내림이 이어지면 플랩이 아래로 꺾입니다. 행정의 마지막 부분에서는 양력 추가는 거의 없이 항력이 늘습니다.

앞전 장치

고양력 장치는 익형 앞전에도 달 수 있습니다. 가장 흔한 형은 고정 슬롯, 가동 슬랫, 앞전 플랩, 커프입니다.

고정 슬롯(fixed slot)은 기류를 날개 윗면으로 보내 높은 받음각에서 박리를 늦춥니다. 슬롯은 날개 캠버를 키우지는 않지만, 실속이 더 큰 받음각까지 미뤄져 최대 CL이 더 커집니다.

가동 슬랫(movable slat)은 트랙 위를 움직이는 앞전 조각입니다. 낮은 받음각에서는 날개 앞전에 생기는 고기압이 각 슬랫을 앞전에 밀착시킵니다. 받음각이 커지면 고기압 영역이 날개 아랫면 뒤로 이동해, 슬랫이 앞으로 나갈 수 있습니다. 다만 어떤 슬랫은 조종사가 조작하며, 어떤 받음각에서도 펼 수 있습니다. 슬랫을 열면 날개 아래 공기가 윗면으로 흐르며 박리를 늦춥니다.

앞전 플랩(leading edge flap)은 뒷전 플랩처럼 CL-MAX와 날개 캠버를 모두 키웁니다. 이 앞전 장치는 뒷전 플랩과 함께 쓰는 일이 많고, 뒷전 플랩이 만드는 기수 내림 피치 운동을 줄일 수 있습니다. 뒷전 플랩과 마찬가지로, 앞전 플랩을 조금 내리면 항력보다 양력이 훨씬 더 늘습니다. 플랩을 더 내리면 항력이 양력보다 더 빨리 늘습니다.

앞전 커프(leading edge cuff)도 앞전 플랩·뒷전 플랩처럼 CL-MAX와 날개 캠버를 키웁니다. 앞전 플랩·뒷전 플랩과 달리 앞전 커프는 고정 공기역학 장치입니다. 대부분의 경우 앞전 커프는 앞전을 아래·앞으로 늘립니다. 높은 받음각에서 기류가 날개 윗면에 더 잘 붙어, 실속 속도가 낮아집니다. 고정이므로 최대 순항 속도에서 손해를 보지만, 최근 설계·기술 발전으로 이 손해는 줄었습니다.

스포일러

일부 고정익기에 있는 고항력 장치인 스포일러(spoiler)는 날개에서 펼쳐져 매끈한 기류를 깨뜨립니다. 양력을 줄이고 항력을 키웁니다. 글라이더에서는 정확한 착륙을 위해 강하율을 조종하는 데 가장 많이 씁니다. 다른 항공기에서는 롤 조종에 쓰는 일이 많으며, 이점 중 하나는 불리요가 없어진다는 것입니다. 예를 들어 우선회하려면 오른쪽 날개 스포일러를 올립니다. 오른쪽 양력 일부가 사라지고 항력이 더 생깁니다. 오른쪽 날개가 떨어지고, 항공기는 오른쪽으로 뱅크하고 요합니다. 양쪽 날개 스포일러를 동시에 펼치면 속도가 붙지 않고 강하할 수 있습니다. 착륙 후 지상 활주를 줄이는 데도 펼칩니다. 양력을 없애 무게를 바퀴로 옮겨 제동이 더 잘 먹게 합니다.

트림 계통

항공기는 자세, 속도, 출력의 넓은 범위에서 운용할 수 있지만, 핸즈오프 비행이 되도록 설계되는 조합은 매우 한정됩니다. 트림 계통은 조종사가 조종기에 일정한 압력을 유지하지 않아도 되게 해 주고, 보통 조종석 조종기와 주조종면 하나 이상의 뒷전에 힌지로 붙은 작은 장치로 이루어집니다. 조종사 업무 부담을 줄이도록 설계된 트림 계통은, 붙은 조종면의 움직임과 위치를 공기역학으로 돕습니다. 흔한 트림 계통은 트림탭, 밸런스탭, 안티서보탭, 지상 조절 탭, 가변 수평안정판입니다.

트림탭

소형기에서 가장 흔한 설치는 승강타 뒷전에 붙은 트림탭 하나입니다. 대부분의 트림탭은 세로로 달린 작은 조종 휠로 수동 조작합니다. 다만 일부 항공기에는 트림 크랭크가 있습니다. 조종석 조종기에는 트림탭 위치 지시기가 있습니다. 트림 조종기를 기수 내림 끝까지 두면 트림탭은 위 끝까지 갑니다. 트림탭이 위로 기류 속에 들어가면, 수평꼬리 면 위 기류가 승강타 뒷전을 아래로 밉니다. 꼬리가 올라가고 기수가 내려갑니다.

트림탭을 기수 올림 끝까지 두면 탭은 아래 끝까지 갑니다. 이때 수평꼬리 면 아래를 흐르는 공기가 탭을 때려 승강타 뒷전을 위로 밀고, 승강타 받음각을 줄입니다. 꼬리가 내려가고 기수가 올라갑니다.

트림탭과 승강타의 방향이 반대인데도, 트림 조종은 조종사에게 자연스럽습니다. 조종기둥을 계속 당겨야 하면 기수 올림 트림이 필요함을 뜻합니다. 정상 트림 절차는, 항공기가 평형이 되고 기수 무거움이 더 이상 느껴지지 않을 때까지 트림을 이어 가는 것입니다. 조종사는 보통 원하는 출력, 피치 자세, 형상을 먼저 잡고, 그다음 그 비행 상태에 있는 조종 압력을 덜려고 트림합니다. 출력, 피치 자세, 형상이 바뀌면 새 비행 상태의 조종 압력을 덜려고 다시 트림해야 합니다.

밸런스탭

어떤 항공기는 조종력이 과하게 클 수 있어, 제작사가 밸런스탭(balance tab)을 씁니다. 생김새는 트림탭과 같고 힌지 위치도 거의 같습니다. 본질적 차이는, 밸런스탭이 조종면 로드에 연결되어 주조종면이 어느 쪽으로 움직이든 탭이 자동으로 반대 방향으로 움직인다는 점입니다. 탭을 때리는 기류가 주조종면에 걸린 공기 압력의 일부를 상쇄해, 조종사가 조종기를 더 쉽게 움직이고 조종면을 그 위치에 유지할 수 있습니다.

밸런스탭과 고정면 사이 링크를 조종석에서 조절할 수 있으면, 이 탭은 원하는 편향으로 맞출 수 있는 트림·밸런스 겸용 탭이 됩니다.

서보탭

서보탭(servo tab)은 앞에서 말한 트림탭과 작동·생김새가 매우 비슷합니다. 서보탭은 비행 조종면의 작은 부분으로, 조종사가 원하는 쪽으로 조종면 전체를 움직이도록 펼쳐집니다. 서보탭은 동적 장치로, 조종사 업무 부담을 줄이고 항공기를 덜 안정하게 만들도록 펼쳐집니다. 서보탭은 플라이트탭(flight tab)이라고도 하며, 주로 대형기에 씁니다. 조종면을 움직이고 원하는 위치에 유지하는 데 조종사를 돕습니다. 조종사의 비행 조종기 움직임에 반응해 움직이는 것은 서보탭뿐이고, 서보탭에 걸린 기류의 힘이 주조종면을 움직입니다.

안티서보탭

안티서보탭은 밸런스탭과 같은 방식으로 일하되, 반대 방향으로 움직이는 대신 스태빌레이터 뒷전과 같은 방향으로 움직입니다. 스태빌레이터의 민감도를 줄이는 데 더해, 안티서보탭은 조종 압력을 덜고 스태빌레이터를 원하는 위치에 유지하는 트림 장치 구실도 합니다. 링크의 고정 끝은 탭의 혼과 반대쪽 면에 있습니다. 스태빌레이터 뒷전이 올라가면 링크가 탭 뒷전을 위로 밀고, 스태빌레이터가 내려가면 탭도 내려갑니다. 반대로 승강타의 트림탭은 조종면과 반대로 움직입니다.

지상 조절 탭

많은 소형기는 방향타에 움직이지 않는 금속 트림탭이 있습니다. 이 탭은 지상에서 한쪽으로 구부려 방향타에 트림력을 줍니다. 올바른 변위는 시행착오로 정합니다. 보통 정상 순항에서 항공기가 더 이상 좌우로 미끄러지지 않을 때까지 조금씩 조절합니다.

가변 수평안정판

승강타 뒷전의 가동 탭 대신, 어떤 항공기는 가변 수평안정판(adjustable stabilizer)을 씁니다. 이 배치에서는 링크가 수평안정판을 뒷스파를 중심으로 돌립니다. 스태빌레이터 앞전에 달린 잭스크루(jackscrew)로 이 일을 합니다. 소형기에서는 잭스크루를 트림 휠 또는 크랭크로 케이블 조작합니다. 대형기에서는 모터로 돌립니다. 가변 수평안정판의 트림 효과와 조종석 지시는 트림탭과 비슷합니다.

오토파일럿

오토파일럿(autopilot)은 항공기를 수평비행 또는 설정 코스에 유지하는 자동 비행 조종계통입니다. 조종사가 지시하거나, 무선 항법 신호에 결합할 수 있습니다. 오토파일럿은 조종사의 신체·정신 부담을 줄이고 안전을 높입니다. 오토파일럿에서 흔한 기능은 고도 유지와 침로 유지입니다.

가장 단순한 계통은 자이로 자세지시기와 자기 나침반으로, 비행 조종계통에 연결된 서보를 조종합니다. 서보의 수와 위치는 계통의 복잡도에 달립니다. 예를 들어 단축 오토파일럿은 종축을 중심으로 항공기를 조종하고, 서보가 에일러론을 움직입니다. 3축 오토파일럿은 종축, 횡축, 수직축을 중심으로 항공기를 조종합니다. 서보 셋이 에일러론, 승강타, 방향타를 움직입니다. 더 앞선 계통은 종종 수직속도 및/또는 지시대기속도 유지 모드를 넣습니다. 앞선 오토파일럿 계통은 플라이트 디렉터를 통해 항법 보조시설에 결합됩니다.

오토파일럿 계통에는 계통을 자동 또는 수동으로 해제하는 분리 안전 기능도 들어갑니다. 이 오토파일럿은 관성항법계통, 위성항법계통(GPS), 비행 컴퓨터와 함께 항공기를 조종합니다. 플라이바이와이어 계통에서는 오토파일럿이 통합 구성품입니다.

또한 오토파일럿은 수동으로 덮어쓸 수 있습니다. 오토파일럿 계통은 작동 방식이 크게 다르므로, 항공기비행교범(AFM, Airplane Flight Manual) 또는 조종사운영교범(POH, Pilot’s Operating Handbook)의 오토파일럿 작동 지시를 보십시오. (역주: 국내는 해당 기종의 비행교범·POH 기준이 다를 수 있으니 확인 필요)

장 요약

비행 조종계통과 공기역학 특성은 항공기마다 크게 달라지므로, 조종사는 자신이 나는 항공기의 주조종·보조조종 계통을 숙지해야 합니다. 이 정보의 일차 출처는 AFM 또는 POH입니다. 여러 제작사·소유 단체 웹사이트도 추가 정보의 값진 출처가 될 수 있습니다.

다음 편은 7장 항공기 시스템입니다.

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