(8) Aerodynamic Forces in Flight Maneuvers

Aerodynamic Forces in Flight Maneuvers

 

Forces in Turns

 

직진수평비행중인 항공기의 양력과 무게는 다음과 같이 작용한다. [그림 5-34] 만약 항공기에 bank가 가해지면 양력은 무게에 반대로 작용하지 않는 대신 bank 방향으로 작용한다. 항공기 선회 시 양력은 선회의 중심쪽으로, 그리고 가로축으로부터 수직으로 작용한다.

정지해 있거나 직진하는 물체는 다른 힘에 의해 작용하기 전까지는 정지해 있거나 계속하여 움직인다(관성의 법칙 [뉴턴의 제 1법칙]). 항공기가 선회를 수행하기 위해서는 측면으로 향하는 힘이 필요하다. 정상 선회도중 이 힘은 bank를 통해 양력이 안쪽으로, 그리고 위쪽으로 가해지면 발생한다. 선회 도중 양력은 서로 직각을 이루는 두 가지 구성 요소로 분리된다. 하나는 “양력의 수직 성분(vertical component of lift)”으로 이는 무게(중력)에 반대로 작용한다. 다른 하나는 “양력의 수평 성분(horizontal component of lift)”으로 이는 선회의 중심을 향해 작용한다. 양력의 수평 성분이란 항공기를 선회시키기 위해 항공기를 직진비행경로로부터 당기는 힘이다. 원심력이란 항공기의 방향 변화에 대한 반작용으로 이는 양력의 수평 성분과 동일하며 서로 반대로 작용한다. 이는 항공기를 선회시키는 힘이 rudder에 의해 만들어지지 않는 이유를 설명한다. rudder는 항공기의 세로축 경로를 상대풍과 정렬시키기 위해 사용된다. 항공기의 기수와 꼬리가 같은 경로를 따라 이동하는 선회가 좋은 선회이다. 만약 선회 도중 rudder를 사용하지 않으면 항공기의 기수가 선회 바깥으로 yaw 한다. 선회 진입 시 rudder를 사용하여 기수가 상대풍에 연장되도록 만든다. 선회가 완성되면 rudder는 이제 필요하지 않다.

 

항공기는 보트나 자동차처럼 조종되지 않는다. 항공기를 선회시키기 위해서는 반드시 bank가 가해져야 한다. bank가 가해지지 않으면 항공기가 직진비행경로로부터 벗어날 힘이 없다. 반대로 bank가 가해지면 항공기가 선회한다(단, 선회의 안쪽으로 slip하지 않은 경우). bank가 가해질 때마다 항공기는 선회를 수행하려 시도한다. 따라서 직진수평비행을 수행하는 조종사는 이 사실을 명심해야 한다.

 

bank가 가해진다 하여 총 양력이 달라지지는 않는다. 대신 bank가 가해지면 양력이 수직 성분와 수평 성분으로 나뉘기 때문에 항공기 무게를 지탱하는 양력의 양은 줄어든다. 따라서 추가 양력이 생성되지 않으면 고도가 떨어진다. 때문에 양력의 수직 성분이 다시 무게와 같아질 때까지 받음각을 증가시켜야 한다. 양력의 수직 성분은 bank angle이 증가할수록 감소하므로 받음각이 점진적으로 증가해야 한다. 수평 선회를 수행할 때 기억해야 할 중요한 것은 고도를 유지하기 위해선 양력의 수직 성분이 무게와 같아야 한다는 것이다.

 

특정 속도에 대한 항공기의 선회율은 양력의 수평 성분 크기에 따라 달라진다. 양력의 수평 성분은 bank angle에 비례한다. 즉, bank angle이 증가하거나 감소함에 따라 양력의 수평 성분이 증가하거나 감소한다. bank angle이 증가하면 양력의 수평 성분이 증가하여 선회율(ROT – rate of turn)이 증가한다. 결과적으로 특정 속도에 대한 선회율은 bank angle을 통해 제어될 수 있다.

 

수평 선회 도중 고도가 유지될 수 있을 정도로 충분한 수직 양력 성분을 만들려면 받음각이 증가되어야 한다. 에어포일의 항력은 받음각에 정비례하므로 양력이 증가할수록 유도 항력이 증가한다. 때문에 이로 인하여 bank angle에 비례해서 대기 속도가 줄어든다. bank angle이 작으면 대기 속도가 약간 감소한다. 허나 bank angle이 크면 대기 속도가 많이 감소한다. 수평 선회 도중 대기 속도가 감소하지 않도록 추력(출력)을 가해야 한다. 필요한 추력의 양은 bank angle에 비례한다.

 

선회 도중 대기 속도가 증가하면 양력이 추가된다. 만약 일정한 고도를 유지하고 싶다면 이러한 추가 양력을 보상하기 위해 받음각을 감소시키거나  bank angle을 증가시켜야 한다. bank angle을 일정하게 유지하고 받음각을 감소시키면 선회율이 감소한다. 속도가 증가할 때 선회율을 일정하게 유지하기 위해서는 받음각을 일정하게 유지하되 bank angle을 증가시켜야 한다.

 

대기 속도가 증가하면 선회 반경이 증가하며 선회 반경이 증가하면 원심력이 증가한다. 올바르게 선회가 수행되면 양력의 수평 성분이 원심력과 정확히 동일하며 서로 반대로 작용한다. 일정한 선회율로 수평 선회를 수행하던 도중 대기 속도가 증가하면 선회 반경이 증가한다. 이는 원심력을 증가시키므로 양력의 수평 성분을 증가시켜서(즉, bank angle을 증가시켜서) 균형을 맞추어야 한다.

 

slipping turn 도중 항공기는 현재 사용 중인 bank에 비해 적절한 선회율로 선회하지 않는다. 왜냐하면 항공기가 선회 경로의 바깥쪽으로 yaw 하기 때문이다. 선회율에 비해 너무 많은 양의 bank가 사용되었기에 수평 양력 성분이 원심력보다 크다. [그림 5-35] bank를 줄여주거나, 선회율을 증가시키거나, 혹은 이 둘을 조합하면 수평 양력 성분과 원심력 사이의 평형이 다시 설정된다.

skidding turn이란 수평 양력 성분에 비해 원심력이 커서 항공기가 선회 바깥으로 잡아당겨지는 것이다. 선회율이 bank angle에 비해 너무 크다. bank를 증가시키거나, 선회율을 감소시키거나, 혹은 이 둘을 조합하면 skidding turn이 수정된다.

 

특정 선회율을 유지하기 위해선 대기 속도에 따라 bank angle을 변화시켜야 한다. 이는 고속 항공기에서 특히 중요하다. 예를 들어 400mph에서 표준율 선회(초당 3도)를 수행하기 위해서는 약 44도의 bank가 가해져야 한다. 이러한 bank angle에서는 항공기 양력의 약 79%만이 수직 성분을 구성한다. 손신될 양력의 수직 성분을 보상하기 위해 받음각을 충분히 증가시키지 않는 한 고도가 손실된다.

(선회 도중 작용하는 힘들을 직접 제어해보고 싶다면? 그림 클릭.)

Forces in Climbs

 

안정적인 상승 비행 도중 발생하는 양력은 안정적인 수평 비행 도중 발생하는 양력과 동일하다(단, 동일한 대기속도인 경우). 상승이 설정될 때 항공기의 비행경로가 변경되지만 상승된 비행경로에 대한 날개의 받음각은(그리고 양력도) 다시 원래의 값으로 되돌아온다. 그림 5-36을 보면 상승 초기에 순간적인 양력 변화가 있다. 바로 상승을 수행하기 위해 back elevator pressure가 처음 적용되었을 때 양력 변화가 발생한다. 항공기의 기수가 높아지면 받음각이 증가해서 순간적으로 양력이 증가한다. 이 순간 양력이 무게보다 커져서 항공기가 상승을 수행하기 시작한다. 비행경로가 상승경로에서 안정되면 받음각과 양력 다시 수평 비행 값으로 되돌아간다.

출력 변화 없이 상승에 진입하였다면 속도가 점진적으로 감소한다. 왜냐하면 수평비행 도중 사용되었던 출력으로 상승을 수행하기엔 thrust required가 충분하지 않기 때문이다. 비행경로가 위로 기울어지면 항공기 무게의 구성 성분이 총 항력과 같은 방향으로 작용하며 이로 인해 총 유효 항력이 증가한다. 때문에 총 유효 항력이 출력보다 커져서 속도가 줄어든다. 속도가 줄어들면 총 항력이 추력과 동일해지기 전까지 항력도 점점 감소한다. [그림 5-37] 가속도로 인해 속도 변화는 점진적으로 발생하며 이는 항공기 크기, 무게, 총 항력, 그리고 그 외 요인들에 의해 달라진다.

보통 추력/항력과 양력/무게는 속도가 안정화되었을 때 다시 균형을 이룬다(단, 출력 변화가 없었다면 직진수평비행을 수행했을 때보다 낮은 속도에서). 상승 도중 항공기의 무게는 아래뿐만 아니라 뒤(항력)로도 작용한다. 따라서 수평비행을 수행했을 때와 동일한 속도를 유지하기 위해선 출력이 더 필요하다. 필요한 출력의 양은 상승 각도에 따라 달라진다. power available이 충분하지 못할 정도로 상승이 가팔라지면 속도가 느려진다.

 

안정적인 상승에 필요한 추력은 상승 각도에 따라 [항력 + 무게의 x%]로 계산된다. 예를 들어 10도 상승 시 [항력 + 무게의 17%]에 해당하는 추력이 필요하다. 수직 상승을 수행하기 위해서는 [항력 + 무게]에 해당하는 추력이 필요하다. 따라서 상승 성능을 위한 상승 각도는 무게의 일부를 극복하는데 사용될 수 있는 excess thrust에 따라 달라진다. 항공기는 excess thrust로 인해 상승을 유지할 수 있다. 즉, excess thrust가 없으면 항공기는 더 이상 상승할 수 없다. 이때 항공기는 “absolute ceiling”에 도달한 것이다.

 

Forces in Descents

 

직진수평비행으로부터 하강에 진입하면 항공기에 작용하는 힘들이 변화한다. 다음 예시에서 항공기는 직진수평비행으로부터 출력 변화 없이 하강한다.

 

하강을 시작하기 위해 조종간에 forward pressure를 가하면 받음각이 순간적으로 감소한다. 처음에는 항공기의 가속도로 인해 비행경로가 잠시 변화하지 않는다. 이때 받음각이 감소해서 총 양력이 줄어든다. 이제 무게가 양력보다 더 크므로 항공기가 하강하기 시작한다. 이와 동시에 비행경로가 수평경로에서 하강경로로 변경된다. 수평비행을 유지할 정도의 양력을 생성하지 못하는 것과 양력 감소를 혼동하지 않는다. 비행경로는 남은 추력과 elevator를 통해 조절된다.

 

직진수평비행 도중 유지하였던 속도로 하강하기 위해서는 하강 진입 시 출력을 감소시켜야 한다. 하강을 시작하면 비행경로를 따라 전방으로 작용하는 무게의 구성 성분이 증가하며 이는 하강 각도에 비례한다. 반대로 level off를 수행하면 비행경로를 따라 전방으로 작용하였던 무게의 구성 성분이 감소하며 이 또한 하강 각도에 비례한다.

(상승/하강도중 작용하는 힘들을 직접 제어해보고 싶다면? 그림 클릭.)