(4) Major Components

Major Components

 

비행기는 다양한 목적에 따라 설계되긴 하지만 대부분 동일한 주요 구성 요소를 가지고 있다. [그림 3-4] 전반적인 특성은 보통 초기 설계 목적에 의해 결정된다. 대부분의 비행기 구조들은 fuselage, wings, empennage, landing gear, 그리고 power plant를 포함한다.

Fuselage

 

동체는 비행기의 중심 몸체로 이는 승무원, 승객, 그리고 화물을 수용하도록 설계된다. 또한 동체는 날개와 꼬리를구조적으로 연결한다. 오래된 항공기는 목재, 강철, 혹은 알루미늄 튜브로 구성된 open truss structure를 사용한다. [그림 3-5] 오늘날의 항공기에서 가장 널리 사용되는 동체 구조는 monocoque와 semimonocoque이다. 이는 이 장의 뒷부분에서 더 자세히 설명된다.

Wings

 

날개란 동체의 양 측면에 부착된 에어포일으로 이는 비행기를 지탱하는 주요 양력 표면이다. 날개의 설계, 크기, 그리고 모양은 매우 다양하다. 각 날개는 특정 비행기에 대한 예상 성능과 관련하여 특정 요구 사항을 충족한다. 날개가 양력을 생산하는 방법은 Chapter 5, Aerodynamics of Flight에서 설명된다.

 

날개는 동체의 위, 중앙, 혹은 아래에 부착될 수 있다. 이러한 설계를 각각 high-wing, mid-wing, 그리고 low-wing이라 부른다. 날개의 갯수 또한 다양할 수 있다. 한 세트의 날개가 있는 비행기를 단엽기(monoplane)라 부른다. 반면 두 세트의 날개가 있는 비행기를 복엽기(biplane)라 부른다. [그림 3-6]

 

고익기는 보통 external brace나 wing struts를 가지고 있으며 이들은 비행 하중과 착륙 하중을 동체 구조로 전달시킨다. wing struts는 보통 날개의 중간쯤에 부착되기 때문에 이러한 종류의 날개 구조를 semi-cantilever라 부른다. 일부 고익기와 대부분의 저익기는 full cantilever wing을 가지는데 이러한 항공기들은 external struts 없이 하중을 견디도록 설계된다.

(출처: Aeronautics-Guide)

날개의 주요 구조물에는 spars, ribs, 그리고 stringers가 있다. [그림 3-7] 이 구조물들은 trusses, I-beams, tubing, 혹은 그 외 장치들에 의해 강화된다. wing ribs는 날개(에어포일)의 모양과 두께를 결정한다. 대부분의 현대 비행기에서 연료 탱크는 날개 구조에 내장되거나 날개 내부에 장착된 유연한 용기로 구성된다.

날개의 뒷전에 부착된 두 가지 유형의 조종면을 ailerons와 flaps라 부른다. ailerons는 각 날개의 중간지점으로부터 날개 끝을 향해 바깥으로 연장된다. 비행기를 선회시키기 위한 공기역학적 힘을 발생시키기 위해 양 쪽 aileron은 서로 반대 방향으로 움직인다. flaps는 각 날개의 중간지점으로부터 동체를 향해 안쪽으로 연장된다. 순항 비행 도중 flaps는 보통 날개 표면과 수평을 이룬다. 이착륙을 위해 flaps를 연장한 경우에는 양쪽 flap이 아래로 움직여서 날개의 양력을 증가시킨다. [그림 3-8]

Empennage

 

미익은 꼬리의 모든 부분들을 포함하며 여기에는 수직 안정판과 수평 안정판 같은 고정 표면들이 있다. 움직일 수 있는 표면들에는 rudder, elevator, 그리고 하나 이상의 trim tabs가 있다. [그림 3-10]

rudder는 수직 안정판의 뒤쪽에 부착된다. rudder는 비행 도중 비행기의 기수를 좌우로 움직이기 위해 사용된다. 수평 안정판의 뒤쪽에 부착된 elevator는 비행 도중 비행기의 기수를 위아래로 움직이기 위해 사용된다. trim tabs는 조종면 뒷전의 자그마한 부분이다. 조종실에서 제어되는 이 movable trim tabs는 조종간 압력을 줄여준다. trim tabs는 ailerons, rudder, 그리고/혹은 elevator에 설치될 수 있다.

 

두 번째 유형의 미익 설계는 elevator를 필요로 하지 않는다. 대신 여기에는 central hinge point를 중심으로 회전하는 일체형 수평 안정판이 통합되어 있다. 이러한 유형의 설계를 stabilator라 부르며 elevator와 마찬가지로 조종간을 통해 움직인다. 예를 들어 조종사가 조종간을 뒤로 당기면 stabilator가 축을 중심으로 회전해서 뒷전이 위로 이동한다. 이는 공기역학적 tail load를 증가시켜서 비행기의 기수가 위로 움직이게 만든다. stabilator의 뒷전을 가로질러서 antiservo tab이 연장된다. [그림 3-11]

antiservo tab은 stabilator의 뒷전과 동일한 방향으로 움직여서 stabilator가 덜 민감해지도록 만든다. 또한 antiservo tab은 trim tab처럼 기능해서 조종간 압력을 완화하며 원하는 위치에서 stabilator가 유지되도록 돕는다.

(출처: boldmethod)

Landing Gear

 

착륙 기어는 항공기 주기, 지상 활주, 이륙, 혹은 착륙 시 비행기를 지탱하는 주요 장치이다. 가장 일반적인 종류의 착륙 기어는 바퀴로 구성되어 있지만 수상 운영을 위해 floats가, 혹은 눈에서의 착륙을 위해 skis가 장착될 수도 있다. [그림 3-12]

착륙 기어는 세 개의 바퀴로 구성된다: 두 개의 main wheels, 그리고 비행기의 전방이나 후방에 위치한 세 번째 바퀴. 후방에 바퀴가 장착된 착륙 기어를 conventional landing gear라 부른다.

 

conventional landing gear를 갖춘 비행기는 tailwheel airplanes라고도 불린다. 세 번째 바퀴가 기수에 위치한 경우에는 이를 nosewheel이라 부르며 이러한 설계를 tricycle gear라 부른다. steerable nosewheel/tailwheel이 있다면 지상에서의 모든 운영 도중 비행기가 제어될 수 있다. 대부분의 항공기는 rudder pedals의 움직임을 통해 조향된다. 또한 일부 항공기는 브레이크를 통해 조향된다.

 

The Powerplant

 

powerplant는 보통 엔진과 프로펠러를 모두 포함한다. 엔진의 주요 기능은 프로펠러를 돌릴 수 있는 출력을 제공하는 것이다. 또한 엔진은 전력을 생성하고, 일부 비행계기에 진공 압을 제공하며, 조종사/승객을 위한 히터를 제공한다. [그림 3-13] 엔진은 cowling이나 nacelle로 덮여 있으며 이들은 모두 housing(기계 부품을 덮는 단단한 덮개)의 한 유형이다. cowling이나 nacelle은 엔진 주위의 공기 흐름을 유선형으로 만들며 실린더 주위로 공기를 배관해서 엔진 냉각을 돕는다.

엔진의 앞부분에 장착된 프로펠러는 엔진의 회전력을 추력으로 변환한다. 추력은 비행기가 공기 중을 통과하여 움직일 수 있도록 돕는 전진 힘이다. 프로펠러는 공기역학적 작용을 통해 추력을 생성하는 회전 에어포일이다. 프로펠러 에어포일의 뒤쪽에는 고압 영역이, 그리고 앞쪽에는 저압 영역이 형성된다. 이러한 압력 차이가 프로펠러로부터 추력을 발생시켜서 비행기를 전방으로 당긴다. 프로펠러가 뒤에 배치된 경우에는 엔진이 pusher로 전환될 수 있다.

(출처: Aeronautics-Guide)

프로펠러 설계에 있어 두 가지 중요한 요인이 있으며 이는 프로펠러의 효율성에 영향을 미친다. 프로펠러 블레이드의 각도(propeller hub를 기준으로 측정된 각도)가 프로펠러 블레이드를 따라 비교적 일정한 받음각을 유지해야 실속 가능성이 줄어든다. 프로펠러에 의해 발생하는 양력은 받음각(상대풍과 프로펠러 블레이드가 만나는 각도)과 직접적으로 연관된다. 비행 도중 항공기의 방향에 따라 받음각이 계속 변화한다.

 

pitch란 프로펠러가 한 번 회전할 때 이동하는 거리로 규정된다. 이 두 가지 요인을 결합해서 프로펠러 효율을 측정할 수 있다. 프로펠러는 보통 특정 aircraft/powerplant 조합과 연결되며 이는 특정 출력 설정에서 최고의 효율을 달성하기 위함이다. 엔진이 어떻게 장착되는지에 따라 프로펠러는 pull이나 push를 수행한다.

 

※ 이 내용은 아래의 링크를 봐야 더 제대로 이해될 것이다.

(11) Basic Propeller Principles