(7) Stability and Balance Control

Stability and Balance Control

 

balance control은 항공기의 CG 위치와 연관되어 있다. 이는 비행 안전의 한 요소인 항공기 안정성에 가장 중요하다. CG란 항공기의 총 무게가 집중된다고 가정되는 지점을 의미하며 안전한 비행을 위해선 CG가 특정 한계 내에 위치해야 한다. 가로 균형과 세로 균형 모두 중요하긴 하지만 가장 중요한 것은 세로 균형(세로축에 대한 CG 위치)이다.

 

비행기는 조종간에서 손을 뗀 상태에서도 직진수평비행이 유지되도록 trim 될 수 있는 안정성을 갖는다. CG가 양력 중심보다 약간 앞에 있도록 설계되어서 세로 안정성이 유지된다. 이는 대기 속도에 관계없이 nose-down force를 생성한다. nose-down force는 nose-up force와 균형을 이루는데 이 힘은 수평 꼬리 표면에서의 downward aerodynamic force(대기 속도에 따라 직접적으로 변화하는 공기역학적 힘)에 의해 생성된다. [그림 1-1]

상승기류가 기수를 상승시키면 비행기가 감속해서 꼬리의 downward force가 감소한다. 허나 CG에 집중된 무게가 기수를 다시 아래로 당겨서 수평 비행으로 되돌아오게 만든다. 비행 도중 기수가 하강한 경우에는 대기 속도가 증가해서 downward tail load가 증가한다. 이는 기수가 다시 수평 비행으로 되돌아오게 만든다.

 

CG가 무게에 대한 한계 이내에서 유지되면 비행기가 충분한 세로 안정성과 조종성을 가진다. 만약 CG가 너무 뒤에 있으면 CG가 양력 중심과 너무 가까워져서 비행기가 불안정해지며 실속으로부터 회복하기 어려워진다. [그림 1-2] 불안정한 비행기가 스핀에 진입하면 스핀이 평평해져서 회복이 어렵거나 불가능해질 수 있다. CG가 너무 앞에 있는 경우에는 수평 비행을 유지하기 위한 downward tail load가 증가해야 한다. 이는 추가적인 무게를 운반하는 것과 동일한 효과를 만든다(항공기가 더 높은 받음각으로 비행해야 하며 결국 항력이 증가한다).

CG가 너무 앞에 놓였을 때 발생하는 더 심각한 문제는 충분한 elevator authority가 없다는 것이다. 낮은 이륙 속도에서 elevator가 rotate를 수행하기에 nose-up force가 충분하지 못할 수 있다. 착륙 도중에는 비행기를 flare 하기에 elevator force가 충분하지 못할 수 있다. [그림 1-3] CG가 너무 앞에 놓여있으면 이륙 활주와 착륙 활주가 모두 길어진다. 항공기는 기본적으로 좌우 대칭을 기반으로 설계된다. 항공기 중심선(buttock line zero나 BL – 0라고도 불림)의 왼쪽에 무게가 추가될 때마다 이에 상응하는 오른쪽 위치에도 동일한 무게가 추가된다.

(출처: Aeronautics-Guide)

불균형한 연료 적재나 불균형한 연료 연소로 인해 가로 균형이 흐트러질 수 있다. 보통 lateral CG의 위치는 계산되지 않는다. 허나 조종사는 가로 불균형 상태로 인한 악영향을 알아야 한다. [그림 1-4] 가로 불균형 상태는 aileron trim tab을 통해 보정된다(단, 비행기의 균형을 맞추기 위해 무거운 쪽 탱크에서 충분한 연료가 사용되기 전까지). 편향된 trim tab은 aileron을 편향시켜서 무거운 날개 쪽에 양력을 더해준다. 허나 이는 부가적인 항력을 생산하여 비행기를 비효율적으로 만든다.

후퇴익 비행기에서는 연료 불균형이 더 중요해진다. 왜냐하면 outboard tanks에서 연료가 소모됨에 따라 CG가 앞으로 이동하기 때문이다. 연료가 inboard tanks에서 소모되는 경우에는 CG가 뒤로 이동한다. [그림 1-5] 이러한 이유로 후퇴익 항공기를 운영할 때에는 연료 사용 계획이 매우 중요하다.