(5) Rules of Energy Control

Rules of Energy Control

 

에너지 관리를 위한 throttle과 elevator의 역할은 다음과 같이 요약될 수 있다: throttle과 elevator의 조정이 비행기의 에너지 상태를 제어한다. “pitch for airspeed and power for altitude”라는 대중적인 격언은 “pitch plus power controls energy state”로 다시 표현될 수 있다. 이러한 기본 원리는 비행기의 에너지 범위 내에서 특정 vertical flight path target과 airspeed target을 달성 및 유지하기 위한 에너지 제어 규칙을 안내한다.

 

Visualizing the Airplane’s Ability to “Move” Between Energy States

 

에너지 제어의 기본 규칙을 이해하기 위해선 비행기의 에너지 상태, 그리고 하나의 에너지를 다른 에너지로 전환하는 비행기의 능력을 시각화할 필요가 있다. 비행기는 어떻게 초기 고도 및 초기 대기속도에서 flight envelope 내의 다른 target altitude 및 target airspeed로 “이동” 하는가? 그리고 조종사는 이 과정을 어떻게 제어하는가? 에너지 측면에서 항공기의 상태를 표시하는 지도가 도움이 될 것이다.

 

항공용 지도(예를 들어 aeronautical sectional chart)에서 비행기의 지리적 위치는 위도와 경도에 의해 결정된다. 마찬가지로 “altitude-airspeed” map, 혹은 “energy” map에서 비행기의 에너지 위치(에너지 상태)는 고도와 대기속도에 의해 결정된다. [그림 4-6]

altitude-airspeed map에서 비행기의 위치는 현재의 고도 및 대기속도를 통해 결정되는 total specific energy, 혹은 Es(위치 에너지와 운동 에너지의 합을 항공기 무게로 나눈 값)를 나타낸다.

 

Es = h + V²/2g

 

g= gravitational constant(중력 상수)

h= height(고도)

V= velocity(속도)

 

total specific energy(Es)는 height(예를 들어 feet)의 단위를 가지고 있기 때문에 보통 energy height라 불린다. 또한 비행기의 모든 속도를 고도로 교환하였을 때 도달할 수 있는 최대 고도라는 사실에서 이 이름이 유래되었다. 그림 4-6은 일정한 total specific energy(energy height)의 선들을 보여준다. 특정 energy height를 따른 비행기 위치가 달라도 총 에너지는 동일하다(예를 들어 A와 B).

 

따라서 A 지점의 비행기가 100노트 및 6,000ft로 순항하더라도 B 지점의 240노트 및 4,000ft로 순항하는 비행기와 total specific energy가 동일하다. 이는 A나 B 비행기가 모든 고도 및 대기속도를 교환함으로써 최대 고도인 6,500ft로 “zoom” 할 수 있음을 의미한다. energy height의 선들은 에너지 교환(예를 들어 A에서 B로)을 통해서만 한 에너지 상태에서 다른 에너지 상태로 이동하는 비행기를 표현하는 이상적인 궤적으로 사용될 수 있다. 고도와 대기속도가 빠르게 교환된다면 단기적으로는 일정한 총 에너지를 유지함과 동시에 energy height의 선을 따라간다.

 

energy map은 available specific excess power(Ps)의 등고선, 그리고 한 에너지 상태에서 다른 에너지 상태로 이동하는 에너지 궤적을 나타낼 수 있다. [그림 4-7] 비행기는 단순히 에너지를 교환함으로써 energy height lines를 따라 이동할 수 있다(예를 들어 A에서 B로). 그러나 energy height lines를 가로지르기 위해서는 고도와 대기속도 사이의 에너지 변화를 분배함과 동시에 총 에너지를 증가/감소시켜야 한다. 따라서 비행기가 하나의 energy height에서 다른 energy height로 이동하는 능력(예를 들어 A에서 C, D, 혹은 E로)은 고도의 변화율(예를 들어 fpm)로 측정된 specific excess power의 함수이다.

그림 4-7에 표시된 에너지 위치를 살펴보자. A 비행기는 150노트로 4,000ft를 비행하고 있으며 총 에너지는 5,000ft와 같다. C, D, 그리고 E는 더 높은 energy heights(각각 11,000, 9,500, 그리고 6,500)에 위치하므로 A가 이 지점들에 도달하기 위해선 총 에너지를 증가시켜야 한다(즉, 항력보다 높게 추력을 증가시키는 것, 혹은 Ps > 0). 이 반대 또한 마찬가지이다. 비행기가 C, D, 혹은 E에 위치한다면 A로 돌아올 수 있는 유일한 방법은 총 에너지를 감소시키는 것이다(즉, 항력보다 낮게 추력을 감소시키는 것, 혹은 Ps < 0). 즉, 비행기가 하나의 energy state에서 다른 energy state로 이동할 수 있는 rate(예를 들어 일정한 속도로 얼마나 빠르게 상승/하강할 수 있는가, 혹은 수평 비행 도중 얼마나 빠르게 증속/감속할 수 있는가)는 specific excess power의 함수이다. 이는 비행기가 더 많은, 혹은 더 적은 에너지를 요구하는 energy height로 이동해야 하는지에 따라 양수(Ps > 0)이거나 음수(Ps < 0)일 수 있다.

 

envelope의 가장자리(full throttle에서 available Ps가 0인 지점)에서 비행기는 대기속도를 유지하는 동안 상승할 수 없으며 하강 없이는 증속할 수 없다. envelope 내부의 등고선은 그 값이 점점 증가하여 available Ps가 최대가 되는 지점에 도달한다. full throttle일 때 Ps는 특정 대기속도(VY)에서 최대가 되며 이는 대기속도가 더 느려지거나 더 빨라지면 감소한다. 따라서 VY에서 비행기는 대기속도를 유지하면서 최대 상승률을 수행하거나, 혹은 하강 없이 최대 가속을 수행할 수 있다. [그림 4-7]

 

Three Basic Rules of Energy Control

 

“energy-control” map은 기본적인 에너지 제어 규칙을 시각화하는데 도움이 될 수 있다. [그림 4-8] energy-control map은 초기 에너지 상태(1)로부터 다른 에너지 상태(2, 3, 4, 5, 6, 그리고 7)로 이전하는 비행기의 궤적을, 그리고 throttle(파란색/빨간색 화살표) 및 elevator(녹색 화살표)에 의해 발생하는 에너지 변화를 나타낸다. 즉, 이는 특정 상태에서 다른 상태로 비행기를 이동하기 위한 기본 제어 규칙을 시각화할 수 있다. envelope의 가장자리(full throttle에서 Ps가 0인 지점) 또한 표시되어 있다.

초기 에너지 상태(1)에 대해 표시된 line of constant total energy(점선)를 주목하라. 이는 더 많은 총 에너지(파란색 영역)를 필요로 하는 구간과 더 적은 총 에너지(빨간색 영역)을 필요로 하는 구간을 나눈다. throttle은 새로운 에너지 상태에 필요한 총 에너지의 양을 더하거나(파란색 화살표) 뺀다(빨간색 화살표). 반면 elevator(녹색 화살표)는 총 에너지를 위치 에너지와 운동 에너지 사이에 분배한다. 조종간들의 동시 조작을 통해 원하는 에너지 궤적을 따라갈 수 있다.

 

비행기를 1번 위치에서 2번, 혹은 3번 위치의 에너지 상태로 이동시키기 위해선 동일한 양의 총 에너지를 증가시키는 throttle 설정을 필요로 한다(이 예시에서 2번 위치와 3번 위치는 동일한 higher-energy height에 위치함). 이러한 두 에너지 궤적(1에서 2로 향하는 궤적과 1에서 3으로 향하는 궤적)의 차이는 elevator를 통해 총 에너지가 분배되는 방법에 달려있다. throttle을 조정함으로써 총 에너지를 변경하는 것은 lines of constant total energy를 가로질러 연장된다(파란색/빨간색 화살표). 반면 elevator를 조정함으로써 에너지 분배를 변경하는 것은 lines of constant total energy를 따라 연장된다(녹색 화살표. 즉, energy height가 동일함). throttle을 통한 총 에너지의 변화 및/혹은 elevator를 통한 에너지 분포의 변화는 각각의 에너지 화살표에 의해 표시된다. 이는 두 에너지 상태 사이의 에너지 궤적 방향을 결정한다. 이를 위해 1에서 2로 향하는 궤적과 1에서 3으로 향하는 궤적을 비교한다. 그리고 해당 elevator 에너지 화살표(왼쪽 녹색 화살표 = up-elevator. 오른쪽 녹색 화살표 = down-elevator)가 throttle 에너지 화살표(파란색 화살표 = increased throttle)와 관련하여 배치되는 방식을 확인한다.

 

따라서 대기속도를 유지한 상태에서 높은 고도로 전환하기 위해선(1에서 2로) increased throttle과 up-elevator가 필요하다. 반면 고도를 유지한 상태에서 높은 대기속도로 전환하기 위해선(1에서 3으로) increased throttle과 down-elevator가 필요하다. 필요 시 조종간 압력을 완화하기 위해 trim을 다시 조정한다.

 

대기속도를 유지한 상태로 낮은 고도로 전환하기 위해선(1에서 4로) decreased throttle과 down-elevator가 필요하다. 반면 고도를 유지한 상태로 낮은 대기속도로 전환하기 위해선(1에서 5로) decreased throttle과 up-elevator가 필요하다. 필요 시 조종간 압력을 완화하기 위해 trim을 다시 조정한다.

 

마지막으로 대기속도를 고도로 전환함으로써 높은 고도로 전환하기 위해선(1에서 6으로) throttle 변경 없이 up-elevator만 필요하다. 반면 고도를 속도로 전환함으로써 높은 대기속도로 전환하기 위해선(1에서 7로) throttle 변경 없이 down-elevator만 필요하다. 두 경우 이러한 에너지 교환 기동이 종료되었을 때 새로운 속도와 일치하는 항력으로 throttle을 조정해야 하며 elevator를 다시 trim 해야 한다. 이는 새로운 altitude-airspeed target을 유지함과 동시에 총 에너지를 일정하게 유지하기 위함이다.

 

한 에너지 상태에서 다른 에너지 상태로 이동하기 위해 throttle과 elevator를 조정하는 세 가지 에너지 제어 규칙이 있다:

 

Rule #1: 더 많은 총 에너지를 필요로 하는 상태로 전환하기 위해선:

 

Throttle: 추력이 항력보다 크도록 throttle을 설정하여 총 에너지를 증가시킨다.

 

Elevator: pitch attitude를 조정하여 총 에너지의 증가량을 고도와 대기속도로 분배한다:

 

a. 대기속도를 유지한 상태로 상승하기 위해선 해당 대기속도를 유지할 정도로 pitch를 들어준다.

 

b. 고도를 유지한 상태로 증속하기 위해선 고도가 유지될 정도로 pitch를 내려준다.

 

새로운 에너지 상태에 도달하였다면 필요에 따라 pitch attitude와 throttle을 조정하여 새로운 path-speed profile을 유지한다.

 

Rule #2: 더 적은 총 에너지를 필요로 하는 상태로 전환하기 위해선:

 

Throttle: 추력이 항력보다 작도록 throttle을 설정하여 총 에너지를 감소시킨다.

 

Elevator: pitch attitude를 조정하여 총 에너지의 감소량을 고도와 대기속도로 분배한다:

 

a. 대기속도를 유지한 상태로 하강하기 위해선 해당 대기속도를 유지할 정도로 pitch를 내려준다.

 

b. 고도를 유지한 상태로 감속하기 위해선 고도가 유지될 정도로 pitch를 들어준다.

 

새로운 에너지 상태에 도달하였다면 필요에 따라 pitch attitude와 throttle을 조정하여 새로운 path-speed profile을 유지한다.

 

Rule #3: 총 에너지의 변화를 요구하지 않는 새로운 에너지 상태로 전환하기 위해선:

 

Throttle: 초기에는 변화시키지 않는다. 그러나 기동이 끝난 후에는 항력과 일치하도록 throttle을 조정한다. 이는 총 에너지를 일정하게 유지하기 위함이다.

 

Elevator: pitch attitude를 조정하여 고도와 대기속도 사이에 에너지를 교환한다:

 

a. 속도를 고도로 교환하기 위해선 pitch up.

 

b. 고도를 속도로 교환하기 위해선 pitch down.

 

새로운 에너지 상태에 도달하였다면 필요에 따라 pitch attitude와 throttle을 조정하여 새로운 path-speed profile을 유지한다.

 

1번 규칙과 2번 규칙은 총 에너지의 변화를 다른 방식으로 분배하도록 elevator를 사용하는 것을 허용한다. 예를 들어 1번 규칙의 a에서 조종사는 더 느린(혹은 더 빠른) 대기속도로 상승하는 pitch-up attitude를 선택할 수 있다. 그 밖의 상황에서는 두 가지 규칙을 결합해야 할 수도 있다. 한 가지 예시는 maximum cruise airspeed에서 추력이 최대 한계(즉, Ps=0)에 도달하였으나 target energy state가 더 높은 고도에, 그리고 envelope 내에 있는 경우이다. maximum level airspeed에서는 비행기의 총 에너지를 증가시키기 위한 excess thrust available이 없다. 한 가지 방법은 처음에 운동 에너지를 위치 에너지로 바꾸어 항력이 추력보다 낮은 속도로 감속하는 것이다(3번 규칙). 이는 비행기의 총 에너지를 증가시키며 낮은 속도로 상승할 수 있게 해준다(1번 규칙).