(3) Viewing the Airplane as an Energy System

Viewing the Airplane as an Energy System

 

비행기의 총 기계적 에너지는 고도에서의 위치 에너지, 그리고 대기속도에서의 운동에너지를 합한 것이다. 위치 에너지는 mgh로, 그리고 운동 에너지는 1/2mv²로 표현된다. 따라서 항공기의 총 기계적 에너지는 다음과 같이 나타낼 수 있다:

 

mgh + 1/2mv²

 

m = 질량(mass)

g = 중력 상수(gravitational constant)

h = 고도(height)

v = 속도(velocity)

 

비행 중인 비행기는 “개방된” 에너지 시스템이다. 즉, 비행기는 어떤 원천(예를 들어 연료 탱크)으로부터는 에너지를 얻을 수 있으며 환경(예를 들어 주변 공기)으로부터 에너지를 잃을 수 있다. 또한 이는 고도와 대기속도로 저장된 항공기의 총 기계적 에너지에 에너지가 더해지거나, 혹은 감해질 수 있음을 의미한다.

 

A Frame of Reference for Managing Energy State

 

항공기의 에너지 상태는 항상 고도와 대기속도로 저장된 에너지의 총량, 그리고 이러한 에너지의 분포에 의해 결정된다. 항공기의 에너지 상태를 관리하기 위한 기준은 비행기가 중심이 된다. 즉, 지시 고도 및 지시 대기속도의 함수이지 지표면으로부터의 고도 및 groundspeed의 함수가 아니다.

 

고도계에 표시되는 지시 고도, 그리고 이와 연관된 위치 에너지는 고정된 기준점(MSL)로부터의 비행기 고도를 기준으로 한다(지형 고도에 따라 변화하는 AGL을 기준으로 하지 않음). 마찬가지로 속도계에 표시되는 지시 속도, 그리고 이와 연관된 운동 에너지는 공기에 대한 비행기의 속도를 기준으로 한다(풍향 및 풍속에 따라 변화하는 groundspeed를 기준으로 하지 않음).

 

지시 고도와 지시 속도는 조종사의 조종간 조작을 통해 변화한다는 점을 유념한다. 이러한 직접적 조작은 비행기가 상승/하강, 혹은 가속/감속 할 능력을 결정한다. 이와 반대로 AGL-altitude와 groundspeed는 “외부” 요인에 의해 변화한다(예를 들어 지형 고도와 바람의 변화). 이러한 요인들은 조종사가 바꿀 수 없다. 물론 조종사는 지형이나 바람과 연관된 위험을 최소화하는 방식으로 항공기 에너지를 관리해야 한다. 예를 들어 상승 지형을 마주하였을 때 비행기의 energy gain이 극대화되고 energy lose가 최소화되도록 에너지 상태를 조작 할 수 있다. 안전한 heading 또한 선택지가 될 수 있다.

 

이륙 후 비행기는 엔진 추력(T)으로부터 에너지를 얻고 공기역학적 항력(D)으로부터 에너지를 잃는다. 얻는 에너지와 잃는 에너지 사이의 차이(T-D)가 net change이다. 이는 고도 및 대기속도로 저장된 총 기계적 에너지가 증가, 감소, 혹은 유지되는지를 결정한다.

 

추력이 항력을 초과하는 경우(T-D > 0) 비행기의 총 기계적 에너지가 증가한다. 이 여분의 에너지를 증가된 고도, 혹은 증가된 대기속도로 저장할 수 있다. 예를 들어 조종사가 여분의 에너지를 고도에 저장하기로 결정하였다면 비행기는 정속으로 상승할 수 있다. [그림 4-1A] 조종사가 여분의 에너지를 대기속도에 저장하기로 결정하였다면 비행기는 고도를 유지하면서 증속할 수 있다. [그림 4-1B]

항력이 추력을 초과하는 경우(T-D < 0) 항공기의 총 기계적 에너지가 감소한다. 조종사는 두 가지 저장 에너지원을 이용할 수 있다. 예를 들어 에너지 부족을 해결하기 위해 저장 에너지가 사용되는 동안 비행기가 정속으로 하강하거나[그림 4-1C], 혹은 고도를 유지하면서 감속할 수 있다[그림 4-1D]. 얻는 에너지와 잃는 에너지가 같으면(T-D = 0) 모든 추력이 항력에 소모된다. 이 경우 총 기계적 에너지, 그리고 고도와 대기속도에 대한 에너지 분포는 변화하지 않는다. 항공기가 일정한 고도 및 대기속도를 유지하므로 stored altitude와 stored airspeed는 일정하게 유지된다. [그림 4-1E]

 

또한 에너지는 고도와 대기속도 사이에서 교환될 수 있다. 예를 들어 조종사나 대기속도를 고도로 바꾸면 고도가 증가하고 대기속도가 감소한다. 즉, 에너지 교환 시 고도와 대기속도는 항상 반비례한다(단, energy input과 control input이 없는 경우). 하나가 증가하면 다른 하나는 감소한다. 에너지 교환 중 고도와 대기속도에 대한 에너지 분포가 극적으로 변화할 수 있다. 허나 추력이 항력과 일치하도록 조정된다면 이러한 exchange maneuver가 끝났을 때 총 기계적 에너지가 동일하게 유지될 수 있다[그림 4-1F]. 왜냐하면 항력은 속도에 따라 변화하기 때문이다.

 

Managing Energy is a Balancing Act

 

비행기는 엔진 추력(T)에서 에너지를 얻고 공기역학적 항력(D)을 통해 에너지를 잃는다. 따라서 비행 중 에너지가 비행기의 안팎으로 계속하여 흐른다. net energy flow는 추력과 항력 사이의 함수이다. 이는 일반적으로 Specific Excess Power(PS), 혹은 에너지 변화율로 측정된다.

 

Ps = (T – D)V/W

 

T = Thrust(추력)

D = Drag(항력)

V = velocity(속도)

W = aircraft weight(항공기 무게)

 

더 중요한 것은 net energy flow로 인한 총 에너지의 변화, 그리고 고도 및 대기속도로 저장된 에너지의 변화 사이에 근본적인 관계가 있다는 것이다. 이러한 기본적인 관계는 비행기의 energy balance equation을 통해 정리될 수 있다. [그림 4-2]

energy balance equation의 왼쪽은 비행기의 net energy flow를 나타낸다. 반면 오른쪽은 저장된 에너지의 변화를 반영한다. 따라서 총 에너지 변화는 방정식의 왼쪽에 영향을 미치는 반면 오른쪽은 고도와 대기속도 사이의 에너지 분배 변화를 나타낸다.

 

추력과 항력의 차이로 인한 총 에너지의 변화(왼쪽 부분)는 항상 고도와 대기속도에 걸쳐 재분배되는 총 에너지의 변화(오른쪽 부분)와 일치한다. 에너지 변화율(specific excess power)은 비행 도중 변화하지만(양수, 음수, 혹은 0으로) 비행기가 가속하든, 감속하든, 상승하든, 하강하든, 일정한 고도 및 속도를 유지하든 상관없이 방정식의 양 쪽은 균형을 이룬다. (Note: 이 방정식은 연료의 점진적 소모로 인한 항공기 무게 감소로 발생하는 총 역학적 에너지의 장기적 변화를 설명하지는 않는다. 항속거리와 항속시간과 같은 장시간 항공기 성능 문제를 다루는 경우에는 무게 감소가 총 에너지에 미치는 영향이 중요하다. 허나 단시간 비행 문제를 고려하는 경우에는 무시할 수 있는 수준이다.)

 

물론 조종사는 방정식의 왼쪽(총 에너지 변화)을 제어할 뿐만 아니라 방정식의 오른쪽(고도와 대기속도에 대한 에너지 변화의 분배)도 제어할 있다. 원하는 altitude target과 airspeed target을 달성 및 유지하기 위한, 그리고 에너지 “위기”를 방지하기 위한 throttle/elevator 조정 방법은 에너지 관리의 핵심이다. 이는 이 장의 나머지 부분에서 자세히 설명된다.