제트 비행기의 날개는 고속 비행을 위해 설계되었기 때문에 상대적으로 저속 특성이 좋지 않다. 일반적인 피스톤 비행기와 달리 제트 비행기의 날개는 비행기의 무게에 비해 면적이 작고, 가로세로비(긴 시위선/짧은 날개 길이)가 작으며, 에어포일이 얇다. 즉, 제트 비행기의 날개가 충분한 양력을 생성하기 위해선 속도가 필요하다. 후퇴각 또한 저속에서 패널티를 가한다. 왜냐하면 실질적인 양력은 앞전에 수직인 공기 흐름에 비례하기 때문이다.
일반적인 피스톤 비행기의 경우 clean configuration에서의 VMD(minimum drag) 속도는 약 1.3VS이다. [그림 16-7] 피스톤 엔진 비행기로 VMD 미만을 비행할 때에는 눈에 띄는 비행 특성 변화가 발생하며 예측이 가능하다.반면 제트 비행기로 VMD 영역(일반적으로 1.5 ~ 1.6VS)을 비행할 때에는 속도 안정성(speed stability)이 부족해지는 것 이외의 눈에 띄는 비행 특성 변화가 발생하지 않는다. 속도 안정성이 부족해지면 감속 시 항력이 증가한다. 이는 더 큰 속도 감소로 이어지며 그 결과 speed divergence가 발생할 수 있다. speed divergence가 발생하는 것을 알아차리지 못하는 조종사는 일정한 출력 설정과 정상 pitch 자세에서 심각한 하강률이 만들어지는 것을 발견할 수 있다. 속도 안정성이 부족해지면 비행경로가 가라앉을 수 있다는 사실은 제트 비행기에서 가장 중요한 측면들 중 하나이다.
후퇴익 제트 비행기의 실속 특성은 일반적인 직선익 비행기와 상당히 다를 수 있다. 가장 눈에 띄는 큰 차이점은 받음각에 대한 양력 증가이다. 직선익에서는 받음각이 증가하면 양력벡터가 최대 양력 계수까지 지속적으로 · 상당히 증가하며 이후에는 양력의 급격한 하락과 함께 흐름 분리(실속)가 발생한다.
반면 후퇴익에서는 덜 명확한 최대 양력 계수와 함께 완만한 양력 증가가 생성된다. 이러한 덜 명확한최대 양력 계수 덕분에 후퇴익에서는 임계 받음각이 초과되어도 양력 손실이 급격하지 않을 수 있다. 허나 높은 양력 조건은 높은 항력을 동반하므로 높은 하강률로 이어질 수 있다. [그림 16-8]
후퇴익에서는 wing tips부터 실속에 빠지는 경향이 있다. 왜냐하면 경계층이 tips를 향해 spanwise 방향으로 흐르는 경향이 있기 때문이다. [그림 16-9] tip stall 경향은 양력 중심이 앞으로 이동하도록 만들며 이는 후퇴각과 테이퍼가 결합되었을 때 가장 크다. 후퇴익이 wingtips부터 실속에 빠지는 것을 방지하기 위해 제조업체들은 날개를 비틀거나, 에어포일 단면을 변화시키거나, vortex generators를 설치하거나, 혹은 이러한 것들을 조합하여 wing spanwise를 변경한다. 이러한 설계들은 항공기가 실속에 진입하였을 때 roll control을 유지하는데 도움을 제공한다.
일부 T-tail configuration에서는deep stall이 발생하기 쉽다. deep stall이란 매우 높은 받음각에서 꼬리가 wing wake에 잠겨서 그 유효성을 잃을 수 있는 상황이다. 이러한 상황은 높은 하강률을 동반할 수 있다. 기수가 수평선 아래에 있는 pitch attitude에서도 높은 받음각이 발생할 수 있으며 이 경우에는 기수를 더 낮추어 적절한 회복 조치를 취하는 것이 직관에 반하는 것처럼 보일 수 있다.
(출처: youtube/flight-club)
deep stalls는 회복이 불가능할 수 있다. 다행이도 AFM/POH에 게재된 제한 사항들을 준수하기만 한다면 이를 쉽게 방지할 수 있다. deep stall에 취약한 비행기에서는 정교한 stall warning systems(예를 들어 stick shakers)가 standard equipment이다. stick pusher는 그 이름에서 알 수 있듯이 비행기가 위험한 실속 상태에 도달하기 전에 자동으로 받음각을 감소시키는 역할을 한다. 비행기의 선천적 공기역학적 특성이 약한 경우에도 stick pusher가 실속 회복에 도움을 제공할 수 있다. 조종사들은 지상에 가까이 있을 때 stick pusher가 활성화되는 상황을 피해야 한다.
제트 비행기 훈련 조종사들은 impending stall의 첫 징후가 나타났을 때 회복을 수행하도록 가르침을 받는다. 보통 이는 aural stall warning devices, annunciators, 혹은 stick shaker를 통해 지시된다. stick shakers는 보통 실제 실속 속도의 약 107%에서 활성화된다. 실속 경고 발생 시 실속 경고가 멈출 때까지 nose-down을 적용하는 것이 적절한 조치이다(pitch trim이 필요할 수도 있음). 그런 다음 날개를 수평으로 roll 하고 추력을 정상 비행 상태로 조정한다. 상당한 available thrust가 존재하는 저고도에서는 이러한 조치들을 수행하는데 걸리는 시간이 짧아진다. 받음각을 줄이면 실속이 제거되지만 이후 추력을 증가해야 하강이 중단된다는 것을 이해해야 한다. vortex generator가 없는 비행기에서는 buffet이 거의 없거나 아예 없는 상태에서 실속이 발생할 수 있다.
(출처: youtube/Chasing Gainz)
고고도에서의 실속 회복 기법은 동일하다. 조종사는 실속 경고가 멈출 때까지 기수를 낮춰서 받음각을 줄여야 한다. 허나 받음각을 줄여준 후 비행기를 증속시켜야 할 가능성이 높다. available thrust가 훨씬 적은 고고도에서는 증속을 위해 상당한 pitch down이 필요할 수 있다. 따라서 회복 도중 수천 피트 이상의 고도 손실이 발생할 수 있다. 위의 설명은 대부분의 비행기들에 적용된다. 허나 특정 비행기에 대해 제조업체가 권장하는 실속 회복 절차는 다를 수도 있으며이는 해당 비행기의 AFM에 포함되어 있다.
(ATP: 후퇴익은 뒷전의 조종면과 고양력 장치의 효율성을 저하시킨다. 따라서 후퇴익의 flaps는 직선익의 flaps보다 덜 효율적이다.)
제트 비행기는 피스톤 비행기보다 활공비가 높다. 제트 비행기는 low drag design 때문에 하강이나 감속에 많은 시간 및 거리를 사용한다. 이로 인하여 제트 비행기들은 종종 항력 장치들(예를 들어 spoilers와 speed brakes)을 장비한다.
spoilers의 주요 목적은 양력을 깨버리는 것이다. 가장 일반적인 유형의 spoiler는 각 날개 상부 표면에 놓인 하나 이상의 직사각형 판으로 구성된다. 이들은 비행기의 가로축과 거의 평행하게 설치되어 있으며 spoilers의 앞전을 따라 경첩으로 연결되어 있다. spoilers가 전개되면 이는 상대풍에 대항하여 위로 편향되어 날개 주위의 공기 흐름을 방해한다. [그림 16-10] 이는 양력을 깨고 항력을 증가시킨다. spoilers는 보통 flaps의 앞쪽에 설치되며 ailerons의 앞에는 설치되지 않는데이는 roll control에 방해가 되지 않도록 만들기 위함이다. 허나 몇몇 항공기의 경우 roll control을 강화하기 위해 spoilers를 사용한다.
착륙 후 flight spoiler와 ground spoiler가 전개되면 날개의 양력이 대부분 파괴된다. 이는 비행기의 무게를 landing gear로 전달하여 wheel brakes가 더 효과적이게 만든다. 착륙 도중 spoilers를 전개할 때 발생하는 또 다른 이점은 상당한 항력으로 인해 공기역학적 제동이 증가한다는 것이다.
(ATP: flight spoilers는 양력을 감소시키며 증속 없이 비행기가 하강할 수 있게 해준다. 이는 착륙 도중 날개의 양력을 줄이기 위해서도 사용된다. 반면 ground spoilers는 착륙 도중 양력을 줄이기 위해서만 사용된다.)
speed brakes의 주요 목적은 항력을 생성하는 것이다. speed brakes는 보통 fuselage에 장착된다. spoilers가 speed brakes의 역할을 수행할 수도 있다. speed brakes를 전개하면 대기속도의 급격한 감소 및/혹은 하강률의 증가가 발생한다. 보통speed brakes는 비행 도중 언제든 전개될 수 있다. speed brakes를 사용하면 어느 정도의 소음과 진동이 발생하며 연료 소모에 패널티가 주어진다. 조종사는 올바른 하강 및 접근 계획을 통해 speed brakes의 사용을 최소화할 수 있다. 다양한 상황에서의 spoilers 및/혹은 speed brakes 사용 절차는 특정 비행기의 AFM에 포함되어 있다.
착륙 활주도중 제트 비행기는무게와 속도 때문에 높은 운동 에너지를 갖는다. 이러한 에너지는 소멸되기 어렵다. 왜냐하면 nose-wheel이 지면에 있는 상태에서 제트 비행기는 낮은 항력을 가지고 있으며 엔진은 idle 상태에서도 계속 추력을 생성하기 때문이다. 비행기를 정지시키는 주요 수단은 wheel brakes이며만약 reverse thrust를 사용할 수 있다면 해당 장치가 감속을 지원한다.
특정 thrust reverser 설계들은 배기가스의 흐름을 효과적으로 역전시킨다. 이 흐름이 완전히 역전되는 것은 아니다. 배기가스의 최종 경로는 보통 전방으로부터 약 45도로 향한다. 이는 reverse thrust의 효율을 감소시킨다. reverse 도중 maximum rpm보다 낮은 rpm을 사용하면 reverse thrust가 감소한다.
제트 엔진에는 두 가지 유형의 thrust reverser가 있다: target reverser, 혹은 cascade reverser. [그림 16-11] target reverser의 경우 엔진 tailpipe의 stowed position에서 clamshell doors가 회전하여 추력을 전방으로 향하게 만든다.
(Target or Clamshell Reverser)
cascade reversers는 보통 터보팬 엔진에서 사용된다. 이는 fan의 공기만을 역방향으로 향하도록 설계되는 경우가 많다. shroud 내의 blocking doors가 fan의 공기를 cascade vanes로 향하게 만들어 reverse thrust를 발생시킨다.
대부분의 장치에서 조종사는 엔진이 idle 상태일 때 reverse levers를 detent로 끌어올려서 reverse thrust를 선택한다. 이렇게 하면 reversing mechanism이 작동하며 엔진은 idle rpm으로 유지된다. 여기서 reverse levers를 더 움직이면 엔진 출력이 증가한다. reverse levers를 idle reverse position으로 닫은 다음 forward idle position으로 완전히 밀어 넣으면 reverse가 취소된다. 이러한 마지막 조작은 stowed position을 선택하며 reversers는 forward thrust position으로 되돌아간다.
(출처: Boeing 737 Operations Manual)
reverse thrust는 저속보다 고속에서 더 효과적이다. 최대의 reverse thrust 효율을 위해 조종사는 착지 후 이를 신중하게 사용해야 한다. 일부 비행기에서는 reverse가 선택되었을 때 nose-up 하려는 경향이 있으며그 결과 비행기가 순간적으로 지면을 떠날 수 있다(특히 spoilers로 인한nose-up이 더해진 경우). 이러한 유형의 비행기에서는 reverse를 선택하기 전에 nose-wheel을 확실히 지상에 안착시켜야 한다. 이 외의 비행기에서는 pitch 변화가 없으므로 nose-wheel이 지상에 안착하기 전에 reverse idle을 선택할 수 있다. reverse thrust가 방향 제어에 영향을 미칠 수도 있으므로 활주로 표면 상태(예를 들어 contamination)가 고려되어야 한다. 특정 비행기/엔진 조합을 위한 reverse thrust 운영 절차는 해당 비행기의 AFM에 포함되어 있다.
프로펠러의 reverse pitch와 제트 엔진의 reverse thrust 사이에는 상당한 차이점이 있다. 프로펠러의 idle reverse는 많은 양의 항력을 발생시킨다. 그러나 제트엔진의 idle reverse는 reverse thrust를 거의 발생시키지 않는다. 제트 비행기의 조종사는 reverse를 선택하고적절한 reverse thrust를 적용하되 AFM의 제한 범위 이내를 유지해야 한다.
또한 조종사는 thrust reversers가 의도치 않게 전개되었을 때 이를 대처하는 절차도 알아야 한다. 비록 thrust reverser systems는 의도치 않게 전개되지 않도록 설계되었긴 하지만 만약 공중에서 의도치 않게 thrust reversers가 전개되었다면 이는 비상사태이다. 이 시스템은 보통 몇 가지 잠금 시스템들을 갖추고 있다: 공중에서 reversers가 작동하지 않도록 하기 위한 잠금 시스템, thrust levers가 idle detent에서 벗어나는 것을 방지하기 위한 잠금 시스템, 그리고/혹은 “auto-stow” circuit(이는 thrust reverser가 전개되는 것이 부적절할 때마다 [예를 들어 이륙 도중, 그리고 공중에 있는 도중] reverser stowage를 명령한다.
몇몇 비행 조건에서는 프로펠러 비행기보다 속도 변화가 더 느리게 발생할 수 있다. 높은 고도에서는 가용 추력(available thrust)이 감소하며 가속 능력이 감소된다. throttle 설정이 낮을 때 필요한 긴 spool-up time 또한 가속에 영향을 미칠 수 있다. 마지막으로 제트 비행기의 clean한 공기역학적 설계로 인해 추력 감소 시 감속이 더욱 점진적으로 발생할 수 있다.
프로펠러의 영향이 없으므로 낮은 출력 설정에서 항력이 덜하다. 그 외의 변화로는 양력 표면과 조종면에 slipstream이 작용하지 않는 것, 그리고 프로펠러 토크 영향이 없어지는 것이다.
낮은 출력 설정에서는 power levers의 움직임에 대한 영향이 작긴 하지만 조종사는 출력을 부드럽게 변경해야 한다. 또한 조종사는 비행기를 감속하기 위해 항력 장치를 사용해야 하는 시기를 배워야 한다.
조종사는 다양한 상황에 대한 출력 설정 관리를 배워야 한다. 원하는 성능을 위한 출력 설정은 변화한다. 왜냐하면 연료 소모에 따른 비행기 무게가 상당히 변화하기 때문이다. 따라서 조종사는 원하는 성능을 달성하기 위해 다양한 단서들을 사용해야 한다. 예를 들어 airspeed trend 정보는 power required에 대한 피드백을 제공한다.
출력의 변화는 pitching tendency을 초래할 수 있다. 이러한 특성을 인지 및 상쇄해야 한다.
제트 비행기의 pitching tendency는flaps, landing gear, 그리고 drag devices 중 무엇을 전개하는지에 따라 달라진다. 경험을 통해 조종사는 특정 작업에 필요한 pitch 변화를 배운다. 대부분의 제트 비행기 조종간에는 엄지로 작동하는 pitch trim button이 있다. trim button을 원하는 방향으로 조금씩 여러 번 사용하는 것이 일반적인 사용 방법이다. trim button을 오랜 시간 동안 누르면 과조작으로 이어질 수 있다.
제트 비행기의 pitch 자세 변화는 높은 추력, 낮은 가로세로비, 그리고 후퇴익에 의해서도 발생한다. 높은 pitch 자세로 비행할 때에는 비행기 제어를 위해 계기를 더 의존해야 한다. 왜냐하면 외부 참조물이 없을 수 있기 때문이다. 따라서 자세 계기 비행의 숙달은 제트 비행기의 비행에 매우 필수적이다.
조종 감도는 비행기에 따라 다를 것이다. 제트 비행기는 높은 속도로 비행하므로 조종면이 훨씬 효율적이며pitch 자세를 몇 도만 변경하여도 높은 고도 변화율을 경험할 수 있다. 매우 민감한 pitch control로 인해 제트 비행기로 전환하는 조종사가 초기 훈련 도중 pitch를 과조작 하려는 경향을 보일 수 있다. 정확하고 부드러운 조작은 제트 비행기 조종사가 숙달해야 하는 기술들 중 하나이다. 고속에서는 조종간을 손으로 움켜쥐기보다는 손가락 끝으로 잡는 것이 보다 부드러운 조종 입력을 가능하게 해준다.
후퇴익 제트 비행기에서는 높은 받음각으로 비행하는 것이 일반적이다. 이륙 도중 pitch angle이 높아보일 수 있으며착륙 접근 도중 기수가 눈에 띄게 높아지는 것도 드물지 않다.
다음 정보는 일반적인 정보이며 대부분의 민간 제트 비행기는 최소 2명의 승무원을 필요로 하므로 two-pilot crew를 가정한다. 다음 정보들 중 AFM 절차와 반대되는 것이 있다면 AFM 절차가 우선된다.
V-Speeds
다음은 제트 비행기의 이륙 성능에 영향을 미치는 속도들이다. 제트 비행기 조종사는 이륙 계획 시 이러한 속도를 사용하는 방법을 알아야 한다.
∙VS – stall speed(비행기가 제어될 수 있는 minimum steady flight speed).
∙V1 – critical engine failure speed(takeoff decision speed). 이는 엔진 고장이나 그 외 심각한 비상사태가 발생하였을 때 조종사가 이륙을 결정하는 속도이다. V1 미만의 속도에서는 accelerate-stop distance 내에서 항공기를 정지시키는 것이 더 안전하다 간주된다. 또한 V1은 VEF에서 critical engine이 고장 난 후에 이륙을 계속할 때 takeoff distance 내에서 required height에 도달할 수 있는 최소 속도이다.
(ATP: critical engine failure speed를 감소시키는 조건은 다음과 같다 - (1) 활주로의 slush (2) 높은 총 무게 (3) 낮은 밀도 고도 (4) antiskid 고장.)
(ATP: critical engine failure speed는 비행기 총 무게가 증가함에 따라 감소한다. 왜냐하면 감속 및 정지해야 하는 질량이 증가하기 때문이다. 반면 rotation speed [VR]와 accelerate-stop distance는 항공기 총 무게가 증가함에 따라 증가한다.)
∙VEF – 이륙 도중 critical engine이 고장났다 가정하는 속도.
∙VR – rotation speed(takeoff attitude를 향해 비행기의 rotation이 시작되는 속도). 이 속도는 V1보다, 혹은 1.05 x VMCA(minimum control speed in the air)보다 작을 수 없다.
※ VMCA - 공중에서 한 쪽 엔진은 작동하지 않고 남은 엔진은 이륙 출력으로 설정되어 있을 때 항공기가 만족스럽게 제어될 수 있는 최소 비행 속도.
∙VLOF – lift-off speed(비행기가 공중에 뜨는 속도). 이는 비행기가 특정 조건을 충족하도록 증명될 때 사용되는 용어이다. 만약 AFM에 이 속도가 있다면 조종사는 이 속도를 고려해야 한다.
∙V2 – takeoff safety speed(이륙 후 required one-engine-inoperative climb performance를 달성할 수 있는 기준 속도).
※ 다음은 대한항공 PERFORMANCE 교재를 발췌한 내용이다.
Minimum control speed on the ground(VMCG) - 이륙 활주 도중 critical engine이 갑자기 작동하지 않을 때 지상 제어가 가능한 최소 속도. 이 속도 이상에서는 nose wheel steering 없이 rudder만으로도 비행기를 제어할 수 있다.
Maximum Brake Energy speed(VMBE) - 이륙 중단 시 브레이크가 견딜 수 있는 최대 속도. 공항 기압 고도, 온도, 경사, 그리고 바람이 브레이크의 VMBE에 영향을 미칠 수 있다.
※ 다음은 AIRBUS Flight Operations Briefing Notes를 발췌한 내용이다.
VMU(Velocity of Minimum Unstick)
이륙 활주 도중 항공기 기수를 최대로 올리면(기하학적 한계를 갖춘 항공기의 경우에는 활주로에 꼬리가 닿을 정도로 기수를 올리면) VMU가 달성된다. 항공기가 최초로 부양한 순간의 속도가 VMU이다. 따라서 VMU 이전에는 이륙이 불가능하다.
Note: A318을 제외한 모든 Airbus 항공기 유형들은 기하학적 한계를 갖추고 있다.
Takeoff Roll
활주로와 위치를 확인하였다면 비행기를 활주로 중앙에 정렬한다. 활주로 길이가 제한된 경우 AFM에서 명시하는 출력 설정으로 thrust levers를 조작하고 엔진이 안정화되는 동안 브레이크를 유지한다. 브레이크를 해제하기 전에, 혹은 출력을 더 증가하기 전에 엔진 계기들이 제대로 작동하는지 점검한다. 이러한 절차는 이륙 활주 도중 추력이 대칭이 되게 해주며 적절한 이륙 추력 세팅이 초과되는 것을 방지한다. 브레이크를 해제한 후 미리 계산해둔 이륙 출력 세팅으로 power levers를 설정하고60노트에 도달하기 전에 이륙 추력을 조정한다. 마지막 엔진 출력 조정은 보통 pilot not flying에 의해 수행된다. 엔진이 어떤 한계를 초과하는 경우에만 thrust lever를 retard 한다.
takeoff data(V1∙VR∙V2, 이륙 출력 세팅, 그리고 필요한 활주로 길이)를 매 이륙 전마다 계산해야 한다. FMS가 없는 비행기의 경우 이러한 데이터를 takeoff data card에 기록해야 한다. 해당 데이터들은 비행기 무게, 이용 가능한 활주로 길이, 활주로 경사, 공항 온도, 공항 기압, 바람, 착빙 조건, 그리고 활주로 조건을 기반으로 한다. 두 조종사는 FMS에 입력된 takeoff data를 검토하거나, 혹은 takeoff data를 각각 계산한 다음 비교검토를 수행해야 한다. 만약 지상 활주도중 이륙 계획이 변경되었다면takeoff data를 다시 계산해야 한다.
기장의 브리핑은 CRM(crew resource management) 절차의 필수적인 부분이다. 이는 이륙 전에 완료되어야 한다. [그림 16-12]
충분한 활주로 길이를 이용할 수 있다면 end of the runway에서 멈추지 않고 “rolling” takeoff를 수행할 수 있다. 비행기가 활주로를 향해 이동하고 있을 때 thrust levers를 recommended intermediate power setting으로 부드럽게 증가시켜서 엔진이 안정될 수 있게 만든다. 그런 다음에는 앞서 설명한 static takeoff와 동일하게 진행한다. 또한 브레이크를 해제함과 동시에 thrust levers를 idle 상태에서 전진시켜서rolling takeoffs를 수행할 수도 있다.
이륙 활주 도중 pilot flying은 비행기의 방향 제어에 집중해야 한다. 제트 비행기에는 프로펠러 비행기와 달리 토크로 인한 yawing이 없으므로 이 과정이 다소 쉬워진다. 비행기는 날개 수평 상태로 중심선을 정확히 유지해야 한다. 이는 엔진 고장이 발생하였을 때 저절로 조종사를 돕는다. 만약 측풍이 존재한다면 조종간을 측풍으로 가해서 날개 수평을 유지해야 한다. 이륙 활주 도중 pilot not flying은 항공기 시스템을 면밀히 모니터링 해야 하며 기장이 브리핑에서 지시한 V speeds를 call-out 해야 한다..
nose-wheel이 활주로에서 확실하게 움직일 수 있도록 조종간에 약간의 forward pressure를 가해야 한다. nose-wheel steering을 사용하는 경우 pilot flying은 대략 80노트(혹은 특정 비행기의 경우 VMCG)까지 nose-wheel steering을 모니터링 해야 한다. 이때pilot not flying은 조종간에 forward pressure를 가한다. VMCG에 도달한 후 pilot flying은 왼손을 조종간에 올려놓아야 한다. 반대쪽 손은 적어도 V1에 도달하기 전까지는 thrust levers 위에 있어야 한다. 이륙 활주 도중 pilot not flying이 엔진 계기를 계속하여 점검하긴 하지만 pilot flying(pilot-in-command)은 어떠한 이유로든 이륙 중단을 결정할 수 있다. 이륙을 중단하기로 결정하였다면 즉시 thrust lever를 retard 해야 한다.
이륙 및 상승은 특정 비행기를 위해 개발된 standard takeoff and departure profile에 따라 수행되어야 한다. [그림 16-13]
pilot not flying은 V1을 call-out 해야 한다. V1을 통과하였다면 pilot flying은 더 이상 thrust levers에 손을 두지 않아도 된다. abort 시점이 지났으므로 pilot flying은 양 손을 조종간에 올려놓을 수 있다. 대기속도가 VR에 가까워지면 조종간을 neutral position으로 조작해야 한다. VR에 도달하면 pilot not flying은 적절한 call-out을 해야 하며pilot flying은 적절한 이륙 자세로 비행기를 부드럽게 rotate 해야 한다.
Rejected Takeoff
모든 이륙은 다음과 같은 다양한 이유로 인해 rejected takeoff(RTO)로 이어질 수 있다: 엔진 고장, 화재나 연기, 활주로에 놓인 물체, 조류충돌, 타이어 펑크, ATC 지시, 혹은 중대한 비정상(예를 들어 warning horn 작동) 인지.
무분별한 rejected takeoff 결정, 그리고 부적절한 rejected takeoff 조종 기법은 이륙과 관련된 사고의 대부분을 야기한다. 120노트를 초과하는 속도에서의 high-speed aborts는 RTO overrun 사고의 대부분을 차지한다. 순간의 망설임은 활주로를 벗어나는 것과 안전하게 정지하는 것 사이의 차이를 만들 수 있다.
항공기에 대해 FAA가 승인한 takeoff data는 이상적인 조건(깨끗하고 건조한 활주로에서 최대 제동을 사용할 때. 단, 제동 거리를 계산하는데 reverse thrust는 사용되지 않는다)에서의 항공기 성능을 기반으로 한다는 것을 기억해야 한다. 허나 실제로는 제동 성능이 다음과 같은 다양한 요인에 의해 저하될 수 있다:
∙활주로 마찰 감소(grooved/non-grooved)
∙기계와 관련된 활주로 오염물질(고무, 기름 잔여물, 잔해)
∙자연과 관련된 오염물질(고인 물, 눈, 진창 눈, 얼음, 먼지)
∙풍향 및 풍속
∙낮은 공기 밀도
∙flap configuration
∙bleed air configuration
∙타이어 공기압 부족
∙MEL이나 CDL 항목으로 인한 페널티
∙wheel brake나RTO auto-brakes 부족
∙anti-skid 고장
∙조종사 기술 및 개인 숙련도
조종사가 반응하는데 필요한 시간을 고려하여 늦어도 V1 이전에 감속이 시작될 수 있도록 V1 이전에 go/no-go 결정을 내려야 한다. V1 전에 제동이 시작되지 못하였다면 기본적으로 이륙을 계속하기로 결정한다. RTO 기동을 V1으로부터 단 1초만 늦게 시작하여도 속도가 평균적으로 4 ~ 6노트 증가한다. 조종사가 RTO을 파악하고 기동을 수행하는데 있어 3 ~ 7초가 걸린다는 점을 고려하면V1 이전에 결정을 내려야 하는 것은 당연하다. 이에 따라 FAA는 V1의 정의를 확장하였으며 AC 120-62, “Takeoff Safety Training Aid”를 통해 몇 가지 새로운 용어들을 도입하였다.
V1의 확장된 정의는 다음과 같다:
a.) V1 – 성능 정보와 특정 조건을 기초로 매 이륙마다 계산되는 속도. V1은 다음을 나타낸다:
1.) rejected takeoff 시 남은 활주로(혹은 runway andstopway) 내에서의 안전한 정지를 보장하는 최대 속도.
2.) 특정 속도에서 critical engine이 고장 난 후 남은 활주로(혹은 runway and clearway) 내에서의 안전한 이륙을 보장하는 최소 속도.
3.) 특정 무게에 대한 minimum allowable field length를 운영할 때 성공적으로 정지하거나 이륙을 계속할 수 있는 하나의 속도.
b.) Minimum V1 – 특정 속도에서 critical engine이 고장 난 후 남은 활주로(혹은 runway and clearway) 내에서 안전하게 이륙할 수 있는 최소 V1 속도.
c.) Maximum V1 – rejected takeoff가 시작된 후 비행기가 남은 활주로(혹은 runway and stopway) 내에서 정지할 수 있는 최대 V1 속도.
d.) Reduced V1 – maximum V1이나 normal V1보다는 작지만 minimum V1보다는 큰 V1. 이는 RTO 제동 거리를 줄이기 위해 설정된다.
reduced V1은 wet runway나 contaminated runway와 관련된 제동 능력 감소를 고려하여 RTO 제동 거리를 적절하게 조정함과 동시에 조종사에게 약 2초의 인식 시간을 더해준다.
대부분의 항공기 제조업체들은 “low-speed” regime(예를 들어 80노트 이하)와 “high-speed” regime(예를 들어 100노트 이상)를 식별하도록 권장한다. “low-speed” regime일 때 오작동이나 비정상 상황이 발생하면(혹은 의심되면) 이륙을 중단해야 한다. “high-speed” regime일 때에는 치명적인 오작동이나 생명을 위협하는 상황이 발생한 경우에만 이륙을 중단해야 한다. 조종사는 RTO 기동 도중 활주로를 overshoot 할 risk에 대비하여 위협을 따져봐야 한다. low-speed regime에서 high-speed regime로 전환할 때 speed call-out을 하도록 SOP(standard operating procedures)가 조정되어야 한다. 이 타이밍은 조종사로 하여금 의사 결정의 중요한 순간이 임박하였음을 상기시켜 준다. 또한 이 타이밍은 계기를 crosscheck 할, 대기 속도를 확인할, 그리고 적절한 이륙 추력이 설정되었는지 확인할 마지막 기회를 제공함과 동시에 “challenge and response” 절차를 통해 조종사 무력화(pilot incapacitation)를 확인하는 역할을 수행한다.
※ 다음은 Skybrary의 Checklists - Purpose and Use를 발췌한 내용이다.
특정 중요 항목들은 challenge-and-response checklist를 통해 점검되며 이때 pilot-non-flying/pilot monitoring이 점검 항목을 읽고 pilot flying이 해당 항목(예를 들어 altimeter setting, flaps position, ground spoilers arming, 등등)의 상태를 확인한다.
브레이크는 가장 효율적인 제동력을 제공한다. 그러나 rejected takeoff 도중 비행 승무원의 초기 경향은 normal after-landing braking을 사용하는 것이다. RTO 기동 도중 브레이크를 바로 사용하지 않으면 제동 거리가 길어진다. throttle을 retard하고 spoilers를 전개한 후 브레이크를 적용하는 정상 착륙 방법 대신 즉시 최대 브레이크를 적용함과 동시에throttle을 retard 해야 하며 재빨리 spoilers와 thrust reverser를 사용해야 한다. 방향 제어를 유지하기 위해 불균등한 브레이크 압력을 적용하면 제동 효과가 저하된다. 타이어가 터지면 해당 타이어에 대한 제동 작용이 사라지며 인접 타이어들도 고장날 수 있다.
이륙 활주 도중 조종사가 go/no-go결정을 내리는 것을 돕고 불필요한high-speed RTO를 방지하기 위하여 일부 상업용 항공기제조업체는 중요하지 않은 장비의 청각적(혹은 시각적) 오작동 경고가 특정 속도까지는 발생하지 않도록 하였다.이는 조종사의 과잉 반응을 방지하며 안전한 이륙 대신 위험한 high-speed RTO 기동을 선택하는 경향을 방지한다. 실제로 성공적인 rejected takeoff는 장비의 특성의 영향을 받을 수 있다.
요컨대 rejected takeoff는 비상상황으로 인지되어야 한다. RTO의 안전은 다음을 통해 크게 향상될 수 있다:
∙takeoff decision speed에 대한 확장된 정의와 그 실질적 적용을 발전시키는 것을 목표로 SOP를 개발. 여기에는 speed regime의 전환을 식별하기 위한 점진적 callout을 포함한다.
∙향상된 CRM 훈련을 통해 비상상황과 비정상 상황에 대한 인식 증진.
∙성능 정보에 영향을 미칠 수 있는 요인들을 신중하게 고려하도록 조종사들에게 권장.
∙RTO 시연 도중 brakes, throttles, spoilers, 그리고 reverse thrust를 올바르게 사용하는 실습 교육을 확대.
∙이륙 활주도중 중요하지 않은 장비의 오작동 경고가 특정 속도까지는 작동하지 않도록 항공기 제조업체에게 권장.
Rotation and Lift-Off
제트 비행기의 rotation andlift-off는 계획적이고정교한 조종간 입력을 필요로 한다. 그 목표는 VR에서 이륙 자세로 rotation을 시작하여 VLOF로 가속한 다음 35ft AGL에서 V2를 달성하는 것이다. 이륙 자세를 향하여 너무 일찌감치 rotate를 수행하면 이륙 활주가 길어지거나 일찌감치 부양하여 상승률이 낮아지고 예상 비행경로로부터 벗어날 수 있다.반면 rotation이 늦어지면 이륙 활주가 길어지고 V2가 초과되며 이륙 및 상승 경로가 예상 비행경로보다 낮아진다.
모든 비행기는 특정 이륙 자세를 가지고 있으며 이는 무게에 관계없이 일정하게 유지된다.제트 비행기의 이륙 자세는 보통 10 ~ 15도 사이이다. rotation은 일정한 비율로 부드럽게 수행되어야 한다. 비행기에 따라 조종사는 초당 약 2.5 ~ 3도의 pitch 자세 증가율을 계획해야 한다.
훈련 도중 조종사가 VR과V2를 overshoot 하는 것은 일반적이다. 왜냐하면 VR이 막 지났을 때 pilot not flying이rotation을 call-out 하기 때문이다. pilot flying은 VR을 직접 확인한 다음 rotate를 늦게 시작할 수 있다. 정상 이륙 도중에는 비행기가 V2 이상의 속도에서 지면을떠났다 하더라도 문제가 없을 수 있다. 그러나 활주로 길이나 장애물이 제한되어 있을 때 rotation이 지연되면 위험할 수 있다. 일부 비행기에서는 급격하게 증가하는 비행 속도로 인해 정확한 속도로 비행되지 않는 한 비행경로가 engine-out scheduled flightpath보다 낮아질 수도 있다. 올바른 속도에서 올바른 증가율로 올바른 자세를 만들어야 올바른 속도 및 올바른 거리에서 비행기가 지상으로부터 이륙할 수 있다.
Initial Climb
올바른 pitch가 설정되었다면 이를 유지해야 한다. 이륙 출력 또한 계속 유지되어야 하며 속도가 증가해야 한다. positive rate of climb이 설정 및 확인되었다면 landing gear를 올려야 한다. 일부 비행기에서는 gear를 올릴 때 landing gear doors가 열리면서 항력이 순간적으로 증가할 수 있다. 이 경우 gear를 너무 일찌감치 올리면 비행기가 활주로 표면에 다시 안착할 수 있다. 또한 비행기가 활주로로부터 35 ~ 50ft까지 상승하기 전까지는 지면효과로 인해 positive climb이 VSI와 고도계에 표시되지 않을 수 있다.
조종사는 비행기가 flap retraction speed로 가속하는 동안 상승 자세를 유지해야 한다. 그러나 장애물 회피 고도나400ft AGL을 통과하기 전에 flaps를 올려선 안 된다. 지면 효과와항력 감소(landing gear up)로 인해 이 구간에서는 가속이 빠르다. 대기 속도, 고도, 상승률, 자세, 그리고 heading을 주의 깊게 확인해야 한다. 비행기가 안정적으로 상승하게 되면 조종간 압력이 trim 될 수 있다. 출력 감소를 수행하는 경우에는 필요에 따라 pitch를 동시에 줄여줘야 한다. 그리고 의도치 않은 성능 감소나하강이 발생하지 않도록 대기속도와 상승률을 확인한다.
미국의 경우 Administrator가 달리 승인하지 않는 한 10,000ft MSL 미만에서는 속도가 250KIAS로 제한된다(14 CFR part 91, section 91.117(a)). 해당 고도 이상에서의 best rate of climb speed가AFM에 게재되어 있다. 상승률을 높이도록 요청받았다면 pitch를 약간 높였을 때 속도가 줄어들면서 원하는 효과를 얻을 수 있다. 여기서 속도가 L/D MAX로 줄어들면 비행기는 best angle of climb speed에 놓인다. 이 속도에서의 상승률은 best rate of climb speed보다 낮다. 속도를 고도와 일시적 상승률로 전환하는 것을 “zoom climb”라 부른다. 이러한 유형의 상승은 수천피트 동안 상승률을 증가시킨다. 허나 궁극적으로는 전반적 상승 성능을 감소시킨다.
(출처: PHAK)
※ 다음은 항공안전법 시행규칙 제 169조(비행속도의 유지 등)를 발췌한 내용이다(시행 2024.3.13).
① 법 제67조에 따라 항공기는 지표면으로부터 750미터(2,500피트)를 초과하고, 평균해면으로부터 3,050미터(1만피트) 미만인 고도에서는 지시대기속도 250노트 이하로 비행하여야 한다. 다만, 관할 항공교통관제기관의 승인을 받은 경우에는 그러하지 아니하다.
② 항공기는 별표 23 제1호에 따른 C 또는 D등급 공역에서는 공항으로부터 반지름 7.4킬로미터(4해리) 내의 지표면으로부터 750미터(2,500피트)의 고도 이하에서는 지시대기속도 200노트 이하로 비행하여야 한다. 다만, 관할 항공교통관제기관의 승인을 받은 경우에는 그러하지 아니하다.
③ 항공기는 별표 23 제1호에 따른 B등급 공역 중 공항별로 국토교통부장관이 고시하는 범위와 고도의 구역 또는 B등급 공역을 통과하는 시계비행로에서는 지시대기속도 200노트 이하로 비행하여야 한다.
④ 최저안전속도가 제1항부터 제3항까지의 규정에 따른 최대속도보다 빠른 항공기는 그 항공기의 최저안전속도로 비행하여야 한다.
출력을 flight idle로 줄이고 L/D MAX로 감속해야 가장 부드럽고 연료 효율적인 하강이 이루어진다. 이 시나리오에서 조종사는 하강을 수행하고, 감속을 위해 수평을 만들고, 착륙을 위해 외장을 설정하고, final approach를 교차하고, stabilized descent를 위한 출력을 설정하기 전까지 점진적으로 감속할 것이다. 일반적인 descent profile에는 세 개의 하강 구간과 두 개의 감속 구간이 있다.
Descent Planning
일반적인 idle power 하강의 경우 TOD(top of descent. 그림 16-14의 A 지점)는 고도에 의해 결정되며 바람에 맞게 조정된다. 제트 비행기의 descent profiles는 보통 3도 경로에 근접하며 감속을 위해 필요한 시간/거리가 있다. 정확한 거리가 달라질 수도 있긴 하지만 하강 계획을 통해 조종사는 비행기보다 훨씬 앞서게 되며 자동화를 모니터링하기에 더 나은 위치에 놓인다.
공항을 향해 straight-in VFR approach를 하는 경우 TOD는 고도(천 피트 단위)에 3을 곱한 다음 감속에 필요한 거리(1마일 당 10 KIAS)를 더해서 계산할 수 있다. 공항 표고로부터 35,000ft를 비행하고 있다면 공항으로부터 대략 120마일에서 cruise descent가 시작될 것이다(이 예시에서는 cruise speed로부터 단계적 감속을 수행하기 위한 거리로 약 15마일을 가정. 따라서 35 x 3 + 15 = 120). [그림 16-14] 보통 공기 밀도의 증가로 인해 지시 대기속도가 적절한 하강 속도로 증가하기 전까지는 cruise Mach가 유지된다. 이는 보통 30,000ft 아래에서 이루어진다. 250노트로 감속하기 위해 공항으로부터 대략 40마일 10,000 MSL 지점(B 지점)에 도달하였다면 대략 35마일 지점에서 15마일 1,500ft 지점으로 하강을 다시 시작할 것이다.활주로로부터 5마일 지점에서 최종 하강이 시작될 수 있도록 감속 및 플랩연장을 계속한다. 최종 하강 도중1,000ft 지점에서는landing gear와landing flaps를 연장해야 하며 500ft 지점에서는 출력을 증가시켜서 stabilized approach를 위한 적절한 속도를 유지해야 한다.
TOD를 계산하흔데 영향을 미치는 변수들은 다음과 같다:
∙ 정풍/배풍 성분(순항 고도에서의 10노트 바람마다 거리를 1마일씩 조정)
∙ 공항 표고
∙ 지형 고려사항
∙ 입항 도중 활주로와의 정렬
∙ ATC vectors와 speed restrictions
∙ 접근의 유형
Descent Energy Management
하강 도중 조종사는 진행 상황을 주기적으로확인할 수 있다. 이때 어림수를 사용하면 계산이 단순해진다. 25,000ft는 75마일 근처에서 통과되어야 하며 20,000ft는 60마일에서 통과되어야 한다. 원하는 고도/거리로부터 편차가 있다면 에너지 상태를 조정해야 한다.
비행기에는 두 가지 형태의 에너지가 있다: 고도 형태의 위치 에너지, 그리고 속도 형태의 운동 에너지. normal operating regime에서는(L/D MAX 너머의 속도에서는) 속도 증가가 총 항력을 증가시키고 속도 감소가 총 항력을 감소시킨다.
L/D MAX 너머의 속도에서 idle power인 경우에는 속도 증가가 하강률을 증가시킨다. 특정 비행기에 대한 예시는 다음과 같다:
∙ 210 KIAS = 1,000 fpm
∙ 250 KIAS = 1,500 fpm
∙ 300 KIAS = 3,000 fpm
높은 속도에서의 높은 유해 항력은 하강률과 하강 각도에 상당한 영향을 미친다. 210노트에서 250노트로 속도를 20% 증가하면 하강률이 50% 증가한다. 허나 250노트에서 300노트로 속도를 20% 증가하면 하강률이 100% 증가한다. 따라서 하강 도중 원하는 고도보다 높은 고도에 있을 때 증속을 위해 기수를 낮추면 하강 각도가 증가해서 항공기가 적절한 경로로 되돌아올 수 있다. 반대로 원하는 고도보다 낮은 고도에 있을 때 감속을 위해 기수를 들면 하강 각도가 감소해서 항공기가 적절한 경로로 되돌아올 수 있다. 보통 10노트의 속도 변화만으로도 부드럽고 점진적인 수정이 가능하다.
속도 조절이 불가능하다면 low-energy state를 수정하기 위해 출력을 추가하거나high-energy state를 수정하기 위해 speed brakes를 사용할 수 있다. 출력이나speed brakes를 반복적으로 사용하였다는 것은 조종사가 하강을 적절히 계획 및/혹은 관리하지 못하였거나 입항 절차가 잘못 설계되었음을 나타낸다.
하강 도중 원래 계획하였던 하강 속도와 다른 하강 속도가 사용되었다면 top of descent point를 조정해야 한다. 예정보다 일찍 순항 고도를 떠난 다음 flight idle을 설정하고 느린 속도로 하강하면 연료 소모가 줄어든다. 반대로 여분의 연료를 연소하고자 한다면 예정보다 늦게 순항 고도를 나중에 떠난 다음 빠른 속도로 하강할 수 있다. 조종사는 항상 하강 도중 진행 상황을 검토해야 하며 필요에 따라 조정을 계속해야 한다.
계획된 하강 속도는 계획된 top of descent point의 위치에 영향을 미친다. [그림 16-15] 이 예시에서 두 제트 비행기는 동일한 순항 속도 및 고도에서 X 지점을 지난 다음 Y 지점을 10,000ft 및 250 노트로 도달할 계획이다. 250 노트 하강은 감속을 위한 거리를 필요로 하며 더 낮은 하강 경로를 제공한다. 300 노트로 하강하는 경우에는 순항 고도에서 더 오래 머물고, 가파른 각도로 하강하며, 250노트로 감속하기 위해 수평을 잡는다. 300노트로 하강하는 제트 비행기가 Y 지점에 먼저 도착하긴 하지만 연료를 더 많이 소모한다. 이 그림에는 없지만 X 지점으로부터 300노트로 하강하는 계획은 얕은 하강 경로상에서 속도 유지를 위해 출력을 필요로 하므로 비효율적이다.
계획된 TOD 지점 이전에 하강을 시작하면 목적지까지의 시간과 연료 소모가 증가한다. 계획된 TOD 이전에 descent clearance를 받았다면 pilot’s discretion에 따라 하강할 수 있는지를 ATC에게 물어볼 수 있다. 만약 이를 승인받았다면 미리 계획해둔 하강 지점에 도달하기 전까지는 속도와 고도를 유지할 수 있다. 즉시 하강해야 하는 경우에는 보통 원하는 경로에 도달하기 전까지 1,000 fpm으로 하강하는 것이 적절하다. 만약 계획된 TOD에 도달하기 전에 descent clearance를 받지 못하였다면 감속을 통해 비행기의 운동 에너지와 총 에너지를 감소시킨다. 그리고 clearance를 받았을 때 약간 가파르게 하강해서 고도를 운동 에너지로 전환하고 적절한 에너지 분배를 통해 비행기가 더 가파른 경로를 따르도록 한다.
14 CFR part 25, section 25.125는 제트 비행기의 착륙에 필요한 수평 거리를 규정한다. 이 규정은 착륙 표면으로부터 50ft 지점에서 착륙 및 완전 정지에 필요한 수평 거리를 landing profile이라 설명한다. 제조업체는 표준 기온에서의 dry · level runway로부터 landing distance를 결정한다(단, thrust reversers, auto brakes, 혹은 auto-land systems를 사용하지 않는 것을 기준으로 함). 조종사는 AFM 정보를 통해 착륙 무게와 환경 조건에 대해 예상되는 실제 착륙 요건을 결정한다. dry runway에 착륙하는 경우에는 보통 40% cushion을 더하는 것이 안전하다. 사용 가능한 활주로의 길이를 1.67로 나눈 값은 AFM에서 계산된 landing distance 이상이어야 한다. wet runway의 경우에는 거리를 15% 더 늘려야 한다. [그림 16-16]
즉, 조종사는 착륙을 위해 사용할 수 있는 최소 거리를 결정하기 위해 활주로의 길이를 1.67이나 1.92로 나눈다. 이러한 안전 여유와 함께 minimum dry runway field length는 actual distance의1.4배 이상이어야 하며 minimum wet runway landing field length는 actual distance의 1.61배 이상이어야 한다. 신중한 비행 계획을 통해 조종사는 안전 여유를 유지함과 동시에 특정 활주로에 대해 운반할 수 있는 연료, 승객, 혹은 화물의 하중을 결정할 수 있다. 목적지에 따라 안전 여유를 위해하중을 제한해야 할 수도 있다. 이는 종종 복잡한데왜냐하면 연료 하중이 자체적으로 안전에 영향을 미치기 때문이다.
certified landing field length 조건은 speed brakes와 maximum wheel braking이 사용된 제동에 대해 계산된다. reverse thrust는 certified landing distance를 설정하는데 사용되지 않는다. 허나 reversers를 사용할 수 있다면 반드시 사용해야 한다.
※ 다음은 대한항공 PERFORMANCE 교재를 발췌한 내용이다.
4. RUNWAY CONDITION
1) Dry
Runway 상에 수분이 없는 상태. Groove 나 수분 흡수 표면처리 강화가 제대로 유지되고 있는 활주로는 Runway 상태가 Wet 인 조건에서도 Braking Action 이 Dry Runway 와 거의 비슷하게 제공된다. Jeppesen 10-9A, 20-9A 또는 11-1 Airport Diagram 에서 Grooving 이나 Porous Friction Course Pavement 설치 상태를 알 수 있다.
2) Damp
활주로에 수분이 존재하지만 (Water Spot, 표면의 수분에 의한 변색) 충분히 젖어 있지 않는 상태이다.
3) Wet
활주로가 완전히 젖어있고, 표면이 반사되며, 물이 3mm (1/8inch) 미만의 깊이로 존재하는 상태이다.
· 다음의 경우에는 활주로 상태를 Wet로 간주하여야 한다.
- 비가 지속적으로 내리고 있는 상태 (Light/Moderate Rain)
- 비가 오다가 그쳤더라도 활주로가 젖어 있고 표면이 반사되는 상태
· Wet Equivalent
3mm (1/8inch) 미만의 Water 에 해당되는 Slush, Wet Snow, Dry Snow를 Wet Equivalent로 간주하여 Wet Runway 와 동일한 Performance를 적용한다.
4) Contaminated
· 사용되는 활주로 표면의 25% 이상이 상기 Wet 또는 Wet Equivalent 상태를 초과하는 Depth의 standing water/ Slush/Wet Snow/Dry Snow로 덮여있는 상태이다.
· Contaminated 조건에서는 항공기의 가속 그리고 감속성능이 둘 다 저하된다. 따라서 Contaminated 조건에서는 전형적인 Contaminant Depth 에 의한 Performance를 적용한다. Contaminated Runway로 의심되지만 Braking Action 만 보고될 때에는 기장은 가능한 모든 정보를 이용하여 Contaminant Depth를 예측 하여야 한다.
· 폭우 (Heavy Rain) 는 Contaminated Runway 상태로 간주한다.
참고) 특정 상황에서는 활주로를 contaminated runway로 간주하는 것이 적절할 수 있다: 예를들어 standing water나 slush가 이륙 초기에 존재하지 않고 부양 지점이나 고속으로 이륙 활주를 진행하는 부분에 위치한다면 이륙 성능이 더 크게 감소할 수 있다.이러한 상황에서는 활주로를 "wet" runway가 아닌 "contaminated" runway로 간주할 수 있다. (FAA AC 25-13 참조)
5) Slippery
· 활주로 말단 2/3, 즉 Braking 적용 지점에 Ice 또는 Compacted Snow 가 존재하는 상태이다.
· Slippery Runway 에서 가속은 영향을 받지 않는 것으로 가정한다. 이 경우에는 해당 활주로의 조건 또는 보고된 Braking Action에 따른 Performance를 적용한다.
· Wet runway, compacted snow covered runway, 그리고 icy runway는 slippery runway에 포함된다. 이륙 성능을 계산하기 위해선 reported braking action이 필요하다.
Landing Speeds
제트 비행기로 착륙을 수행할 때 고려해야 하는 특정 속도가 있다. 그 속도들은 다음과 같다:
∙VS0 – 착륙 외장에서의 실속 속도.
∙VREF – 착륙 외장에서의 실속 속도에 1.3을 곱한 것.
∙Approach climb – 엔진이 작동하지 않는 상태에서 복행을 수행할 때 충분한 성능이 보장되는 속도.
∙Landing climb – 착륙의 최종 단계를 진행하다가 하강을 중단하고 복행을 수행할 때 충분한 성능이 보장되는 속도(이때 항공기는 완전한 착륙 외장 상태이며 모든 엔진에서 최대 이륙 출력을 이용할 수 있음).
approach climb은 landing configuration이 아닌 approach climb configuration을 기준으로 한다. approach climb은 접근 초기에 수행될 수 있으므로 landing gear가 올려져 있고 flaps가 approach position에 놓여있다 가정한다. 복행이 시작될 때 한 쪽 엔진이 작동하지 않고 남은 한 쪽 엔진이 go around thrust에 놓여있다 가정한다.
Landing climb은 landing climb configuration을 기준으로 한다. 이는 비행기가 착륙을 위해 완전히 외장된 상태로 final approach를 진행하던 도중 실패 접근을 수행하는 경우를 대비하기 위해 필요하다. 이 경우에는 모든 엔진이 작동하고 있다 가정한다. 그리고 복행을 위해 throttle을 전진시키고 8초가 지난 후에 사용할 수 있는 추력으로 작동된다 가정한다. landing gear는 내려져 있다 간주되며 flaps는 landing position에 놓여있다. 속도는 해당 외장에서의 VREF를 초과하지 않는다 가정한다.
2) Landing Climb Performance
비행기는 landing climb requirement라 불리는 특정 minimum gradient(3.2%)를 충족할 수 있어야 한다.
조종사는 교통 장주(traffic pattern)를 비행해야 할 수도 있다. 조종사는 교통 장주를 기동하는 동안 VREF와 관련하여 final approach target speed까지 감속하기 전까지는 제조업체가 권장하는 속도를 사용해야 한다. 매 착륙마다 이 속도가 계산되어야 하며 두 조종사가 모두 볼 수 있는 곳에 배치되어야 한다.
제트 비행기의 접근 및 착륙 순서는 특정 비행기에 대해 개발된 approach and landing profile에 따라 수행되어야 한다. [그림 16-17]
Significant Differences
어떠한 형식의 비행기이든 안전한 접근은 활주로 시단에서의 특정 위치, 속도, 그리고 높이에서 달성된다. 이러한 최종 비행 조건은 모든 접근이 목표로 하는 target window이다. 프로펠러 비행기는 해당 window를 넓은 각도, 큰 속도 차이, 그리고 다양한 glidepath 각도로 접근할 수 있다. 허나 제트 비행기는 출력 수정과 경로 수정에 바로 반응하지 않기 때문에 final approach를 보다 안정적이고 신중하고 일정하게 수행해야 window에 정확하게 도달할 수 있다.
제트 비행기의 훌륭한 성능에도 불구하고 해당 비행기로 접근을 수행하는 것과 접근 오차를 수정하는 것은 피스톤 비행기보다 더 어렵다. 여기에는 여러 가지 이유가 있다.
∙ 특정 속도에서 즉시 추가 양력을 발생시켜주는 propeller slipstream이 없다. 급격히 출력을 증가한다 하여 glidepath 아래에서 상승할 수 없다. 양력을 더 발생시키기 위해선 기체를 가속해야 한다.
∙ power-on-stall speed를 낮춰주는 propeller slipstream이 없다. power-on stall speed와 power-off-speed 사이에는 사실상 차이가 없다. 제트 비행기에서는 실속을 피하기 위해 thrust levers를 증가시키는 것이 불가능하다.
∙ 제트 엔진은 낮은 rpm에서 반응이 더 느리다. 때문에 final에서 안정적인 속도 및 출력 설정으로 접근을 수행해야필요할 때마다 충분한 력을 사용할 수 있다.
∙ 제트 비행기는 크기가 비슷한 프로펠러 비행기보다 무거우며 접근 속도가 빠르다. 때문에 속도 변화나 경로 수정을 위한 가속도를 극복하기 위해선 더 큰 힘이 필요하다. 이로 인해 제트 비행기는 보통 프로펠러 비행기보다 반응이 느리므로 접근 도중 신중한 계획 및 안정적 조건이 필요하다.
∙ 제트 비행기는 속도가 증가하거나 감소한 후에 원래의 속도로 되돌아가려는 경향을 거의 보이지 않는다. 속도를 유지하기 위해선 조종사가 신속하게 속도를 조정해야 한다.
∙ 저속에서는 항력이 양력보다 빠르게 증가하여 높은 침하율을 발생시킨다. 접근 외장에서 제트 비행기의 날개는 보통 항력을 크게 증가시킨다. 침하율이 커졌을 때 이를 즉시 해결할 수 있는 방법은 pitch 자세(받음각)를 증가시키는 것이다. 항력이 양력보다 더 빠르게 증가하기 때문에 상당한 양의 력이 즉시 적용되지 않는 한 pitch의 변화로 인해 더 큰 침하율이 발생한다.
제트 비행기의 이러한 비행 특성들은 stabilized approach를 절대적으로 필요하게 만든다.
Stabilized Approach
AFM에 포함된 performance charts와 limitations는 특정 속도 및 무게에서 발생하는 가속도를 기반으로 한다. runway length limitations는 항공기가 1.3 VS0 속도에서 시단으로부터 50ft 상공을 통과한다는 것을 가정한다. 이러한 “window”는 매우 중요하며 stabilized approach의 주된 이유이다. 또한 성능 값들은 비행기가target touchdown zone(활주로로부터 대략 1,000ft 지점)에서 착륙한 후에 최대 제동을 사용하였다 가정한다.
stabilized approach의 기본 요소들은 다음과 같다:
∙접근 도중 1,000ft AGL 전까지는 착륙 외장 상태에 있어야 한다. landing gear를 내리고, landing flaps를 선택하고, trim을 설정하고, 연료 균형을 맞추어야 한다. 이러한 작업이 완료되었다면 final approach 도중 변수들이 최소화될 수 있다.
∙1,000ft 아래로 하강하기 전에 비행기가 profile에 놓여 있어야 한다. 비행기가threshold window에 가까워졌을 때 주의가 산만해지지 않기 위해선 접근 초기에 외장, trim, 속도, 그리고 glidepath를 최적의 매개변수 근처로 만들어야 한다. 최적의 glidepath angle(대략 3도)이 설정 및 유지되어야 한다.
∙500ft AGL 전까지는 지시 속도가 target airspeed로부터 0 ~ +10노트에 있어야 한다. 대부분의 제트 비행기에서 속도는 trim과 power 사이에 밀접한 관계를 가진다. 때문에 이러한 변수들을 최소화하기 위해 속도를 안정화시키는 것이 중요하다.
∙최적의 하강률은 ground speed에 따라 달라진다. 하강률을 위한 rule of thumb는 ground speed의 절반에 10을 곱하는 것이다. 예를 들어 130노트의 ground speed에서는650 fpm의 하강률이 필요하다. 보통 하강률은 500 ~ 700 fpm으로 계산된다. 과도한 하강률은 접근에 문제가 있음을 나타낼 수 있다.
모든 접근은 500ft 지점에서 평가되어야 한다. 일반적인 제트 비행기의 경우 이 지점은 대략 touchdown으로부터 1분 거리에 있다. 이 지점에서 접근이 안정화되어있지 않다면 복행을 수행해야 한다. [그림 16-18]
Approach Speed
final approach 도중 어떤 속도의 편차도 즉시 확인 및 수정되어야 한다. 경험을 통해 조종사는 airspeed trend의 증감이 시작되는 것을 감지할 수 있으며 이는 보통 미세한 조정을 통해 수정될 수 있다. 조종사는 반드시 대기 속도가 VREF 미만으로 떨어지지 않도록 해야 하며그렇지 않으면 높은 침하율이 발생할 수 있다. 침하율이 증가하는 것이 감지되었다면 받음각을 증가시킴과 동시에 추력을 증가해야 한다. 수정량은 침하율을 얼마나 줄여야 하는지에 따라 달라진다. 줄여야 하는 침하율의 양이 적은 경우에는 부드러운 수정만으로도 충분하다. 줄여야 하는 침하율의 양이 큰 경우에는 과감한 수정 조작이 필요하며설령 수정에 성공하더라도 접근이 불안정해질 수 있다.
접근을 수행하는데 있어 일반적인 실수는 과도한 접근 속도이다. 과도한 속도로 threshold window를 통과하면 최소 제동 거리가 증가한다. dry runway의 경우 1노트 당 20 ~ 30ft가, 그리고 wet runway의 경우 1노트 당 40 ~ 50ft가 증가한다. 더 나쁜 것은 과도한 접근 속도로 인해 flare가 연장될 가능성이 높아져서 touchdown이 1노트 당 약 250ft 씩 증가한다는 것이다.
final approach 도중 속도를 올바르게 제어하는 것은 매우 중요하다. 조종사는 약간의 속도 조절만이 필요하도록, 그리고 비행기가 정확한 속도로 threshold window에 도달하도록 해야 한다.
Glidepath Control
최적의 glidepath angle은 대략 3도이다. 시계 접근 도중 조종사가 flat approaches를 수행하려는 경향이 있을 수도 있다. 그러나 flat approach는 착륙 거리를 증가시키므로 피해야 한다. 예를 들어 3도의 권장 각도 대신 2도의 접근 각도를 사용하면 착륙 거리가 500ft 증가한다.
보다 일반적인 실수는 시단을 과도한 높이로 통과하는 것이다. 이는 unstable approach를 수행하였을 때, 혹은 비록 안정적이지만 높은 접근을 수행하였을 때 발생한다.또한 이는 missed approach point가 시단근처에 놓인 비정밀 접근을 수행할 때에도 발생할 수 있다. 그 원인과 상관없이 시단을 과도한 높이로 통과하면 정상적인 aiming point 너머에서 착륙하게 될 가능성이 높다. 시단으로부터의 높이에 50ft가 더해지면 착륙 거리가 약 1,000ft 증가한다. 비행기는 정확한 고도(활주로로부터 50ft)에서 threshold window에 도달해야 한다.
The Flare
flare를 통해 항공기는 접근 하강률에서 착륙에 적절한 하강률로 감소된다. 소형 비행기는 감속 도중 지면을 “hold off” 해야 하지만 제트 비행기는 활주로에 착지하도록 비행되어야 한다. 제트 비행기는 착륙 외장에서도 공기역학적으로 clean 하며 엔진은 idle rpm에서도 추력을 생성한다. 따라서 부드러운 착륙을 위해 flare 도중 hold off를 유지하면 착륙 거리가 크게 증가한다. 제트 비행기에서는 firm landing이 일반적이며 적절하다. firm landing은 hard landing을 의미하지 않는다. 대신 이는 의도적인 착륙을, 혹은 확실한 착륙을 의미한다.
대부분의 공항에서 landing gear는 end of the runway를 30 ~ 45ft 상공(landing flaps 설정과touchdown zone 위치에 따라 다름)에서 통과한다. 비행기가 end of the runway를 지나 착지하기 전까지 5 ~ 7초가 걸린다. landing gear가 활주로로부터 약 15ft에 있을 때 하강률을 100 ~ 200 fpm으로 줄일 수 있을 정도로 pitch를 높여서 flare를 시작한다. 이를 위해선 대부분의 제트 비행기에서pitch를 1 ~ 3도만 높여야 한다. flare가 진행됨에 따라 추력을 부드럽게 idle로 줄인다.
end of the runway로부터 touchdown까지 진행하는 도중에는 속도가 불과 몇 노트만 감소한다. flare 도중 추력이 감소되었을 때 대부분의 감속이 발생한다. 속도가 더 감소하는 도중 flare가 연장된다면(hold off) 된다면 수백, 혹은 수천 피트의 활주로가 사용될 수도 있다. [그림 16-19] 또한 flare가 연장되면 pitch 자세가 더 증가하여 tail strike가 발생할 수도 있다. 따라서 target touchdown point에서 안착하도록 비행하는 것이 필수적이다(설령 속도가 많다 하더라도). 매 비행 시 의도적인 touchdown을 계획 및 연습해야 한다. 확실한 touchdown은 flare가 연장되는 것을 방지하는데 도움이 된다.
조종사는 본인이 비행하는 모델의 flare 특성을 배워야 한다. 각 비행기에서 확인되는 시각 참조물은 다르다. 왜냐하면 창문의 기하학적 구조와 가시성이 다르기 때문이다. 조종사의 눈과 landing gear 사이의 기하학적 관계는 각 모델마다 다르다. flare가 적절한 높이(너무 높지도 너무 낮지도 않은 높이)에서 시작되는 것은 매우 중요하다.
flare를 너무 높은 곳에서 시작하면 비행기가 target touchdown point를 지나서 floating 할 수 있다. 추력을 너무 일찍 줄이면 과도한 침하율을 막기 위해 급격한 pitch up을 수행할 수 있으며이는 tail strike로 이어질 수 있다. flare가 너무 늦게 시작되면hard touchdown이 발생할 수도 있다.
flare 도중 추력을 적절하게 관리하는 것 또한 중요하다. 많은 제트 비행기에서 추력 설정 변경은 pitch trim에 상당한 영향을 미친다. 추력 설정의 급격한 변화는 빠른 elevator 반응을 필요로 한다. flare 도중 thrust levers를 idle로 너무 빠르게 줄이면 pitch를 급격하게 조정해야 할 수 있다. thrust levers를 천천히 움직일수록 elevator를 더 쉽게 조정할 수 있다.
Touchdown and Rollout
올바른 approach and flare는 비행기가 touchdown target zone(보통 활주로 시단으로부터 대략 1,000ft 지점)에 착륙하도록 위치시킨다. main wheels가 활주로에 닿으면 조종사는 방향 제어를 유지해야 한다. 그리고 남은 활주로에서 제동 과정을 시작한다. 착륙이 목표 지점에서 이루어졌다면 제동을 위한 runway distance available이 가장 길다. 만약 초과 속도가 없었다면 소멸되어야 할 에너지가 최소이다.
비행기는 빠른 속도로 움직이는 매우 큰 질량 덩어리이다. 매우 큰 총 에너지는 브레이크, 공기역학적 항력, 그리고 thrust reversers(사용 가능한 경우)를 통해 소멸된다. 착륙 후에 nose-wheel을 즉시 지면으로 낮추어야 한다. 왜냐하면 제트 비행기로 nose-high attitude를 유지하면 감속에 좋지 않기 때문이다. 그리고 nose-wheel tires가 지면에 닿으면 방향 제어를 유지하는데 도움이 된다. nose gear를 낮추면 날개 받음각이 감소하고, 양력이 감소하며, 더 많은 부하가 타이어에 걸린다. 이는 타이어와 지면 사이의 마찰을 증가시킨다. 제트 비행기를 위한 landing distance charts는 착륙 후4초 이내에 nose-wheel이 활주로로 낮춰졌다고 가정한다.
비행기를 제동하는데 사용할 수 있는 세 가지 힘은 다음과 같다: wheel braking, reverse thrust, 그리고 aerodynamic braking. 세 가지 중에서 브레이크가 가장 효율적이다. 따라서 이는 대부분의 착륙에 대해 가장 중요한 제동 요소이다. 활주로가 매우 미끄럽다면 reverse thrust와 aerodynamic brake가 지배적인 요소가 될 수 있다. reverse thrust와 aerodynamic drag는 고속에서 가장 효율적이다. 이 둘은 활주로 표면 상태의 영향을 받지 않는다. 반면 브레이크는 저속에서 가장 효율적이다. landing rollout distance는 touchdown speed, 제동에 적용된 힘, 그리고 이러한 힘이 적용된 시기에 따라 달라진다. 조종사가 제동에 적용될 힘과 이러한 힘이 적용될 시기를 제어하긴 하지만 최대 제동력이 타이어와 지면 사이의 마찰에 의해 제한될 수도 있다.
착지 후에 최대한 빨리 제동을 시작해야 한다. 그리고 항공기가 정지하거나safe taxi speed에 도달하기 전까지 부드럽게 제동을 계속한다. 단, 비행기에 anti-skid system이 장착되어 있지 않다면 주의해야 한다. 왜냐하면 강한 제동으로 인해 바퀴가 잠겨서 타이어가 미끄러질 수도 있기 때문이다.
방향 제어와 브레이크 제동은 모두 타이어 지면 마찰을 사용한다. 이들은 타이어가 제공할 수 있는 최대 마찰력을 공유한다. 둘 중 하나가 증가하면 다른 하나가 감소된다. 타이어 지면 마찰, 활주로 오염이 지면 마찰에 미치는 영향, 그리고 마찰을 최대한 활용하는 방법을 이해하는 것이 중요하다.
착지 후에 spoilers가 바로 전개되어야 한다. 왜냐하면 spoilers는 고속에서 가장 효율적이기 때문이다. 시기적절하게 spoilers를 사용하면 항력이 크게 증가한다. 허나 더 중요한 것은 spoilers가 날개 양력의 상당 부분을 없애버리는 것이다. 이는 비행기의 무게가 바퀴에 더 많이 실리게 만든다. spoilers는 바퀴 하중을 증가시켜서 타이어 지면 마찰력을 증가시킨다. 이는 최대 타이어 제동력을 사용할 수 있게 만든다.
thrust reverser는 spoilers와 마찬가지로 고속에서 가장 효율적이다. 이는 착지 후에 즉시 전개되어야 한다. 그러나 nose-wheel 이 지면에 닿기 전까지는 상당한 양의 reverse thrust를 사용하지 않아야 한다. reversers가 비대칭으로 전개되어 제어 불가능한 yaw가 발생하였다면 조종사는 방향 제어를 유지하기 위해 최대한 nose-wheel steering을 조작해야 한다. 활주로 길이가 충분하다면 idle reverse thrust를 사용하는 것이 적절할 수 있다.
