비행기가 운영되는 환경은 자동차와 다르다. 자동차 운전자는 상당히 좁은 시야로 운전하는 경향을 보이며 주로 전방 움직임에 초점을 맞춘다. 초보 조종사는 이처럼 비행기를 조종하려는 경향을 보인다. 교관은 비행기의 자세 인지에 대해 초보 조종사를 가르쳐야 하는 어려움에 직면한다. 자세 인지를 위해선 움직임에 대한 이해가 필요하다. 비행기는 bank, pitch, yaw 하면서 수평, 수직, 측면으로 움직인다. four fundamentals(straight-and-level flight, turns, climbs, descents)는 비행의 6가지 움직임을 통해 비행기를 조종하는 주요 기동들이다.
어떠한 주제이든 숙달을 위해선 먼저 기초부터 익혀야 한다. 비행에 있어 이러한 기초에는 직진 수평비행(straight-and-level flight), 선회(turns), 상승(climbs), 그리고 하강(descents)이 있다. 모든 비행 과목들은 이러한 기동들을 기반으로 하며 four fundamentals를 익히기 전에 고급 기동으로 넘어가려 시도하면 학습 과정이 저해된다.
다음을 생각해보라: 이륙은 지상 활주(이는 짧은 시간 동안 직진 수평비행으로 전환될 수 있음)와 상승이 조합된 것이다. 이륙한 후에는 첫 번째 navigation fix를 향한 상승과 선회가 수행되며이후 직진 수평비행이 뒤따른다. 목적지에 착륙하기 위한 준비 도중에는 하강, 선회, 그리고 직진 수평비행이 조합될 수 있다. 일반적인 범용 항공 비행기의final approach는 하강으로부터 직진 수평 비행으로 전환하면서 종료된다.
교관은 이러한 basic flight maneuvers에 대한 지식을 조종사들에게 제공해야 하며조종사들은 FAA(Federal Aviation Administration)의 PTS(Practical Test Standards)나 ACS(Airman Certification Standards)가 만족되는 수준으로 이 기동들을 결합할 수 있어야 한다. four fundamentals의 숙달이 부족하면 조종사가 더욱 복잡한 비행 기동으로 나아갈 때 효율적이고 능률적인 학습에 장벽이 될 수 있다.
비행기는 상하좌우로 움직일 수 있는 환경에서 비행한다. 위나 아래로 향하는 움직임은 비행 상태에 따라 달라질 수 있다는 것을 주의하라. 만약 비행기가 수평선에 대해 똑바로 위치한다면 조종간을 전방으로 밀었을 때 고도가 떨어질 것이다. 만약 비행기가 수평선에 대해 뒤집어져 있다면 조종간을 전방으로 밀었을 때 고도가 상승할 것이다. [그림 3-1] 다음 논의는 비행 조작과 관련된 조종사의 기준틀(frame of reference)을 고려한다. [그림 3-2]
조종사의 손:
• elevator pitch control을 조종사 쪽으로 당기면(즉, control wheel, yoke, control stick, 혹은 side stick controller를 후방으로 움직일 때. 이를 back pressure를 증가시킨다 부름) 비행기의 기수는 pitch axis(가로축)를 중심으로 조종사의 뒤로 회전한다. 조종사의 발에서 머리로 향하는 움직임이라 생각하면 된다.
• elevator pitch control을 계기 패널 쪽으로 밀면(즉, control wheel, yoke, control stick, 혹은side stick controller를 전방으로 움직일 때. 이를 forward pressure를 증가시킨다 부름) 비행기의 기수는 pitch axis를 중심으로 조종사의 앞으로 회전한다. 조종사의 머리에서 발로 향하는 움직임이라 생각하면 된다.
• aileron control에 우측 압력을 가하면(즉, control wheel이나 yoke를 시계방향으로 돌렸을 때, 혹은 control stick이나 side stick을 우측으로 움직였을 때) 비행기의 우측 날개가 조종사를 중심으로 낮아진다. 조종사의 머리에서 우측 엉덩이로 향하는 움직임이라 생각하면 된다.
• aileron control에 좌측 압력을 가하면(즉, control wheel이나 yoke를 반시계방향으로 돌렸을 때, 혹은 control stick이나 side stick을 좌측으로 움직였을 때) 비행기의 좌측 날개가 조종사를 중심으로 낮아진다. 조종사의 머리에서 좌측 엉덩이로 향하는 움직임이라 생각하면 된다.
조종사의 발:
• right rudder에 압력을 가하면 비행기의 기수가 조종사를 중심으로 우측으로 움직인다. 조종사의 왼쪽 어깨에서 오른쪽 어깨로 향하는 움직임이라 생각하면 된다.
• left rudder에 압력을 가하면 비행기의 기수가 조종사를 중심으로 좌측으로 움직인다. 조종사의 오른쪽 어깨에서 왼쪽 어깨로 향하는 움직임이라 생각하면 된다.
비행 중 조종면에 작용하는 모든 힘들이 균형을 유지하는 한 조종면은 고정된 위치를 유지한다. 조종면의 움직임에 대한 저항은 대기속도에 비례한다. 또한 이러한 저항은 조종면이 streamlined position으로부터 멀어질수록 증가한다. 기동 도중 조종사가 고려해야 하는 것은 조종면을 얼마나 움직여야 하는가가 아니라 원하는 결과를 얻기 위한 조종간 압력을 적용하는 것이다.
(streamlined position이란 neutral 상태를 의미한다)
조종사는 pitch and roll flight controls(aileron and elevator controls, yoke, stick, 혹은 side-stick control)를 손가락으로 가볍게 쥐어야 한다(손바닥 전체로 움켜쥐어선 안 된다). 조종면의 위치를 변화시키기 위해 조종간 압력을 적용할 때에는 오직 손가락만을 사용해야 한다.조종사들의 일반적인 실수 중 하나는 조종간을 손바닥으로 꽉 쥐어서 민감한 느낌이 사라지는 것이다. 이 실수는 비행기 조종에 중요한 요소인 "감각"의 발달을 방해하므로 조종사들은 초기 훈련 시 이 실수를 고려해야 할 수 있다.
미세한 rudder 압력 변화를 감지하기 위해선 양 쪽 발꿈치가 조종사의 발 무게를 바닥에서 지탱해야 하며 양 쪽 발볼은 각 rudder에 닿아있어야 한다. 다리와 발은 편안해야 한다. rudder를 사용할 때에는 한 쪽 발볼을 통해 압력을 부드럽고 고르게 적용해야 한다. 양쪽 rudder는 스프링이나 기계적 연결을 통해 상호 연결되어 있으므로 한 쪽 rudder에 압력을 가했다면 반대쪽 rudder 압력을 그에 비례해서 풀어야 한다.
요컨대 비행 중 조종사가 aileron and elevator controls와 rudder pedals에 가하는 압력은 항공기가 roll axis(세로축), pitch axis(가로축), 그리고 yaw axis(수직축)를 중심으로 움직이게 만든다. 조종면이 streamlined position으로부터 조금이라도 벗어나면공기의 움직임이 해당 표면에 힘을 가한다. 조종사가 조종간을 통해 느끼는 힘이 바로 이 힘이다.
Feel of the Airplane
계기에 의존하지 않고 비행 상태(예를 들어 직진 수평비행이나 하강)를 감지하는 능력을 보통 “feeling the airplane"이라 부른다. 이러한 ”감각“의 예로는 동체를 흐르는 기류의 소리, 조종간에서 느껴지는 진동, 엔진과 프로펠러의 소리와 진동, 그리고 물리적 가속을 통해 느껴지는 감각이 될 수 있다.
인간은 운동 감각(신체를 통해 움직임을 감지하는 능력)과 자기 수용 감각(움직임과 공간 감각에 대한 무의식적 감각)을 통해 “감각”을 느낀다. 이러한 자극들은 신경, 그리고 내이의 반고리관을 통해 감지된다. 운동 감각이 발달하게 되면 비행기의 방향과 속도의 변화에 대한 중요한 정보를 제공받을 수 있다. 허나 시각 정보가 없는 상황에서는(예를 들어 IMC상황에서는) 운동 감각만으론 한계가 있다. 운동 감각만을 전적으로 의존하는 것은 궁극적으로 방향감각 상실과 항공기 제어 상실로 이어진다.
이러한 “감각”을 발달시키기 위해선 특정 비행기에 익숙해져야 한다. 비행기에서 발생하는 소리, 진동, 그리고 힘에 의해 조종사의 감각이 훈련될 수 있도록 다양한 비행 조건에서 연습이 되어야만 감각이 발달한다. 다음은 몇몇 중요한 예시들이다:
• 공기의 움직임은 독특한 소음 패턴을 만들어낸다. 소리의 크기가 높아진다는 것은 비행기의 대기속도가 증가하고 pitch attitude가 낮아진다는 것을 나타낼 수 있다. 소리의 크기가 낮아진다는 것은 비행기의 대기속도가 감소하고 pitch attitude가 높아진다는 것을 나타낼 수 있다.
• 순항 상태에서의 엔진 소리는 상승 상태와 다르며 하강 상태와도 다르다. 고정 피치 프로펠러 비행기의 경우에는 pitch attitude가 증가하였을 때 엔진 소리가 감소하고pitch attitude가 감소하였을 때 엔진 소리가 증가한다.
• 선회 도중 조종사는 하중 계수(load factor)로 인해 좌석 쪽으로 힘을 받는다. 선회 도중 증가한 G force는 하강으로부터 pull up을 수행하는 것과 동일하게 느껴진다. 선회로부터 다시 수평비행 상태로 돌아올 때 감소한 G force는 상승으로부터 기수를 낮추는 것과 동일하게 느껴진다.
조종사에게 있어 실제 “감각”의 원인은 매우 중요하다. 이러한 실제 감각은 가속도(속도가 얼마나 빠르게 변화하는가)의 결과이다. 가속도는 속도의 크기 · 방향의 변화율을 나타낸다. 이러한 가속도는 비행 중 비행기와 탑승자에게 힘을 가한다. 조종사는 좌석에 가해지는 압력 변화를 통해 수직력을 감지하거나, 혹은slips나 skids 도중 좌석으로부터 좌우로 밀리는 수평력을 감지할 수 있다. 이러한 힘들은 조종사가 인지할 수 있어야만 유용해진다. 비행기에 대한 뛰어난 “감각”이 뛰어난 조종사는 아주 작은 가속도까지도 감지할 수 있다.
교관은 소리 · 진동 · 힘을 인지 및 반응하는 것과 단순히 이것들은 알아차리는 것의 차이점을 가르쳐야 한다. 이러한 지식은 비행기에 대한 “감각”을 발달시키는데 기여한다. 비행 훈련 초기에 비행에 대한 “감각”을 발달시킨 조종사는 더 어려운 훈련 시 어려움을 덜 겪을 가능성이 높다.
비행기의 자세는 특정 축과 자연 수평선 사이의 각도 차이에 의해 결정된다. 자연 수평선이 모호하거나 잘 보이지 않을 때에는 false horizon이 발생할 수 있다. 조종사는 자연 수평선에 대한 회화적 감각을 발달시켜야 하므로 false horizon은 중요한 개념이다. pitch attitude는 비행기의 세로축(항공기의 기수부터 꼬리까지 연장되는 축)과 자연 수평선 사이에 형성된 각도이다. Bank attitude는 비행기의 가로축(날개 끝부터 날개 끝까지 연장되는 축)과 자연 수평선 사이에 형성된 각도이다. [그림 3-3A와 3-3B] 비행기의 수직축(yaw)에 대한 각도 차이는 비행기의 진행 방향에 대한 자세로 자연 수평선에 대한 자세가 아니다.
비행기를 조종하기 위해선 수평선을 기준으로 비행기의 자세를 결정하는 두 가지 방법 중 하나가 필요하다. VMC(visual meteorological conditions)를“육안으로” 비행하는 경우에는 비행기의 날개와 cowling을 참조해서 비행기의 자세를 자연 수평선에 설정한다. 구름, 화이트아웃, 바다 위의 연무, 어두운 바다 등등으로 인해 자연 수평선이 보이지 않는 경우는 안전목적 상 IMC이다. [그림 3-4] IMC를 비행하거나 시각 참조물을 cross-check하는 경우에는 계기를 참조해서 자연 수평선에 대한 비행기의 자세를 결정한다.
비행기 자세 제어는 네 가지 요소로 구성된다: pitch control, bank(roll) control, power control, 그리고 trim.
• Pitch control – 자연 수평선이나 계기와 관련해서 기수를 올리거나 낮추기 위해 elevator를 통해 비행기 가로축을 중심으로 pitch attitude를 제어한다.
• Bank control – 자연 수평선이나 계기와 관련해서 bank angle을 설정하기 위해 ailerons를 통해 비행기 세로축을 중심으로 bank attitude를 제어한다.
• Power control – 대부분의 범용 항공 비행기에서 출력은throttle에 의해 제어되며 이는 특정 추력 세팅이 필요하거나 추력 변화가 필요할 때 사용된다.
• Trim control – 원하는 자세가 설정된 후 조종간에 가해지는 압력을 완화하기 위해 사용된다.
Note: Yaw control은 yaw가 발생하는 변화(예를 들어 adverse yaw와 프로펠러의 영향)를 상쇄하기 위해 사용된다.
초보 조종사에게 basic flight maneuvers을 소개할 때 “integrated(혹은 composite)" flight instruction을 사용하도록 권장된다. 이는 특정 비행 자세와 비행기 성능을 설정 및 유지하기 위해 외부 참조물과 계기를 사용하는 것이다. 초보 조종사가 이 기술을 사용하게 되면 더 정확하고 훌륭한 조종 능력을 달성하게 된다. 이러한 조종 기술은 경험을 통해 습관이 될 수 있지만 이 기술을 숙달하기 위해선 엄청난 노력을 해야 한다. 어떠한 경우이든 안전하고 효율적인 항공기 조종을 위해선 조종사의 시각적 기술이 충분히 개발되어야 한다. [그림 3-5]
integrated flight instruction의 기본 요소들은 다음과 같다:
• 조종사가 자연 수평선을 참조해서 비행기의 자세를 육안으로 제어한다. 대략 90%의 주의(attention)가 외부 시각 참조물과 공중 항적 스캐닝을 위해 사용되어야 한다. pitch attitude와 bank attitude를 육안으로 평가하는 과정은 계속되는 자세 정보로부터 비롯된다. 만약 원하는 자세로부터 벗어난 것을 확인하였다면 원하는 자세로 돌아가기 위해 정교하고, 부드럽고, 정확한 수정을 만들어야 한다. 조종사가 외부 참조물을 지속적으로 확인하고 즉각적으로 수정을 수행하면 비행기가 특정 heading, altitude, 그리고 flightpath로부터 벗어날 가능성이 최소화된다.
• 비행기의 자세는 계기 참조와 성능 확인을 통해 검증된다. 만약 비행기의 성능이 수정되어야 한다고 계기가 지시한다면 필요한 수정을 결정한 다음 자연 수평선을 통해 이러한 수정을 정교하고, 부드럽고, 정확하게 적용한다. 이후 계기를 참조해서 비행기의 자세와 성능을 다시 확인한다. 그런 다음 자연 수평선을 참조해서 수정된 자세를 유지한다.
• 조종사는 빠르게 계기를 확인해서 비행기의 성능을 모니터링 해야 한다. 주의의 10% 이상이 조종실 내부에 있어선 안 된다. 조종사는 적절한 계기를 신속하게 분석한 후 즉시 외부 참조물로 돌아와 비행기 자세를 제어하는 기술을 발달시켜야 한다.
조종사는 자연 수평선에 대한 외부 참조물과 해당 계기 지시 간의 상관관계를 잘 알아야 한다. 예를 들어 pitch attitude를 조정할 때 자연 수평선에 대한 조종사의 기준점은 몇 인치 이동해야 하지만 이는 비행기 자세계의 reference bar에서는 미미한 움직임에 해당할 수 있다. 마찬가지로 특정 bank angle로부터 벗어날 때 자연 수평선에 대한 비행기의 wingtips나 cowling을 참조한다면 해당 변화가 명확하게 보이지만 비행기 자세계에서는 거의 눈에 띄지 않을 수 있다.
초보 조종사가 만드는 가장 일반적인 실수는 조종실 내부를 보면서 pitch나 bank를 수정하는 것이다. 계기에 fixate 되는 것 또한 초보 조종사의 일반적 실수이다(때문에 외부 참조물로 되돌아가려는 의식적인 노력이 필요함). 교관은 초보 조종사의 기술을 발달시키기 위해, 혹은 계기에 fixate 되는 습관을 교정하기 위해 훈련 초기에 flight instrument covers를 사용할 수 있으며 이는 항공기 제어를 위해 외부 참조물을 사용하도록 강제한다.
(flight instrument covers의 예)
계기를 참조하는 비행의 복잡성(예를 들어 계기 지연과 자이로 세차)에 익숙하지 않은 초보 조종사는 항상 과도한 자세 수정을 하며 결국 “chasing the instruments”로 이어진다. 허나 자연 수평선을 기준으로 하는 비행기 자세는 어떤 계기보다도 더 즉각적이고 정확한 지시를 제공한다. 초보 조종사에게 있어 자연 수평선을 기준으로 비행기 자세를 설정할 수 없는 상황은 실제 비상 상황이며 integrated flight instruction을 사용한다 해서IMC를 비행할 준비가 되는 것은 아니다.
직진 수평비행은 heading과 altitude가 일정하게 유지되는 비행이다. 선회, 상승, 그리고 하강은 직진 수평비행이 변형된 것이므로 직진 수평비행을 수행하기 위한 적절하고 효과적인 기술이 형성되어야 한다. 직진 수평비행을 수행하는 능력은 반복과 연습을 통해 향상된다. 조종사가 외부 참조물을 인지하고, 계기를 확인하고, 의도치 않은 선회∙하강∙상승으로부터 효율적이고∙시기 적절하고∙비례적인 수정을 할 때 높은 수준의 기술이 만들어진다.
직진 수평비행은 자연 수평선과 비행기 참조점 사이의 관계를 의식적으로 고정하는 것이다. [그림 3-6] 이러한 참조점은 조종사의 좌석 위치, 높이, 그리고 자세에 따라 달라지므로 지상에서 설정되어야 한다. 조종사는 계기판 너머를 충분히 볼 수 있으면서 부담 없이 full rudder를 적용할 수 있도록 좌석을 조정한 상태에서 똑바로 앉아야 한다.
교관은 초보 조종사로 하여금 시각 참조점을 설정하는데 도움을 제공하기 위해 windshield나 cowling에 테이프나 마커로 참조선을 만들 수 있다. 수직 참조선은 지상에서 가장 잘 설정된다(예를 들어 비행기가 활주로 중심선에 있고 초보 조종사가 올바른 위치에 앉아 있을 때). 수평 참조선은 공중에서 가장 잘 설정된다(예를 들어 slow flight 도중, 그리고 순항 도중). 고도가 높아질수록 수평선까지의 거리가 멀어지긴 하지만 고도가 얼마이든 수평 참조점(horizon reference point)은 항상 동일하다. 왜냐하면 수평 참조점은 항상 수평선에 있기 때문이다. pitch attitude 조건은 다양하므로 여러 개의 수평 참조선이 필요하다. 허나 이러한 교구(teaching aids)는 보통 초보 조종사가 비행기 조종 시 언제 어디를 봐야 하는지 이해하기 전까지만 필요하다.
Straight Flight
일정한 heading을 유지하는 것은 비행기의 날개 끝과 자연 수평선의 관계를 육안으로 확인함으로써 이루어진다. 고익기인지 저익기인지에 따라비행기의 양 쪽 wingtips가자연 수평선으로부터 동일하게 위나 아래에 있어야 한다. 필요한 bank 수정은 조종사의 aileron과 rudder의 삼타일치를 통해 수행된다. [그림 3-7] 날개에 bank가 가해지면 비행기가 선회한다는 것을 이해해야 한다. 직진 비행의 목표는 조그마한 편차를 감지 및 수정하는 것이므로 미세 수정이 필요하다. attitude indicator(수평선에 대한 비행기의 날개 자세를 나타내는 계기)와 heading indicator(비행기의 heading을 나타내는 계기)를 빠르게 확인해서 bank attitude정보를 얻을 수도 있다.
원하는 수정 방향으로 aileron이나 rudder만 적용해서 직진 비행을 유지하는 것이 불가능하지는 않다. 허나 ailerons와 rudder를 개별적으로 사용하는 것은 올바르지 않으며 정교한 비행기 조종을 어렵게 만든다. 정확한 bank 조작을 위해선 aileron과 rudder가 삼타일치 되어야 한다. 비행기가 올바르게 trim 되었으며 기류가 안정적이라면 직진 수평 비행 도중 조종간 압력이 거의 필요하지 않다. 때문에 조종사는 불필요하게 조종간을 움직이는 습관을 형성해선 안 된다. 조종사는 수정이 필요한 시점을 인지한 다음정교하고∙부드럽고∙정확한 수정 조작을 하는 법을 배워야 한다.
조종사가 한 쪽 방향(좌석 위치로 인해 보통 좌측)을 계속 바라보려는 경향을 보일 수도 있으며 이로 인해 해당 방향으로 주의가 집중된다. 이는 조종사가 관찰해야 하는 각도를 제한할 뿐만 아니라 해당 방향을 향해 무의식적으로 조종간 압력을 가하게 만든다. 비행기의 자세가 정확한지 확인하기 위해, 그리고 안전한 비행을 위한 다른 요소들을 확인하기 위해 한 쪽 방향을 계속 바라보지 않되 끊임없이 비행기 바깥을 스캔하는 것이 중요하다. 양쪽 wingtips를 계속적으로 훑어보면 날개 수평을 확인할 수 있을 뿐만 아니라 다른 항적, 지형, 그리고 기상도 확인할 수 있으며 전반적인 상황 인식을 유지하게 해준다.
직진 비행은 선을 따라 비행하게 만든다. 바깥 참조를 위해 조종사는 전방의 특정 지점과 정렬된 수평선상의 한 지점을 선택한다. 만약 두 지점이 일직선으로 유지된다면 비행기는 그 두 지점에 의해 만들어진 선을 따라갈 것이다. 또한 조종사는 compass나 magnetic direction indicator가 가리키는 전방 지점을 VFR로 따라가서 경로를 유지할 수도 있으며 이때 경로가 유지되는지 확인하기 위해 계기를 잠깐씩 확인해야 한다. 수면이나 눈 덮인 표면 위를 비행할 때에는 지표면상의 지점을 사용하지 않는다. 이러한 상황에서는 magnetic heading을 사용해야 한다.
Level Flight
비행기를 수평상태로로 조종하는 방법을 배울 때에는 조종간을 손바닥으로 꽉 쥐지 말고 손가락으로 가볍게 쥐는 것이 중요하다. 조종사는 원하는 결과가 발생할 정도의 압력만을 조종간에 가해야 한다. 조종사는 조종간 압력과 참조점 움직임을 연관시키는 방법을 배워야 한다. 이를 통해 조종사는 미세 수정 시 계기나 바깥 참조물을 과도하게 확인하지 않되 조종간에 가해지는 압력의 양과 방향을 통해 비행기 자세 변화를 조절할 수 있다.
수평 비행을 위한 pitch attitude를 얻기 위해 먼저 자리에 똑바로 앉고, 비행기 기수 전방에 놓인 참조점을 선정하고, 자연 수평선에 대해 해당 참조점을 고정된 위치에 유지한다. [그림 3-8] pitch attitude가 올바른지 판단하기 위해 자연 수평선에 대한 참조점을 계기와 비교해야 한다. 만약 원하는 고도로부터 벗어나는 경향이 발생했다면 pitch attitude를 자연 수평선에 대해 재조정 해야 하며이후 고도가 수정되었는지 확인하기 위해 계기를 crosscheck 해야 한다. 수평 비행 기동에서 “increase the back pressure”나“increase pitch attitude”라는 용어는 자연 수평선에 대해 기수를 높이라는 것을 의미하며“decreasing the pitch attitude”나“decrease pitch attitude”라는 용어는 자연 수평선에 대해 기수를 낮추라는 것을 의미한다. 조종사의 주로 참조하는 것은 자연 수평선이다.
직진수평비행 도중 출력 설정이 일정하다면 비행기의 속도 또한 일정하게 유지된다. 엔진 출력을 의도적으로 높이거나 낮추어서 비행기 속도가 변화할 때 직진수평비행을 유지하는 훈련도 수행해야 한다. flaps, landing gear, 그리고 그 외 항력 발생 장치(예를 들어 spoilers)를 올리고 내리는 것 또한 pitching moments를 발생시킬 수 있다. airplane checkout 도중 다양한 외장의 영향을 경험해야 한다.
Common Errors
초보 조종사의 일반적 실수는 비행기의 기수만 보고 날개 수평을 유지하려는 것이다. 이 방법을 사용하게 되면 기수의 짧은 수평 참조선으로 인해 미세한 편차가 눈에 띄지 않을 수 있다. 허나 조종사가 wingtips를 참조한다면 수평 비행으로부터 벗어나는 것을 쉽게 인지할 수 있다. 따라서 수평 자세를 유지하기 위한 주요 참조물은 wingtips가 되어야 한다. 또한 이 기법은 한 쪽 날개가 낮아진 상태에서 heading 오차를 수정하기 위해 반대쪽 rudder를 가할 가능성을 없애는데 도움이 된다. 이러한 나쁜 습관을 지닌 조종사는 다른 비행 기동을 숙달하는데 어려움을 겪을 것이다.
trim 조종면은 조종사가 가해야하는 일정한 조종간 압력을 상쇄한다. 예를 들어 elevator trim은 소형 비행기에서 사용되는 일반적인 trim이다. 이는 특정한 pitch attitude를 유지하기 위해 조종사가 가해야 하는 압력을 상쇄하는데 사용된다. [그림 3-9] 그 결과 조종사는 다른 업무에 집중할 수 있다.
낮은 출력과속도, 그리고 비용 제한으로 인해 모든 소형 비행기가 완전한 세트의 trim(조종실에서 조절이 가능한 elevator trim, rudder trim, 그리고 aileron trim)을 가지고 있지는 않다. 대부분의 소형 비행기들은 조종실에서 조절이 가능한 elevator trim만을 장비한다. 비행기의 출력, 무게, 그리고 복잡성이 증가함에 따라 조종실에서 조절이 가능한 rudder trim과aileron trim이 있을 수 있다.
다수의 trim 축이 존재하는 비행기의 경우 rudder, elevator 그리고 aileron의 순서로 trim이 수행되어야 한다. 허나 속도가 변화할 때 rudder와 aileron을 계속해서 trim 하려 하면 불필요한 조종사 업무와 주의 산만이 발생한다. 속도가 변화할 때 rudder를 trim 하려는 것은 프로펠러 비행기에서 실용적이지 못하다. 왜냐하면 비행기에는 프로펠러 좌선회경향을 보정하는 기능이 내장되어있기 때문이다. 올바른 trim 절차는 다음과 같다. 일정한 airspeed와 pitch attitude를 만든 후 aileron 압력을 가하여 날개 수평을 유지한다. 그리고 이때 rudder 압력을 trim 한다. 그런 다음 aileron 압력을 완화하기 위해 aileron trim을 조정한다.
올바르게 비행기를 trim 하는 것은 훌륭한 조종 기술을 나타낸다. 조종사가 느끼는 조종간 압력은 비행 자세의 변화를 위해 의도적으로 조종력을 가한 결과여야 한다(비행기가 가하는 압력의 결과여서는 안 됨). trim을 조절하여 비행기를 조작하려는 경향은 trim과 관련된 일반적인 실수이다. trim으로 비행기를 조종하려는 경향은 심지어 숙련된 조종사들 사이에서도 나타나는 일반적인 실수이다. 먼저 원하는 비행 자세를 설정하고 이를 적절한 조종간 압력으로 유지한다. 그런 다음 조종간 압력을 가하지 않고도 원하는 자세가 유지될 수 있도록 조종간 압력을 trim 한다.
조종사가 aileron을 통해 원하는 선회 방향으로 날개를 기울이면 선회가 시작된다. left aileron 조종간 압력은 조종사를 기준으로 왼쪽 날개를 낮아지게 만든다. right aileron 조종간 압력은 조종사를 기준으로 오른쪽 날개를 낮아지게 만든다. 다시 말해 왼쪽으로 선회하려면 조종간을 왼쪽으로 가해서 왼쪽 날개를 낮춰야 하고오른쪽으로 선회하려면 조종간을 오른쪽으로 가해서 오른쪽 날개를 낮춰야 한다. bank angle의 양에 따라, 그리고 비행기 설계에 따라 특정 bank angle에서는 aileron 압력을 풀어도 비행기가 계속 선회할 것이다. 선회를 수행하는 순서는 다음과 같을 수 있다:
1. 비행기를 bank지게 만든다. 그리고 손실된 수직 양력 성분을 보상하기 위해 충분한 출력을 적용하거나pitch를 높인다.
2. bank가 증가하는 것을 막고 원하는 bank angle을 유지하기 위해 조종간 압력을 풀어준다.
3. 반대쪽으로 aileron을 가해서 비행기를 수평으로 되돌린다.
4. 수평 비행을 위해 aileron 압력을 풀어준다. 그리고 출력이나 pitch를 줄여준다. [그림 3-10]
선회는 다음의 결과이다:
• ailerons는 날개를 bank지게 만드며 주어진 대기속도에 대한 선회율을 결정한다. bank로 인해 양력은 수직 성분과 수평 성분으로 나뉜다. 양력의 수평 성분은 bank 방향을 향해 비행기를 움직이게 만든다.
• elevator는 비행기의 기수를 위아래로 움직인다. 만약 선회 도중 조종사가 출력을 보충하진 않았으나 충분한 속도 여유가 있다면 고도를 유지하기 위해 pitch를 약간 증가시켜야 한다. 이는 선회로 인한 날개 양력 감소를 보상하기 위함이다.
• 비행기의 vertical fin은 양력을 생산하지 않는다. vertical fin은 비행기 안정성을 위한 표면으로 비행기가 직진할 때에는 양력이 발생하지 않는다. vertical fin의 목적은 비행기 꼬리가 기수의 뒤편을 유지하도록 만드는 것이다.
(출처: PHAK)
• throttle은 추력을 제공하며이는 대기속도를 제어할 때, 그리고 선회 반경 변화시킬 때 사용될 수 있다.
• 조종사는 rudder를 통해 모든 adverse yaw를 상쇄한다. adverse yaw는 양 쪽 날개의 양력 차이에 의해, 그리고 엔진/프로펠러에 의해 발생한다. rudder는 비행기를 선회시키지 않으며 이는 삼타일치를 유지하기 위해 사용된다.
이 논의를 위해 선회는 세 단계로 나뉜다: shallow, medium, steep.
• Shallow turns - bank angle이 대략 20도 이하일 때. 조종사가 bank angle을 유지하기 위해 aileron 압력을 유지하지 않는 한 비행기의 가로 안정성으로 인해 날개가 천천히 수평으로 돌아갈 것이다.
• Medium turns - bank angle이 대략 20도에서 45도 사이일 때. medium bank에서는 비행기의 가로 안정성이 날개를 수평으로 되돌려놓지 않는다. 때문에 조종사가 조종간 압력을 유지하지 않아도 비행기가 일정한 bank angle을 유지하려는 경향을 보인다. 조종사는 bank를 유지하기 위해 aileron 압력을 풀어주어야 한다.
• Steep turns - bank angle이 대략 45도 이상일 때. 비행기의 overbanking을 막기 위해 반대쪽 aileron 압력을 주지 않는 한 비행기의 bank가 계속해서 선회 방향으로 깊어진다. 반대쪽으로 가해야 하는 aileron 압력의 양은 다양한 요인(예를 들어bank angle과 airspeed)에 의해 달라진다.
비행기가 직진수평 비행을 할 때에는 총 양력이 날개와 지구에 수직으로 작용한다. 비행기가 선회를 할 때에는 총 양력이 두 가지 성분(수직 성분과 수평 성분)으로 나뉜다. [그림 3-11] 수직 양력 성분은 지구에 수직으로 작용해서 중력에 대응한다. 수평 양력 성분은 지구 표면과 평행하게 작용해서 원심력에 대응한다. 이 두 양력 성분은 서로 직각으로 작용하며 그 결과로 발생하는 총 양력은 비행기의 날개에 수직으로 작용한다. 비행기를 선회시키는 것은 수평 양력 성분이지 rudder가 아니다.
일정한 고도에서 일정한 속도로 선회를 수행하기 위해선 선회 시 elevator back pressure를 증가시켜서 날개 받음각을 증가시켜야 하며 항력 증가로 인한 속도 손실을 보상하기 위해 출력을 증가시켜야 한다. 이러한 조작은 총 양력이 수직 성분과 수평 성분으로 나뉘었기 때문에 필요하다. 고도를 유지하기 위해선 수직 양력 성분이 무게와 균형이 되도록, 그리고 총 양력이 load factor와 균형이 되도록 증가해야 한다(왜냐하면 총 양력은 날개에 수직으로 작용하기 때문).
선회 도중 rudder는 삼타일치를 위해 존재한다. 양력이 증가하면 항력도 증가한다. 조종사가 선회를 위해 ailerons를 가하면 상승 날개의 양력과 항력은 둘 다 증가하고 하강 날개의 양력과 항력은 둘 다 감소한다. [그림 3-12] 상승 날개의 항력 증가와 하강 날개의 항력 감소는 비행기를 선회 반대 방향으로 yaw 하게 만든다. 이러한 adverse yaw를 보상하기 위해선 선회 방향으로 aileron을 적용할 때 rudder도 함께 적용해야 한다. 이러한 조작은 삼타일치 선회를 만들기 위해 필요하다. 삼타일치는 비행기 조작에 있어 중요한 부분이다. 조종사가 삼타일치가 적용되지 않은 조작을 유지할 경우 문제가 발생할 수 있으며 이는 스핀으로 이어질 수도 있다. 이는 특히 낮은 고도(예를 들어 공항 장주 패턴)를 운영할 때위험하다.
삼타일치가 적용되지 않을 경우 조종사는 선회 바깥쪽이나 안쪽으로 밀리는 느낌을 받을 수 있다. [그림 3-13] skid란 조종사가 선회 바깥쪽으로 밀리는 느낌을 받을 때이고 slip이란 조종사가 선회 안쪽으로 밀리는 느낌을 받을 때이다. skid나 slip을 느끼는 능력은 시간이 지남에 따라 발달하며비행 “감각”이 발달함에 따라 조종사는 계기를 과도하게 의존하지 않고도 slip이나 skid에 민감하게 반응할 수 있어야 한다.
Turn Radius
대기속도, bank, 그리고 선회 반경의 관계를 이해하기 위해선 특정 진대기속도에서의 선회율이 양력의 수평 성분에 따라 달라진다는 것을 알아야 한다. 양력의 수평 성분은 bank의 양에 비례한다. 따라서 특정 대기속도에서의 선회율은 bank angle의 커질수록 증가한다. 반면에 특정 bank angle에서 더 높은 대기속도로 선회하게 되면 관성이 더 커지고 선회에 필요한 양력의 수평 성분이 더 커지며 결국 선회율이 감소한다. [그림 3-14] 따라서 특정 bank angle에서 대기속도가 높아지면 선회율이 감소하므로 선회 반경이 더 커진다.
선회 반경이 작아질수록 선회 안쪽 날개의 속도와 선회 바깥쪽 날개의 속도 사이에 엄청난 차이가 발생한다. 같은 시간 동안 선회 바깥쪽 날개가 선회 안쪽 날개보다 더 긴 경로를 이동한다.
결국 선회 바깥쪽 날개가 선회 안쪽 날개보다 더 빠른 속도로 움직이며 그 결과로 더 많은 양력을 생산한다. 이는 overbanking tendency를 발생시키므로원하는 bank angle에 도달하였다면 반대쪽 aileron을 가해서 overbanking tendency를 제어해야 한다. [그림 3-15] 선회 바깥쪽 날개가 더 많은 양력을 생산하므로 항력 또한 더 많이 생산한다. 이러한 항력 증가로 인해 steep turns 도중 약간의 slip이 발생하므로이를 rudder로 수정해야 한다.
Establishing a Turn
소형 단발 비행기의 엔진 cowling 상단은 보통 매우 평평하며 이는자연 수평선에 대해 초기 bank angle을 설정하기 위한 지표를 제공한다. [그림 3-16] 이후 조종사는 정확한 bank angle이 만들어졌는지 확인하기 위해 계기를 cross-check 하여야 한다. 자세계는 수평선에 대한 날개의 각도를 보여준다.
조종사가 비행기에 앉는 자세는 외부 시각 참조물을 판단하는데 영향을 미치므로 이는 중요하다. 일반적인 실수로 조종사가 선회 도중 수평선으로부터 수직 자세를 유지하기 위해 선회 반대쪽으로 몸을 기울일 수 있다는 것이다. 시각 참조물을 사용하는 방법을 제대로 배우기 위해선 이 문제를 즉시 고쳐야 한다. [그림 3-17]
대부분의 항공기가 좌우 복좌식(side-by-side seating)이므로 조종사는 비행기의 세로축에 앉아 있지 않는다. 조종사는 보통 세로축의 약간 왼쪽에 앉는다. 시차오차(parallax error)로 인해 좌선회를 할 때에는 비행기의 기수가 올라가는 것처럼 보이고(조종사가 세로축에 비해 낮아지기 때문) 우선회를 할 때에는 비행기의 기수가 내려가는 것처럼 보인다(조종사가 세로축에 비해 높아지기 때문). [그림 3-18]
초보 조종사는 aileron과rudder를 가할 때 큰 조종간 입력을 사용해선 안 된다. 조종간 입력이 크면 roll in rates가 빨라져서 조종사가 수정을 판단 및 수행할 시간이 거의 없기 때문이다. 조종간 입력이 작으면 roll in rates가 덜 빨라져서 조종사가 적절한 수정을 정확히 수행하는데 충분한 시간을 갖는다.
선회를 시작할 때 고려해야 할 몇 가지 사항들은 다음과 같다:
• 비행기가 기울어지기 전에 기수가 움직이기 시작했다면 rudder가 너무 빨리 적용된 것이다.
• 기수가 움직이기 전에 비행기가 기울어졌거나 기수가 반대 방향으로 움직였다면 rudder가 너무 늦게 적용된 것이다.
• 비행기가 기울어질 때기수가 위/아래로 움직였다면 elevator back pressure가 과도하게/불충분하게적용된 것이다.
bank가 설정된 후에는 bank angle에 따라 aileron압력을 완화하거나 조절해서 비행기의 안정성이나overbanking tendencies를 보상할 수 있다. 원하는 bank angle을 유지하기 위해선 적절한 aileron 압력을 적용해야 한다. shallow bank angle의 경우에는선회 방향으로 약간의 aileron 압력을 유지해야 하며 yaw effects를 보상하기 위해 rudder도 가해야 한다. medium bank angle의 경우에는 aileron과rudder 압력을 풀어야 한다. steep bank angle의 경우에는bank가 깊어지는 것을 막기 위해 선회 반대 방향으로 aileron과 rudder 압력을 가해야 한다.
고도를 유지하기 위해선 양력의 수직 성분이 유지되어야 하므로 elevator back pressure를 풀어선 안 된다. 선회 도중 조종사는 자연 수평선을 참조해야 하고, 다른 항적을 확인해야 하며, 성능 확인을 위해 종종 계기를 cross-check 해야 한다. 항력 증가로 인해 대기속도가 감소한다.shallow bank angle에서는 보통 대기속도 감소가 크지 않지만더 가파른 선회에서는 대기속도를 유지하기 위해 출력을 더 가해야 할 수 있다. 선회 도중 고도가 유지되지 못한다면 자연 수평선에 대해 pitch attitude를 수정해야 하며 성능을 확인하기 위해 계기들을 cross-check 해야 한다.
Steep turns는 정확하고, 부드럽고, 시기적절한 조종간 입력을 필요로 한다. ailerons로 bank angle을 일정하게 유지하는 동안 elevator back pressure를 통해 pitch attitude를 미세 수정한다. 허나 steep turns 도중 조종사가 기수를 과도하게 낮추어 짧은 시간 내에 상당한 고도 손실이 발생하는 것은 흔한 일이다. 회복 절차는 다음과 같다. 먼저 선회 반대 방향으로aileron과 rudder를 적용해서 bank angle을 줄여주고elevator back pressure를 높여서 pitch attitude를 증가시킨다. elevator만으로 nose-low, steep bank 상태를 회복하려 시도하면 bank가 더 가팔라지며 비행기에 불필요한 응력을 가한다. 항력 증가를 보상하기 위해 출력을 적절히 적용하면 steep turn이 개선될 수 있다. steep turn의 목적과 조종간 압력에 따라 elevator back pressure(bank angle이 30도를 지나면서 점점 증가)를 trim 하는 것은 조종사에게 도움이 될 수 있다.
bank가 적용되어 있는 한 비행기가 계속 선회하므로 원하는 heading에 도달하기 전에 rollout을 시작해야 한다. 원하는 heading에서 rollout 하는데 필요한 lead의 양은 선회에 사용된 bank angle에 따라 달라진다. rule of thumb는 bank angle의 절반을 lead로 사용하는 것이다. 예를 들어 bank가 30도이면 15도 전방에서 rollout lead를 잡는다. rollout을 수행하는 방법은 roll-in을 수행하는 방법과 유사하다(단, 조종간이 반대 방향으로 적용된다는 점 제외). 먼저 aileron과 rudder를rollout 방향으로 적용한다. bank angle이 감소할 때 elevator pressure를 풀어주어야 고도가 유지된다. 날개가 수평이 되는 동안 조종간 압력을 부드럽게 풀어주어서 비행기가 직진 수평비행으로 돌아왔을 때 조종간이 중립 상태에 놓여야 한다. 만약 trim이 사용되었다면 trim이 조정되기 전까지는 forward elevator pressure가 필요할 수 있다. rollout이 완료되었다면 외부 시각 참조물과 계기를 통해 날개가 수평이 되었으며 선회가 멈추었는지 확인해야 한다.
elevator와 ailerons는 하나의 조종간에 의해 조작되므로 의도하는 압력만 의도하는 조종면에 적용하는 연습이 필요하다. 예를 들어 초보 조종사는 bank만 가하려 했으나 의도치 않게 pitch도 가할 가능성이 있다. 이러한 오조작은 조종간 설계에 의해 감소될 수 있다. 허나 부드럽고, 정교하고, 정확한 조종간 입력을 위해선 연습이 필요하다. 예를 들어 stick control에서는 우측으로 선회할 때 하강하는 것, 그리고 좌측으로 선회할 때 상승하는 것이 일반적이다. 왜냐하면 팔은 팔꿈치 관절로부터 회전하려는 경향이 있으므로 조종사가 조심하지 않으면 부수적인 포물선 움직임이 만들어지기 때문이다. 마찬가지로 기수를 낮추면 우선회가, 그리고 기수를 높이면 좌선회가 발생하는 경향이 있다. 이러한 동작은 오른손으로 stick을 움직이는 조종사에게 적용된다. control wheel을 갖춘 비행기에서는 조종간 위치와 조종사 좌석에 따라 이러한 의도치 않은 동작이 덜 발생할 수 있다. 어떠한 조종간을 사용하든 조종사는 기수가 수평선을 따라 상하좌우로 움직이는 시각 이미지를 유지해야 하며 의도치 않은 움직임을 구분해야 한다.
수평 선회를 수행할 때 발생하는 일반적인 실수:
1. 선회 방향에 다른 항적이 있는지 충분히 확인하지 못함.
2. 선회 도중 상승하거나 하강함.
3. 원하는 bank angle을 일정하게 유지하지 못함.
4. 계기만을 참조해서 선회를 수행하려 시도함.
5. 선회 반대 방향으로 몸을 기울임.
6. 비행기에 대한 감각이 부족함(그 증거로 계기 없이는 slips나 skids를 감지하지 못함)
