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Climbs and Climbing Turns

비행기가 상승에 진입하기 위해선 중력을 극복하기 위한 초과 양력이 발생해야 한다. 더 많은 양력이 만들어지면 더 많은 유도항력이 발생하므로 속도가 감소한다. 증가한 항력을 상쇄하기 위한 충분한 추력이 존재하는 경우에만 비행기가 상승을 유지할 수 있다. 따라서 상승률은 excess thrust의 양에 의해 제한된다.

조종사는 다음과 같은 유형의 상승을 만들어내는 엔진 출력 세팅, 자연 수평선에 대한 pitch attitude, 그리고 계기 지시를 알아야 한다.

∙ Normal Climb – 비행기 제조업체가 권장하는 속도. normal climb speed는 보통 비행기의 best rate of climb보다 높다. 더 높은 속도는 엔진 냉각, control authority, 그리고 전방 시야를 향상시켜준다. normal climb는 때때로 cruise climb라 불린다.

∙ Best rate of climb(VY) - 단위 시간당 가장 많은 고도를 생산하는 속도. 이 속도는 보통 장애물이 없는 활주로에서 초기 상승 시 사용되며 normal climb 외장으로 전환하기 전까지 유지된다.

∙ Best angle of climb(VX) - 단위 거리 당 가장 많은 고도를 생산하는 속도. 비록 동일한 고도에 도달하는데 VX가 VY보다 더 오래 걸리긴 하지만 이 속도는 더 가파른 상승으로 이어진다. VX는 이륙 후 장애물(예를 들어 나무)을 회피하기 위해 사용된다. [그림 3-19]

고도가 높아질수록 VX 속도는 증가하고 VY 속도는 감소한다는 것을 유의해야 한다. AFM/POH에 포함된 성능 차트를 참조해서 해당 환경 조건에 대한 정확한 속도가 사용되는지 확인해야 한다. VX 속도와 VY 속도가 교차하는 지점은 absolute ceiling으로 이는 비행기가 더는 상승할 수 없는 고도이다. [그림 3-20]

Establishing a Climb

 

자연 수평선에 대해 비행기 기수를 참조해서 elevator back pressure를 부드럽게 증가시키고 이와 동시에 엔진 출력을 상승 세팅으로 증가시키면 직진 상승이 시작된다. 상승 자세를 유지할 때 wingtips를 참조해야 하며 성능을 검증하기 위해 계기들을 cross-check 해야 한다. 많은 항공기의 경우 출력이 증가하면 horizontal stabilizer를 흐르는 slipstream이 증가해서 비행기의 pitch attitude가 생각보다 더 높아지게 된다. 조종사는 slipstream의 영향 뿐만 아니라 속도 변화에 따른 양력 변화의 영향도 대비해야 한다. 조종사는 원하는 pitch attitude를 설정하는데 필요한 조종간 압력을 사용할 준비가 되어있어야 한다.

 

만약 상승이 순항 비행에서 시작된다면 비행기가 상승 자세로 진입함에 따라 속도가 점진적으로 감소한다. 직진 수평비행을 유지하는데 필요한 추력으로는 동일한 속도의 상승을 유지할 수 없다. 상승 시 발생하는 항력 증가는 고도 증가를 위한 양력 증가에서 비롯된다. 상승을 수행하기 위해선 수평 비행을 유지하는데 필요한 양력보다 더 많은 양력이 필요하다. 양력 증가는 유도항력 증가를 만들어낼 것이다. 이러한 유도항력 증가 때문에 더 많은 출력이 필요하며 지속적인 상승엔 excess thrust가 필요한 것이디.

 

사실상 중력은 상수이다. 벡터 다이어그램을 보면 상승 도중 더 많은 양력이 필요한 이유를 알 수 있다. 왜냐하면 날개에서 형성된 양력의 수직 성분이 더 이상 날개와 수직이 아니며 항력을 증가시키기 때문이다. 엔진으로부터 추력의 수직 성분을 증가시켜서 총 수직력을 높이기 위해 출력을 권장 상승 세팅으로 전진해야 한다. 가변 피치 프로펠러를 갖춘 비행기의 경우에는 엔진 출력을 증가시키기 전에 propeller control을 전진해야 한다. 효율적인 엔진 냉각을 위해 일부 비행기는 cowl flaps를 갖출 수 있으며 cylinder head temperature가 제조업체의 제한치 이내에 있도록 cowl flaps position을 설정해야 한다.

자연흡입 엔진(aspirated engines)의 경우 고도가 높아질수록 출력이 감소한다. 고도가 높아지면 공기 밀도가 감소하여 출력이 감소한다. 고정 피치 프로펠러를 갖춘 비행기의 경우에는 rpm의 감소가 나타나며 가변 프로펠러를 갖춘 비행기의 경우에는 manifold pressure의 감소가 나타난다. 조종사는 상승 출력이 유지되는지, 그리고 압력과 온도가 제조업체의 제한치 이내에 있는지를 확인하기 위해 엔진 계기를 점검해야 한다. 상승 도중 출력이 감소하면 조종사는 특정 상승 세팅을 유지하기 위해 throttle이나 power lever를 계속하여 전진해야 한다.

 

조종사는 상승 시, 그리고 높은 출력을 설정할 시 발생하는 프로펠러 영향을 이해해야 한다. 대부분의 비행기 프로펠러는 조종사 좌석에서 바라보았을 때 시계방향으로 회전한다. pitch attitude가 증가하면 프로펠러의 추력 중심이 우측으로 이동해서 추력이 비대칭이 된다. 이러한 비대칭 상황을 보통 “P-factor”라 부른다. 이는 하강하는 프로펠러 블레이드(조종석에서 보았을 때 프로펠러의 우측 부분)의 받음각이 증가하였기 때문이다. 프로펠러의 추력 중심이 우측으로 이동하였으므로 left turning yawing moment가 발생해서 비행기 기수가 왼쪽으로 움직인다. 이는 조종사의 right rudder로 상쇄된다. 게다가 프로펠러 회전 방향의 반대쪽으로 작용하는 torque가 비행기를 좌측으로 roll 하게 만든다. 결국 torque와 P-factor는 비행기를 좌측으로 roll하고 yaw 하게 만든다. 이를 상쇄하기 위해 right rudder와 right aileron이 사용되어야 한다. 상승 연습 초기에는 이러한 상황이 어색할 수 있지만 어느 정도 연습한 후에는 프로펠러 영향을 즉각 수정하게 된다.

 

상승 자세를 만드는 동안 속도가 감소하므로 조종사가 elevator 압력을 증가하지 않는 한 비행기의 pitch attitude가 낮아지려는 경향이 발생한다. nose-up elevator trim을 통해 back elevator pressure 없이도 pitch attitude가 유지될 수 있도록 해야 한다. 상승 도중 출력이 상승 출력 세팅으로 고정되어 있으므로 elevator로 속도를 제어한다. 자연 수평선에 대한 pitch attitude는 pitch attitude가 정확한지를 확인시켜 주며 상승 성능을 확인하기 위해 이를 계기와 cross-check 해야 한다. [그림 3-21]

Descents and Descending Turns

하강에 진입하면 비행기의 자세가 수평 비행 자세에서 하강 비행 자세로 변화한다. [그림 3-22] 하강 도중 무게는 더 이상 비행경로에 수직으로 작용하지 않는다. 하강을 위해 양력이 감소함에 따라 유도 항력이 감소하므로 excess thrust가 더 높은 대기속도를 제공할 것이다. 중력의 힘은 거의 변화하지 않으며 이는 전체 추력을 증가시키므로 만약 대기속도가 일정하게 유지되길 원한다면 힘들의 균형을 맞추기 위해 출력을 줄여야 한다.

조종사는 다음과 같은 유형의 하강을 만들어내는 엔진 출력 세팅, 자연 수평선에 대한 pitch attitude, 그리고 계기 지시를 알아야 한다:

∙ Partial power descent - 고도 하강을 위한 일반적인 방법은 partial power로 하강하는 것. 이는 보통 cruise descent나 en route descent라 불린다. 장시간 하강 시 AFM/POH에서 권장하는 속도 및 출력 세팅이 사용되어야 한다. 목표 하강률은 500fpm이어야 한다. 원하는 대기속도, pitch attitude, 그리고 출력 조합을 미리 선정하고 이를 일정하게 유지해야 한다.

∙ Descent at minimum safe airspeed - 주로 짧은 활주로에 착륙 접근 시 장애물 회피를 위해 nose-high, power assisted 상태로 하강하는 것. 이러한 하강을 위해 사용되는 대기속도는 AFM/POH에 의해 권장되며 보통 1.3VS0 이하이다. minimum safe airspeed descent의 특징은 정상 하강보다 하강 각도가 깊다는 것이며 "mushing"이나 과도한 하강률이 발생하였을 때 비행기를 가속하기 위해선 과도한 출력이 필요하다는 것이다.

※ Glossary

Mushing - 낮은 대기속도로 인해 조종면의 효과가 미미할 때 발생하는 비행 조건.

∙ Emergency descent - 일부 비행기들은 빠르게 하강하기 위한 특정 절차를 가지고 있으며 AFM/POH에 이 절차가 명시되어 있다. 보통 emergency descent는 높은 항력과 높은 대기속도를 사용하는 절차로 특정 비행기 외장(예를 들어 power idle, propellers forward, landing gear extended, 그리고 flaps retracted)과 특정 emergency descent airspeed를 필요로 한다. emergency descent maneuvers는 보통 선회를 포함한다.

Glides

활공은 엔진 출력이 적거나 전혀 없는 상태에서 비행기를 하강시키는 기초 기동이다. 전방으로 향하는 움직임은 경사진 경로를 따라 비행기를 끌어당기는 중력에 의해 유지된다. 그리고 하강률은 조종사가 중력과 양력의 균형을 유지함으로써 제어된다. 1,000fpm의 하강률을 사용하는 partial power descent 도중 level off를 수행하기 위해선 level-off 고도로부터 10%(이 예시의 경우 100ft) 지점에서 기수를 들기 시작해야 한다. 그리고 속도를 유지하기 위하여 출력을 증가해야 한다.

활공이 power-off accuracy landings의 연습에 직접적으로 연관된긴 하나 이는 normal landing approaches와 forced landings에서 특정한 운영상 목적을 가진다. 따라서 활공은 다른 기동들보다 무의식적으로 수행되어야 한다. 왜냐하면 활공을 수행하는 대부분의 시간 동안 조종사는 기동을 수행하는 메커니즘이 아닌 기동의 세부사항에 주의를 쏟기 때문이다. 활공은 지면 가까이에서 수행된다. 따라서 활공을 정확히 수행하는 것, 그리고 적절한 기술과 습관을 형성하는 것이 특히나 중요하다.

비행기의 활공비는 비행기가 움직이는 거리에 대해 손실되는 고도이다. 예를 들어 비행기가 10,000ft를 이동하는 동안 1,000ft를 하강하였다면 활공비는 10:1이다.

최대 활공 속도는 비행 거리를 최대로 만들기 위해 사용된다. 이 속도는 엔진 고장을 맞이한 조종사에게 매우 중요하다. 최대 활공 속도란 특정 고도 손실에 대해 가장 많은 거리를 이동하는 속도이다. 최대 활공 속도는 최대 양항비(L/D)에서 발생한다. [그림 3-23] 최대 활공 속도보다 높거나 낮은 속도로 활공하면 항력이 증가한다. 활공 속도를 벗어나면 그에 비례하여 활공 거리가 변화한다. [그림 3-24] 최대 활공 속도보다 속도가 높거나 낮아짐에 따라 활공비가 줄어든다.

올바른 속도를 사용할 경우 무게의 변화는 활공 각도에 영향을 미치지 않는다. 비행기가 활공할 수 있는 거리를 결정하는 것은 양항비이다. 따라서 무게는 활공 거리에 영향을 미치지 않는다. 대신 무거운 비행기가 동일한 활공비를 얻기 위해서는 더 높은 속도로 비행해야 한다. 예를 들어 무게는 다르지만 양항비는 같은 두 비행기가 같은 고도에서 활공을 시작하였다. 두 비행기가 같은 지점에 도달하였긴 하지만 더 무거운 비행기가 더 높은 속도로 활공하여 먼저 도착하였다. 비록 두 비행기는 같은 거리를 이동하였으나 더 가벼운 비행기가 특정 지점에 도달하는데 더 오래 걸렸다.

최대 활공비는 최대 양항비에서 발생하므로 항력 생성 요소들(예를 들어 flaps, landing gear, cowl flaps)을 특히 고려해야 한다. 항력이 증가하면 속도를 유지하기 위해 pitch를 낮춰야 한다. pitch가 낮아지면 활공 경로가 가팔라지며 그 결과 활공 거리가 감소한다. 활공 거리를 최대로 만들기 위해 모든 항력 생성 요소들을 제거해야 한다.

바람은 활공 거리에 영향을 미친다. 배풍에서 비행기는 높은 groundspeed로 인해 더 멀리 활공한다. 반대로 정풍에서 비행기는 낮은 groundspeed로 인해 그만큼 멀리 활공하지 못한다. 때문에 엔진 고장으로 인해 forced landing을 수행하는 경우 조종사는 바람을 파악해야 한다.

비행기는 출력이 적용되는 동안 p-factor와 propeller slipstream의 영향이 보상되도록 설계된다. 비록 활공 도중 p-factor와 propeller slipstream의 영향은 사라지지만 이를 보상하기 위한 비행기 설계는 여전하다. 활공 도중 삼타일치를 유지하기 위해선 약간의 left rudder가 필요할 수 있다. 또한 조종면을 흐르는 공기 흐름이 비교적 느리기 때문에 조종간을 더 많이 적용해야 한다.

minimum sink speed는 비행기가 비행하는 시간을 최대로 유지하는데 사용된다. 이 속도는 비행기의 고도 손실률을 제일 작게 만든다. minimum sink speed는 최대 활공 속도보다 약간 낮은 속도에서 발생한다. minimum sink airspeed로 비행할 경우 최대 활공 속도보다 이동 거리가 줄어든다. minimum sink speed는 이동해야 할 거리보다 비행해야 할 시간이 더 중요할 때 유용하다. ditching이 바로 그 예이다. minimum sink speed는 보통 메뉴얼에 게재되지 않는다. 허나 이 속도는 보통 최대 활공 속도보다 몇 노트 적다.

엔진 고장과 같은 비상 상황에서 활공 경로를 늘리기 위해 elevator back pressure를 가하면 착륙 지점에 도달하지 못할 수 있다(비행기가 실속에 진입하였다면 제어 상실로 이어질 수도 있음). 이는 비행기 조종의 기본 규칙으로 이어진다: 조종사는 활공을 늘리기 위해 back-elevator를 가하고 최대 활공 속도 이하로 감속해서는 안 된다. 활공 도중 최대 양항비를 유지하기 위한 pitch 조작만이 수행되어야 한다.

활공을 시작하기 위해선 먼저 throttle을 닫아야 한다. 최대 활공 속도로 감속하기 전까지 elevator back pressure를 통해 고도를 유지한다. 대부분의 비행기에서는 출력이 감소하면 horizontal stabilizer를 흐르는 propeller slipstream이 감소하는데, 이는 tail-down force를 감소시키기 때문에 비행기 기수가 바로 낮아지려 한다. 출력 변화로 인한 pitch down으로부터 자세를 일정하게 유지하기 위해선 즉시 elevator back pressure를 가해야 한다. 이는 고속 비행기에 있어 특히 중요하다. 왜냐하면 고속 비행기는 기수가 약간만 아래로 내려가도 속도가 즉시 증가하며 쉽게 감속하지 않기 때문이다. 활공 속도에 도달하면 해당 속도가 유지되도록 pitch attitude를 설정한다. 이는 자연 수평선과 계기를 통해 이루어져야 한다. 속도가 안정되면 조종간 압력을 제거하기 위해 비행기를 trim 한다. 최대 활공 속도의 이점을 실현하기 위해선 이를 정밀하게 유지해야 한다.

최대 활공 속도에서의 안정적 무동력 하강을 보통 normal glide라 부른다. 초보 조종사는 자연 수평선에 대한 비행기의 자세와 속도를 기억해야 한다. 그리고 비행기 동체를 흐르는 공기의 소리, 조종간의 압력, 그리고 비행기의 느낌을 유념해야 한다. 초반에는 시각과 감각(조종간 압력)을 통해 airspeed와 bank angle의 미세한 변화를 인지하지 못할 수도 있다. 교관은 소음의 증가가 증속을 나타낸다는 것을, 그리고 소음의 감소가 감속을 나타낸다는 것을 알려주어야 한다. 소음의 변화를 인지한 초보 조종사는 시각과 감각을 확인해야 한다. 초보 조종사는 경험을 쌓는 동안 세 가지 airspeed references(소리, 시각, 그리고 감각)를 의식적으로 사용해야 하며 자세, 느낌, 혹은 소리의 변화에 주의를 기울여야 한다.

초보 조종사가 normal glide에 대해 완벽히 이해하였다면 이제 normal glide와 abnormal glide의 차이를 교육받아야 한다. abnormal glides는 최대 활공 속도 이외의 속도에서 수행되는 활공이다. 너무 낮거나 너무 높은 활공 속도는 flat approaches, hard touchdowns, floating, overruns, 그리고 stalls로 이어질 수 있다.

Gliding Turns

propeller slipstream 및 p-factor의 소멸, 저속에서의 조종면 효율성 감소, 그리고 공기역학적 설계는 삼타일치를 복잡하게 만든다. 교관은 이러한 원리들을 초보 조종사에게 자세히 설명해야 한다.

활공 선회 도중 기수가 낮아지고 속도가 높이지려는 세 가지 원인들은 다음과 같다:

1. 양력의 방향으로 인하여 양력이 감소함.

2. 조종면에 작용하는 압력이 감소한 결과 과도한 rudder를 가함.

3. 무동력 상태에서는 기수가 낮아지려는 비행기 고유 특성.

이 세 가지 요소들은 직진 활공이나 수평 선회에 필요한 elevator back pressure보다 더 많은 back pressure를 필요하게 만들 뿐만 아니라 삼타일치에도 영향을 미친다. 활공 선회로 roll in 할 때, 혹은 활공 선회로부터 roll out 할 때 yawing tendencies를 보상하기 위해 rudder를 가해야 한다. 허나 조종면에 작용하는 압력이 감소하였기 때문에 가해야 할 rudder 압력도 감소한다. 초보 조종사는 일반적인 비행 경험을 기초로 과도한 rudder 압력을 가할 수 있다. 이러한 과조작은 항공기를 slip이나 skid 상태로 만들 수 있으며 그 결과 위험해질 수 있다.

이러한 위험의 예시는 다음과 같다:

• 비상 착륙 도중 저고도에서 활공 급선회. 고도 유지를 위해 elevator back pressure를 증가시키는 동안 bank 방향으로 rudder를 과도하게 가할 경우 unrecoverable spin이 발생할 수 있다.

• 무동력 착륙 접근 도중. 조종사가 과도한 rudder를 가하여 바깥쪽 날개의 양력이 증가하였다. 이는 rudder가 가해진 방향으로 비행기가 bank지게 만든다. 조종사가 bank를 막기 위해 반대쪽 aileron을 가할 경우 완전한 cross-control 상황으로 이어진다. 이러한 상황에서의 실속은 unrecoverable spin을 초래한다.

다음은 level-off를 수행하는 방법이다:

• 엔진 고장이 발생한 경우에는 착륙을 위한 외장 조절이 수행되기 전까지 최대 활공 속도를 유지한다. 조종사는 평소보다 더 가파른 접근을 계획해야 한다. 착륙 전에 하강을 늦추기 위해 10%의 lead를 사용한다(예를 들어 하강률이 1,000fpm이라면 100ft).

• simulated power failure training 도중에는 10%의 lead가 고도계에 표시될 때 출력을 적용해야 한다. 이는 하강을 멈추기 위해 조종사가 기수를 상승시키는 동안 속도가 유지(혹은 증속)되도록 해준다. 필요하다면 비행기를 다시 trim 한다.

활공 연습 시 원하는 고도에 도달하기 전에 level-off를 시작해야 한다. 왜냐하면 비행기의 아래로 향하는 관성 때문이다. lead의 양은 하강률, 그리고 원하는 최종 속도에 따라 달라진다. 예를 들어 항공기의 하강률이 500fpm이며 원하는 최종 속도는 활공 속도보다 높다. 그렇다면 특정 고도로부터 대략 100ft 지점에서 level-off가 시작되어야 한다. lead point에서 적절한 순항 세팅으로 출력을 증가한다. 속도와 출력이 증가함에 따라 비행기의 기수가 상승하려는 경향을 나타낸다. 조종사는 원하는 고도와 속도에서 level-off가 이루어지도록 pitch attitude를 부드럽게 조종해야 한다. 활공 선회로부터 normal glide로 되돌아오는 경우에는 선회 도중 적용하였던 elevator control back pressure를 풀어주어야 한다. 그렇지 않으면 비행기의 기수가 높아져서 속도가 낮아질 수 있다.

활공 및 활공 선회와 관련된 일반적인 실수들은 다음과 같다:

1. 선회 방향이나 하강 방향에 다른 항적이 있는지 충분히 확인하지 않음.

2. 활공 진입 시 elevator back pressure를 충분히 가하지 못하여 강하각이 깊어짐.

3. pitch attitude를 낮추기 전에 대략적인 활공 속도로 감속하지 못함.

4. 계기만을 참조하여 normal glide를 만들려/유지하려 시도함.

5. 소리와 느낌을 통해 속도의 변화를 인지하지 못함.

6. 활공을 안정시키지 못함(속도계를 chase 함).

7. elevator back pressure를 가하여 활공을 늘리려 시도함.

8. 출력 유무에 따른 rudder 압력 차이를 알지 못함. 그 결과 활공 선회 도중 skidding이나 slipping이 발생함.

9. 활공 선회 진입 도중 pitch attitude를 낮추지 못하여 속도가 감소함.

10. 활공 선회로부터 normal glide로 되돌아올 때 rudder를 과도하게 적용함.

11. 직진 활공으로부터 회복 도중 pitch 조작이 부적절함.

12. 지면 근처에서 활공 선회 도중 cross-control이 발생함.

13. 활공 선회 도중 일정한 bank angle을 유지하지 못함.

Chapter Summary

직진 수평비행, 선회, 상승, 그리고 하강은 기본적인 비행술의 토대이다. 이 기동들을 익히기 위해선 노력과 지속적인 연습이 필요하다. 조종사는 비행의 6가지 움직임(bank • pitch • yaw와 수평 • 수직 • 측면 이동)을 고려해야 한다. 비행기는 목적지에 도달하기 위해 지면 위를 이동하면서  pitch, bank, 그리고 yaw를 수행한다. 비행기는 공기역학적 법칙을 적용받는 공기역학적 운송 수단으로 취급되어야 한다. 비행기를 최대한 숙달하고 안전하게 조종하기 위해선 조종사가 비행 원리를 이해 및 적용해야 한다.