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Introduction

항공기의 안전하고 효율적인 운항을 위한 많은 요소들이 있으며 여기에는 올바른 weight and balance control이 포함된다. 항공기에서 일반적으로 사용되는 weight and balance system은 세 가지 중요한 요소들로 구성된다: 항공기의 무게를 측정하는 것, weight and balance 기록을 유지하는 것, 그리고 항공기를 올바르게 적재하는 것. 이러한 요소들 중 어느 하나라도 부정확하면 시스템의 목적이 무색해진다. 항공기의 무게가 올바르게 측정되지 않았거나 기록에 오류가 있다면 최종 적재 계산의 의미가 없다.

적재가 올바르지 못하면 고도, 기동, 상승률, 그리고 속도의 관점에서 항공기의 효율성과 성능이 저하된다. 이는 심지어 비행을 완료하지 못하게 만들거나 비행을 시작하지 못하게 만드는 원인이 될 수도 있다. 적재가 올바르지 못한 항공기의 구조물에 비정상적인 응력이 가해지거나 비행 특성이 변화되어서 인명 손실과 장비 파손이 발생할 수 있다.

설계자가 의도한 방식대로 항공기가 운영 및 정비되는 경우에만 항공기가 설계 효율성을 달성할 수 있으며 안전하게 비행될 수 있다. 항공기의 weight and balance 매개변수를 특정 한계 이내로 유지하면 이러한 안전성과 효율성이 크게 확보될 수 있다. 이 교재의 나머지 부분은 이를 수행하는 방법을 설명한다.

Responsibility for Weight and Balance Control

weight and balance control에 대한 책임은 엔지니어와 설계자로부터 시작되며 항공기를 정비하는 정비사, 그리고 이를 운영하는 조종사까지 확대된다. 최신 항공기들은 해당 category에 대한 최대의 신뢰도와 성능을 제공하기 위하여 최첨단 기술 및 재료를 통해 설계된다. 때문에 이러한 항공기를 운영 및 정비할 때 많은 주의와 전문적 지식이 발휘되어야 한다:

1. 항공기 설계자는 항공기 날개가 제공할 수 있는 양력을 기준으로 최대 무게를 설정한다. 또한 항공기의 구조적 강도는 항공기가 안전하게 운반할 수 있는 최대 무게를 제한한다. 설계자는 이상적인 무게 중심을 결정한 다음 이 특정 위치로부터의 최대 허용 편차를 계산한다.

2. 제조업체는 항공기의 empty weight를, 그리고 EWCG(empty weight center of gravity) 위치를 운영자에게 제공한다.

3. 정비사는 항공기의 weight and balance 기록을 최신상태로 유지한다. 그리고 수리나 변경으로 인해 변경된 사항을 기록한다.

4. PIC(pilot in command)는 매 비행 전에 항공기의 maximum allowable weight를, 그리고 CG limits를 알아야 한다. 그래야 조종사는 비행 전 점검 도중 항공기 무게중심이 CG limits 이내에 위치하도록 적재되었는지 확인할 수 있다.

Terminology

조종사는 본인의 항공기와 관련된 용어를 이해해야 한다. 소형 항공기를 위한 용어의 경우 CAR(Civil Air Regulation) 3 certification이나 GAMA(General Aviation Manufacturers Association) Specification No.1 part 23과 연관된 출처의 정보를 사용한다. part 25 항공기에 적용되는 용어는 AC(Advisory Circular) 120-27, Aircraft Weight and Balance Control에서 확인할 수 있다. glossary는 최신 용어와 그 정의를 포함하고 있다. 최신 규정은 미국 정부 인쇄국에서 구하거나 FAA 웹사이트에서 확인할 수 있다. 이전 규정은 도서관이나 미국 연방 정부 관보(Federal Register)에서 구할 수 있다.

Weight Control

무게는 비행기의 제작 및 운영에 있어 주요한 요소이며 모든 조종사들은 이를 중요시해야한다. 과도한 무게는 항공기의 효율성을 감소시키며 비상 상황이 발생한 경우 안전 여유를 감소시킨다.

항공기는 구조 강도가 허용하는 한 최대한 가볍게 제작되며 날개는 maximum allowable weight를 지탱할 수 있도록 설계된다. 항공기의 무게가 증가하면 날개가 추가 양력을 생산해야 하며 항공기의 구조는 추가적인 정하중(static loads)과 기동으로 인한 동하중(dynamic loads)도 지탱해야 한다. 예를 들어 3,000 파운드 비행기의 날개는 수평 비행 도중 3,000 파운드를 지탱해야 한다. 허나 비행기가 60도의 bank angle로 선회하면 동하중으로 인해 날개가 6,000 파운드를 지탱해야 한다.

심각한 uncoordinated maneuvers나 난기류는 항공기 구조에 동하중을 가해서 구조적 파괴를 발생시킬 수 있다. normal category 비행기의 구조는 3.8배의 하중 계수(load factor)를 유지할 수 있을 정도로 강해야 한다(14 CFR part 23). 즉, 1파운드의 무게가 추가될 때마다 3.8 파운드를 지탱할 수 있을 만큼 튼튼한 구조가 필요하다. utility category로 운영되는 항공기는 4.4배의 하중 계수를 견뎌야 하며 acrobatic category 항공기는 무게의 6.0배를 견딜 수 있을 만큼 튼튼해야 한다.

날개에 의해 생성되는 양력은 에어포일의 모양, 받음각, 대기속도, 그리고 공기 밀도에 의해 결정된다. 밀도 고도가 높은 공항에서 이륙하는 경우에는 해수면에서 이륙하는데 필요한 속도보다 더 높은 속도로 가속해야 하며 이는 이륙에 필요한 충분한 양력을 생산하기 위함이다. 이로 인해 이륙 활주거리는 더 길어진다. 이륙 활주에 필요한 거리가 공항의 available runway 보다 길수도 있다. 따라서 밀도 고도가 높은 공항을 운영하는 경우에는 고도, 온도, 바람, 그리고 활주로 상태에 대해 항공기에 허용되는 최대 무게를 결정하기 위해 POH나 AFM을 참조해야 한다.

Effects of Weight

대부분의 최신 항공기는 모든 좌석, 모든 짐칸, 그리고 모든 연료 탱크가 가득 채워졌을 때 상당히 과적되도록 설계된다. 이러한 유형의 설계 때문에 조종사는 각 비행에 대한 특정 조건을 고려해야 한다. 만약 최대 항속거리가 필요하다면 승객이나 수하물을 두고 가야 한다. 만약 최대하중이 적재되어야 한다면 연료의 양(즉, 항속거리)을 줄여야 한다.

항공기를 과적하면 다음과 같은 문제들이 발생할 수 있다:

• 더 높은 이륙 속도가 필요하다. 이는 더 긴 이륙 활주로 이어진다.

• 상승률과 상승각도가 모두 감소한다.

• service ceiling이 낮아진다.

• 순항 속도가 감소한다.

• 순항 거리가 짧아진다.

• 기동성이 감소한다.

• 착륙 속도가 높아져서 착륙 활주가 길어진다.

• 착륙 시 구조물에 과도한 하중이 가해진다(특히 landing gear에).

POH/AFM은 특정 무게에 대해 예상되는 성능을 표나 차트로 게재한다. 조종사는 비행 전 계획 도중 이를 확인해야 한다. 이는 특정 비행이 안전하게 이루어질 수 있도록 항공기가 적재되었는지를 결정하기 위함이다.

Weight Changes

항공기의 maximum allowable weight는 설계 고려사항에 의해 결정된다. 허나 높은 밀도 고도나 높은 항력 조건(활주로의 물이나 젖은 잔디로 인한)과 같은 고려사항으로 인해 maximum operational weight가 maximum allowable weight보다 작을 수도 있다. 또한 출항 활주로의 길이나 입항 활주로의 길이에 의해 maximum operational weight가 제한될 수도 있다.

비행 전에 고려해야 할 중요한 사항 중 하나는 항공기 내 하중의 분포 상태이다. 총 무게가 maximum allowable보다 낮도록 항공기를 적재하는 것만으론 충분하지 않다. POH/AFM에 지정된 한계 이내에서 CG가 유지되도록 무게를 분배해야 한다.

CG가 너무 앞에 있다면 무거운 승객을 뒷좌석으로 이동시키거나 forward baggage compartment 수하물을 rear compartment로 이동시킬 수 있다. 만약 CG가 너무 뒤에 있다면 승객이나 수하물을 앞으로 이동시킬 수 있다. 연료로 인한 하중은 좌우 균형을 이루어야 한다. 항공기의 균형을 유지하기 위해선 POH/AFM의 연료 시스템 작동 방법에 주의를 기울여야 한다.

tandem 좌석 비행기에서는 앞좌석이나 뒷좌석에서만 단독 비행을 수행해야 하는 제한 사항이 있다. 이러한 좌석 제한 사항은 placard(보통 계기판에 위치함)에 표시되며 이를 엄격히 준수해야 한다.

항공기가 노후화되면 손이 닿기 어려운 곳에 파편과 먼지가 쌓이고 객실 단열재에 습기가 흡수되어서 보통 무게가 증가한다. 이러한 무게 증가는 보통 적긴 하지만 항공기의 무게를 정확하게 측정하면 확인할 수 있다.

고정된 장비를 교체하면 항공기 무게가 큰 영향을 받을 수 있다. 여분의 라디오나 계기를 설치해서 항공기가 과적재된 경우가 많다. 다행이도 오래되고 무거운 전자 장비를 새롭고 가벼운 유형으로 교체하면 무게가 감소한다. 이러한 무게 변화가 CG의 변화를 초래할 수도 있으므로 새로운 CG를 반드시 계산한 후 이를 weight and balance 기록에 남겨야 한다.

수리(repairs)와 개조(alterations)는 무게 변화의 주요 원인이다. 무게와 변경 위치를 파악하고, CG를 계산하고, 새로운 empty weight/EWCG를 기록하고, 장비 목록을 업데이트 하는 것은 정비사나 수리공의 책임이다.

새로 계산된 EWCG가 EWCG range를 벗어났다면 adverse-loading check을 수행해야 한다. 이를 위해서는 forward adverse-loading check, rearward adverse-loading check, 그리고 maximum weight check이 필요하다. 이러한 극한의 weight and balance 조건이 항공기의 maximum forward CG 위치와 maximum rearward CG 위치를 나타낸다. adverse-loading check란 가장 위태로운 balance 상태가 만들어지는, 허나 항공기가 여전히 CG limits 내에 있는 방식으로 항공기를 의도적으로 적재하는 것이다. 만약 점검 결과 CG가 CG range를 벗어났다면 항공기가 부적절하게 적재되지 않도록 항공기를 재구성하거나 placard를 배치해야 한다. 항공기가 다시 normal CG range 내에서 운영되기 위해 fixed ballast가 설치될 수도 있다.

annual inspection이나 condition inspection을 수행하는 정비사나 수리공은 항공기의 weight and balance 정보가 최신이고 정확한지 확인해야 한다. 항공기 운영 시 최신 weight and balance 정보를 사용하는 것은 PIC의 책임이다.

Stability and Balance Control

balance control은 항공기의 CG 위치와 연관되어 있다. 이는 비행 안전의 한 요소인 항공기 안정성에 가장 중요하다. CG란 항공기의 총 무게가 집중된다고 가정되는 지점을 의미하며 안전한 비행을 위해선 CG가 특정 한계 내에 위치해야 한다. 가로 균형과 세로 균형 모두 중요하긴 하지만 가장 중요한 것은 세로 균형(세로축에 대한 CG 위치)이다.

비행기는 조종간에서 손을 뗀 상태에서도 직진수평비행이 유지되도록 trim 될 수 있는 안정성을 갖는다. CG가 양력 중심보다 약간 앞에 있도록 설계되어서 세로 안정성이 유지된다. 이는 대기 속도에 관계없이 nose-down force를 생성한다. nose-down force는 nose-up force와 균형을 이루는데 이 힘은 수평 꼬리 표면에서의 downward aerodynamic force(대기 속도에 따라 직접적으로 변화하는 공기역학적 힘)에 의해 생성된다. [그림 1-1]

상승기류가 기수를 상승시키면 비행기가 감속해서 꼬리의 downward force가 감소한다. 허나 CG에 집중된 무게가 기수를 다시 아래로 당겨서 수평 비행으로 되돌아오게 만든다. 비행 도중 기수가 하강한 경우에는 대기 속도가 증가해서 downward tail load가 증가한다. 이는 기수가 다시 수평 비행으로 되돌아오게 만든다.

CG가 무게에 대한 한계 이내에서 유지되면 비행기가 충분한 세로 안정성과 조종성을 가진다. 만약 CG가 너무 뒤에 있으면 CG가 양력 중심과 너무 가까워져서 비행기가 불안정해지며 실속으로부터 회복하기 어려워진다. [그림 1-2] 불안정한 비행기가 스핀에 진입하면 스핀이 평평해져서 회복이 어렵거나 불가능해질 수 있다. CG가 너무 앞에 있는 경우에는 수평 비행을 유지하기 위한 downward tail load가 증가해야 한다. 이는 추가적인 무게를 운반하는 것과 동일한 효과를 만든다(항공기가 더 높은 받음각으로 비행해야 하며 결국 항력이 증가한다).

CG가 너무 앞에 놓였을 때 발생하는 더 심각한 문제는 충분한 elevator authority가 없다는 것이다. 낮은 이륙 속도에서 elevator가 rotate를 수행하기에 nose-up force가 충분하지 못할 수 있다. 착륙 도중에는 비행기를 flare 하기에 elevator force가 충분하지 못할 수 있다. [그림 1-3] CG가 너무 앞에 놓여있으면 이륙 활주와 착륙 활주가 모두 길어진다. 항공기는 기본적으로 좌우 대칭을 기반으로 설계된다. 항공기 중심선(buttock line zero나 BL – 0라고도 불림)의 왼쪽에 무게가 추가될 때마다 이에 상응하는 오른쪽 위치에도 동일한 무게가 추가된다.

불균형한 연료 적재나 불균형한 연료 연소로 인해 가로 균형이 흐트러질 수 있다. 보통 lateral CG의 위치는 계산되지 않는다. 허나 조종사는 가로 불균형 상태로 인한 악영향을 알아야 한다. [그림 1-4] 가로 불균형 상태는 aileron trim tab을 통해 보정된다(단, 비행기의 균형을 맞추기 위해 무거운 쪽 탱크에서 충분한 연료가 사용되기 전까지). 편향된 trim tab은 aileron을 편향시켜서 무거운 날개 쪽에 양력을 더해준다. 허나 이는 부가적인 항력을 생산하여 비행기를 비효율적으로 만든다.

후퇴익 비행기에서는 연료 불균형이 더 중요해진다. 왜냐하면 outboard tanks에서 연료가 소모됨에 따라 CG가 앞으로 이동하기 때문이다. 연료가 inboard tanks에서 소모되는 경우에는 CG가 뒤로 이동한다. [그림 1-5] 이러한 이유로 후퇴익 항공기를 운영할 때에는 연료 사용 계획이 매우 중요하다.

Underestimating the Importance of Weight and Balance

많은 조종사들이 weight and balance의 중요성을 과소평가하는 경향이 있다. 이들은 load sheets를 대수롭지 않게 여기며 항공기 CG를 성급하게 계산한다. 불행히도 매년 weight and balance 문제와 관련된 많은 사고들이 발생했었다. weight and balance에 더 많은 관심을 기울였다면 이러한 사고를 피할 수 있었을 것이다.

모든 조종사들은 weight and balance 문제를 해결하는 방법에 대해 배우며 모든 이착륙에 대해 항공기가 “within the envelope”로 적재되는 것이 중요하다는 것을 배운다. 그렇다면 정말로 이것이 왜 중요한지, 그리고 envelope에서 벗어나는 것이 얼마나 위험한지를 아는가? 올바른 weight and balance를 유지하는 것의 중요성을 나타내기 위해 두 가지 사례가 예시로 제공된다. weight and balance로 인해 발생한 사고의 대부분이 치명적이었다.

예를 들어 소형 항공기에 승객, 장비, 그리고 강아지가 실렸다. 강아지들은 모두 항공기에 고정되어있지 않았다. 이륙 도중 모든 강아지들이 비행기의 뒤로 이동하였다. 이로 인해 CG가 허용 한계보다 훨씬 뒤로 이동하였다. 비행기가 실속에 빠져서 추락하였다. 비행기는 사상자와 함께 파괴되었다.

승객들이 비행기의 뒤쪽 바닥에 앉아 있을 때 또 다른 사고가 발생하였다. 그들은 항공기에 고정되어있지 않았다. 이륙 도중 CG가 다시 후방 한계를 훨씬 벗어났다. 비행기가 실속에 빠져서 추락하였다. 비행기는 사상자과 함께 파괴되었다.

maximum gross weight에 대한 공식에는 안전 요소가 포함되어 있다. 활주로가 충분히 길고 밀도 고도가 충분히 낮다면 모든 비행기는 maximum gross weight보다 높은 무게에서 이륙할 수 있다. 그러나 착륙은 다른 문제이다. 모든 비행기들은 이따금씩 발생하는 hard landing을 견딜 수 있도록 제작되었다. 그럼 상당히 과적된 비행기가 hard landing을 수행한다면 어떻게 될까? 아마도 착륙 도중 무언가가 부서지거나 이후에 구조가 부서질 정도로 약해졌을 것이다. 과적된 비행기의 hard landing보다 더 위험한 것은 기동을 하고 있거나 난기류를 조우하였을 때 금속 및/혹은 복합재의 설계 수치가 구조적 짜임새를 초과하는 경우이다. 눈에 보이지 않는 손상이 발생해서 차후에 치명적인 파괴가 발생할 수 있다.

maximum gross weight가 6,000 파운드인 비행기가 60도 bank로 선회할 때 작용하는 힘은 12,000 파운드처럼 느껴진다. maximum certificated gross weight에서는 항공기가 certificated maneuvering loads 이내로 운영되므로 문제가 없다. 허나 8,000 파운드로 적재된 상태에서 60도 bank나 갑작스러운 pull up을 가하면 순간 무게가 16,000 파운드에 달해서 항공기가 성능을 발휘하지 못할 수 있다. 설령 그럴 수 있다 하더라도 내부 응력 손상이 있을 것이며 이는 차후의 비행에서 나타날 것이다.