(5) Drag Curves

Drag Curves

 

유도항력과 유해항력을 그래프에 표시하였을 때 항공기의 총 항력이 “항력 곡선” 형태로 나타난다. 그림 4-9의 그래프 A는 주로 제트 항공기에서 사용되는 추력 및 항력 곡선을 보여준다. 그림 4-9의 그래프 B는 프로펠러 항공기에서 사용되는 출력 및 항력 곡선을 보여준다. 이 장은 프로펠러 항공기의 출력 및 항력 곡선에 초점을 맞춘다.

항력 곡선을 이해하면 항공기의 다양한 성능 수치와 한계에 대해 제대로 알 수 있다. 일정한 속도를 유지하기 위해선 출력이 항력과 같아야 하므로 해당 곡선은 drag curve나 power required curve라 불릴 수 있다. power required curve는 등속수평비행 도중 항력을 극복하는데 필요한 출력의 양을 나타낸다.

 

대부분의 왕복 엔진에서 사용되는 프로펠러는 80 ~ 88%의 범위에서 최대 효율을 달성한다. 대기속도가 증가하면 프로펠러 효율이 최대 지점 이전까지 증가한다. 허나 이러한 최대 지점을 초과하는 대기속도는 프로펠러 효율을 저하시킨다. 160마력을 생산하는 엔진은 출력의 약 80%만을 available horsepower로 변환한다(대략 128마력). 나머지는 손실되는 에너지이다. 이 때문에 thrust available curve와 power available curve가 속도에 따라 변화한다.

 

Regions of Command

 

항력 곡선은 두 가지 command region을 나타낸다: region of normal command와 region of reversed command. “region of command”란 속도의 유지나 변화에 필요한 필요 출력과 속도의 관계를 말한다. “command”란 새로운 속도를 유지하기 위해 조종사가 가해야 하는 출력이나 추력을 의미한다.

 

“region of normal command”는 증속을 위해 출력을 증가시켜야 하는 영역이다. 이 영역은 minimum power required보다 높은 속도에서 존재하며 주로 유해 항력의 결과이다. 반면 “region of reversed command”는 더 낮은 속도를 유지하기 위해 출력을 증가시켜야 하는 영역이다. 이 영역은 minimum power required보다 낮은 속도에서 존재하며 주로 유도 항력의 결과이다. 그림 4-10은 하나의 출력 설정이 두 가지 속도(1번 지점과 2번 지점)를 만들어내는 것을 보여준다. 1번 지점에서는 높은 유도항력과 낮은 유해항력이 존재하는 반면 2번 지점에서는 높은 유해항력과 낮은 유도항력이 존재한다. (ATP: 1번 지점에서는 pitch가 증가함에 따라 속도가 느려진다. 2번 지점에서는 pitch가 증가함에 따라 상승하거나, 혹은 하강률이 감소한다.)

Control Characteristics

 

대부분의 비행은 region of normal command에서 수행된다: 예를 들어 순항, 상승, 그리고 기동. region of reversed command는 이착륙과 같은 저속 구간에서 발생할 수 있다. 대부분의 범용 항공 항공기에서 이 영역은 매우 작으며 정상 접근 속도보다 낮다.

 

region of normal command에서는 항공기가 trim speed를 유지하려는 경향이 강하다. region of reversed command에서는 항공기가 trim speed를 유지하려는 경향이 상대적으로 약하다. 사실상 이 영역에서는 항공기가 trim speed를 유지하려는 경향을 나타내지 않을 가능성이 높다. 따라서 region of reversed command를 비행할 때에는 속도의 정밀한 제어에 특히 주의를 기울여야 한다.

 

region of reversed command가 어려운 조작과 위험한 상황을 의미하지는 않는다. 그러나 이 영역은 기본 비행 기술에서의 실수들을 더욱 증폭시키므로 제대로 된 비행 기술과 정교한 조작이 매우 중요하다.

 

Speed Stability

 

Normal Command

 

region of normal command에서의 비행 특성은 그림 4-11의 A 지점에 나타나 있다. 항공기가 A 지점에서 안정적인 수평 비행을 수행하는 경우 양력과 무게는 같으며 power available은 power required와 동일하게 설정된다. 만약 출력의 변화 없이 속도가 높아지면 power deficiency가 발생한다. 항공기는 출력과 항력의 균형을 맞추기 위해 초기 속도로 되돌아가려는 경향을 보인다. 만약 출력의 변화 없이 속도가 낮아지면 excess power가 발생한다. 항공기는 출력과 항력의 균형을 맞추기 위해 증속하려는 경향을 보인다. 항공기를 올바르게 trim하는 것은 이러한 경향을 향상시킨다. 항공기의 정적 세로 안정성은 항공기를 원래의 trim 상태로 되돌리려는 경향을 보인다.

C 지점에서 안정적인 수평 비행을 하고 있다면 항공기는 평형 상태에 놓인다. [그림 4-11] 만약 속도가 약간 증가하거나 감소하면 항공기는 해당 속도를 유지하려는 경향을 보인다. 이는 곡선이 비교적 평평하기 때문에 속도가 약간 변하여도 상당한 excess power나 power deficiency가 발생하지 않기 때문이다. 이는 neutral stability의 특성을 가진다.

 

Reversed Command

 

region of reversed command에서의 비행 특성은 그림 4-10의 B 지점에 나타나 있다. 항공기가 B 지점에서 안정적인 수평 비행을 수행하는 경우 양력과 무게는 같으며 power available은 power required와 동일하게 설정된다. 만약 속도가 B 지점보다 크게 증가하면 excess power가 발생한다. 이는 항공기가 더 빠른 속도로 가속하게 만든다. 만약 항공기가 B 지점보다 낮은 속도로 감속하면 power deficiency가 발생한다. 항공기는 훨씬 더 낮은 속도로 계속 감속하는 경향을 보인다.

 

이러한 경향은 B 지점으로부터 양쪽으로 발생한 excess power나 power deficiency가 초기 속도 변화를 증폭시키기 때문에 발생한다. 항공기의 정적 세로 안정성이 원래의 trim 상태를 유지하려 시도하지만 이러한 불안정성이 더 큰 영향을 미친다. 왜냐하면 저속에서의 높은 받음각으로 인한 유도항력 증가 때문이다.