(8) Takeoff and Landing Performance

Takeoff and Landing Performance

 

조종사에 의한 항공기 사고의 대부분이 이착륙 단계에서 발생한다. 이러한 사실 때문에 조종사는 항공기의 이착륙 성능에 영향을 미치는 모든 변수들을 잘 알아야 한다. 그리고 이러한 비행구간 도중 정확하고 전문적인 운영 절차를 수행하기 위해 노력해야 한다.

 

이륙 성능과 착륙 성능은 가속 운동과 감속 운동의 상태를 나타낸다. 예를 들어 이륙 도중 항공기는 0의 속도에서 이륙 속도로 가속한다. 착륙 도중 항공기는 착륙 속도로 착륙한 다음 0의 속도로 감속한다. 이착륙 성능의 중요한 요소는 다음과 같다:

 

• 이착륙 속도는 보통 stall speed나 minimum flying speed의 함수이다.

 

• 이륙 활주/착륙 활주 도중의 가속/감속. 물체가 경험하는 속도(가속/감속)는 힘의 불균형에 비례하며 물체의 질량에 반비례한다. 활주로를 75노트로 움직이는 비행기는 37노트로 움직이는 비행기보다 4배 많은 에너지를 가지고 있다. 따라서 75노트로 움직이는 비행기는 37노트로 움직이는 비행기보다 4배 많은 제동 거리를 필요로 한다.

 

• 이륙 거리/착륙 거리는 가속/감속의, 그리고 속도의 함수이다.

 

Runway Surface and gradient

 

활주로 상태는 이착륙 성능에 영향을 미친다. performance chart의 정보는 보통 포장된, 평평한, 그리고 건조한 활주로를 기준으로 한다. [그림 11-15]

활주로 표면은 공항마다 매우 다르다. 활주로 표면은 콘크리트, 아스팔트, 자갈, 흙, 혹은 잔디일 수 있다. 특정 공항의 활주로 표면은 Chart Supplement U.S에 기록되어 있다. 부드러운 표면은 이륙 활주를 증가시킨다. 이는 타이어가 활주로를 따라 원활하게 구르지 못하기 때문이다. 타이어가 부드러운, 풀이 무성한, 혹은 진흙투성인 활주로를 파고들어갈 수 있다. 포장도로의 홈으로 인해 타이어가 활주로를 따라 제대로 움직이지 못할 수도 있다. 진흙, 눈, 혹은 물과 같은 장애물은 비행기의 가속을 늦춘다. 진흙과 물은 활주로와 타이어 사이의 마찰을 줄일 수 있지만 장애물로 작용하여 착륙 거리를 감소시킬 수도 있다. [그림 11-16] 다양한 활주로 유형을 다룰 때 고려해야할 또 다른 사항은 제동 효율성이다. 활주로 표면의 상태는 항공기의 제동 능력에 영향을 미친다.

타이어가 미끄러지지 않으면서 브레이크에 적용되는 힘을 제동 효율성이라 부른다. 활주로 표면이 오염되었다 보고된 경우 활주로의 길이가 이륙 가속 및 착륙 감속에 적합한지 확인한다.

 

활주로의 기울기는 활주로 길이에 대한 활주로 표고의 변화량이다. 기울기는 백분율로 표시된다(예를 들어 3%). 이는 활주로 길이 100ft마다 활주로 표고가 3ft씩 변화함을 의미한다. 양(+)의 기울기는 활주로 표고가 증가함을 나타내는 반면 음(-)의 기울기는 활주로 표고가 감소함을 나타낸다. upslope runway에서는 이륙 가속이 지연되므로 이륙 활주가 길어진다. 그러나 이러한 활주로에 착륙할 때에는 보통 착륙 활주가 감소한다. downslope runway는 이륙 시 가속을 도와 이륙 거리를 감소시킨다. 허나 착륙할 때에는 착륙 거리를 증가시킨다. 활주로 경사 정보는 Chart Supplement U.S에 포함되어 있다. [그림 11-17]

Water on the Runway and Dynamic Hydroplaning

 

활주로의 물은 타이어와 지면 사이의 마찰을 줄여 제동 효과를 감소시킬 수 있다. 타이어가 수막현상(hydroplaning)을 경험하는 경우 브레이크 기능이 완전히 상실될 수 있다. 왜냐하면 물의 층이 타이어를 활주로 표면으로부터 분리하기 때문이다. 이는 활주로가 얼음으로 덮여 있는 경우에도 마찬가지이다.

 

활주로에 물이 있다면 조종사는 dynamic hydroplaning에 직면할 수 있다. dynamic hydroplaning이란 타이어가 활주로 표면이 아닌 얇은 물의 층 위를 달리는 상태를 의미한다. 수막현상을 경험하는 바퀴는 활주로에 닿아있지 않기 때문에 제동과 방향 제어가 거의 불가능하다. dynamic hydroplaning을 줄이기 위해 일부 활주로는 홈이 파여져 있다. 이는 물의 배수를 돕는다. 허나 대부분의 활주로는 이렇지 않다.

 

타이어 공기압은 dynamic hydroplaning의 한 요소이다. 그림 11-18의 공식을 통해 수막현상이 시작되는 최소 속도(노트 단위)를 계산할 수 있다. 최소 수막현상 속도는 main gear 타이어 압력(psi)의 제곱근에 9를 곱하여 결정된다. 예를 들어 main gear 타이어 압력이 36 psi인 경우 항공기는 54노트의 속도에서 수막현상을 경험하기 시작한다.

권장 착륙 속도보다 높은 속도로 착륙할 경우 항공기가 수막현상을 경험할 가능성이 커진다(ATP: 왜냐하면 날개가 양력을 제공하므로 타이어와 활주로 사이의 접촉을 감소시키기 때문이다. 이는 타이어와 활주로 사이에 물의 층이 형성되도록 만든다). 수막현상이 한 번 시작되면 최소 수막현상 속도보다 낮은 속도에서도 해당 현상이 계속될 수 있다.

 

젖은 활주로에서는 바람을 향하여 착륙함으로써 방향 제어가 극대화될 수 있다. 갑작스러운 조종간 입력은 피해야 한다. 활주로에 물이 있다면 착륙을 수행하기 전에 제동 문제를 예상해야 하며 수막현상에 대비해야 한다. 바람과 가장 정렬된 활주로를 선택한다. 기계적 제동이 효과적이지 못할 수 있으므로 공기역학적 제동을 최대한 활용한다.

 

Takeoff Performance

 

최소 이륙 거리는 항공기 운영에 있어 주요 관심사이다. 왜냐하면 이는 활주로 조건을 규정하기 때문이다. 최소 이륙 거리는 실속으로부터 충분한 여유를 허용하는, 만족스러운 제어를 제공하는, 그리고 충분한 초기 상승률을 제공하는 최소 안전 속도로 이륙하여 얻어질 수 있다. 보통 이륙 속도는 이륙 외장에 대한 stall speed(혹은 minimum control speed)의 1.05 ~ 1.25배로 결정된다. 따라서 이륙 특정 양력 계수 및 받음각에서 이루어진다.

 

특정 이륙 속도에서 최소 이륙 거리를 얻기 위해서는 이륙 활주 도중 항공기에 작용하는 힘이 최대 가속을 제공해야 한다. 항공기에 작용하는 다양한 힘들은 조종사의 통제 하에 있을 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 특정 비행기의 경우 이륙 가속을 최대로 유지하기 위한 절차가 필요할 수도 있다.

 

엔진 추력은 가속을 제공하는 주요 힘이다. 이륙 거리를 최소로 만들기 위해선 추력이 최대가 되어야 한다. 항공기가 속도를 얻자마자 양력과 항력이 생성된다. 양력과 항력은 받음각과 동압력에 따라 달라진다.

 

EPR(engine pressure ratio)는 터보 제트 엔진이나 터보 팬 엔진의 배기압력(jet blast)과 흡입압력(static) 비율이다. EPR gauge는 엔진이 얼마나 많은 출력을 생성하고 있는지 조종사에게 알려준다. EPR이 높을수록 엔진 추력이 높아진다. EPR은 엔진의 오버부스트를 방지하기 위해, 그리고 필요한 경우 takeoff and go around power를 설정하기 위해 사용된다. 이 정보는 항공기 성능을 결정하는데 도움이 되므로 반드시 알아야 한다.

 

이륙 성능에 영향을 미치는 변수들은 이 외에도 다양하다. 이륙 활주 도중 이륙 속도나 가속률을 변화시키는 모든 항목들이 이륙 거리에 영향을 미친다.

 

예를 들어 이륙 거리에 대한 총 무게의 영향은 상당하다. 따라서 항공기의 이륙 거리를 예측할 때 이를 고려해야 한다. 총 무게의 증가는 이륙 성능에 세 가지 영향을 미친다:

 

1. 이륙 속도를 증가시킴.

 

2. 가속할 질량을 증가시킴.

 

3. retarding force(항력과 지면 마찰)를 증가시킴.

 

총 무게가 증가하였을 때 이륙 양력 계수에서 더 많은 양력을 생성하기 위해선 더 높은 속도가 필요하다. 예를 들어 이륙 무게가 21% 증가하였다면 이륙 속도가 10% 증가해야 한다.

 

총 무게의 변화는 순수 가속도를, 그리고 가속할 질량을 변화시킨다. 만약 항공기의 추력 대 무게 비율이 상대적으로 높다면 순수 가속도의 변화는 경미하다. 이 경우 가속에 영향을 미치는 주요인은 바로 질량의 변화이다. 예를 들어 총 무게가 10% 증가하면 다음 상황이 발생할 것이다:

 

• 이륙 속도 5% 증가.

 

• 가속도가 최소 9% 감소.

 

• 이륙 거리가 최소 21% 증가.

 

ISA 조건에서 Cessna 182의 무게를 2,400파운드에서 2,700파운드로 증가시키면(무게 11% 증가) 이륙 거리가 440ft에서 575ft(이륙 거리 23% 증가)로 증가한다.

 

추력 대 무게 비율이 높은 항공기의 경우 이륙 거리가 약 21 ~ 22% 증가할 수 있다. 허나 상대적으로 추력 대 무게 비율이 낮은 항공는 이륙 거리가 약 25 ~ 30% 증가할 수 있다. 때문에 이륙 거리 예측 시 총 무게를 고려해야 한다.

 

바람이 이륙 거리에 미치는 영향은 크다. 따라서 이륙 거리를 예측할 때 바람을 적절히 고려해야 한다. 정풍은 항공기가 낮은 groundspeed에서 이륙 속도에 도달할 수 있도록 해준다. 반면 배풍은 항공기가 높은 groundspeed에서 이륙 속도에 도달하도록 만든다.

 

이륙 속도의 10%에 해당하는 정풍은 이륙 거리를 약 19% 감소시킨다. 그러나 이륙 속도의 10%에 해당하는 배풍은 이륙 거리를 약 21% 증가시킨다. 정풍이 이륙 속도의 50%인 경우 이륙 거리는 무풍 상태의 약 25%가 된다(75% 감소).

 

바람이 착륙 거리에 미치는 영향은 이륙 거리와 동일하다. 그림 11-19는 이착륙 속도에 대한 풍속 비율이 이착륙거리에 미치는 일반적 영향을 나타낸다.

활주로 길이와 이륙 거리가 중요한 경우에는 올바른 이륙 속도가 특히 중요하다. AFM/POH에 명시된 이륙 속도는 보통 항공기가 이륙할 수 있는 최소 안전 속도이다. 이러한 속도 미만에서 이륙을 시도하면 항공기가 실속에 빠지거나, 항공기 제어가 어려워지거나, 혹은 매우 낮은 상승률로 이어질 수 있다. 과도한 받음각은 경우에 따라 항공기로 하여금 지면 효과를 벗어나지 못하게 만들 수 있다. 반면 과도한 속도는 항공기의 초기 상승률과 조종성을 향상시키지만 이륙 거리를 증가시킨다. 이륙 거리는 이륙 속도의 제곱에 따라 변화한다. 따라서 10%의 초과 속도는 이륙 거리를 21% 증가시킨다.

 

기압 고도와 주변 온도는 밀도고도를, 그리고 항공기 이륙 성능을 규정한다. 밀도고도의 증가는 이륙 성능에 두 가지 영향을 미칠 수 있다:

 

1. takeoff speed 증가

 

2. 추력 감소 및 순수 가속도 감소

 

특정 무게 및 외장을 갖춘 항공기가 표준 해수면보다 높은 표고를 운영할 때 이륙 양력계수에서 부양하기 위해선 표준 해수면에서와 동일한 동압이 필요하다. 따라서 항공기는 해수면에서의 IAS와 동일한 속도에서 이륙하지만 공기 밀도 감소로 인해 TAS는 더 높다.

 

밀도고도가 엔진 추력에 미치는 영향은 엔진의 유형에 따라 크게 다르다. 과급되지 않은(unsupercharged) 왕복 엔진의 경우 표준 해수면보다 고도가 높아지면 출력이 감소한다. 그러나 과급된(supercharged) 왕복 엔진은 표준 해수면보다 고도가 높아져도 출력이 감소하지 않는다(단, critical operating altitude를 초과하기 전까지). 고도 증가와 함께 추력 감소를 겪는 엔진의 경우 순수 가속도와 가속률이 밀도에 비례하여 변화한다 가정함으로써 그 영향을 대략 계산할 수 있다. 실제로 이러한 가정은 추력 대 무게 비율이 높은 항공기에 미치는 영향과 매우 유사하다.

 

이륙 거리를 정확하게 예측하기 위해서는 기압고도와 온도를 올바르게 계산해야 한다. 이륙 성능에 가장 좋지 않은 조건은 높은 총 무게, 높은 고도, 높은 온도, 그리고 적절하지 않은 바람의 조합이다. 조종사는 활주로 길이에 관계없이 AFM/POH의 성능 정보를 통해 이륙 거리를 정확하게 예측해야 하며 훌륭한 이륙 절차를 수행하려 노력해야 한다.

 

(ATP: 터보제트 비행기는 왕복 엔진 비행기보다 밀도 고도에 훨씬 더 민감하다. 왜냐하면 왕복 엔진은 과급될 수 있기 때문이다. 표준 해수면보다 고도가 높아지면 자연 흡기 엔진, 터보 제트 엔진, 그리고 터보 프로펠러 엔진의 출력이 감소한다.

밀도고도가 1,000ft 증가하면 이륙 거리가 대략 다음과 같이 증가할 것이다. 1) 과급된 왕복 엔진의 경우 3.5% (단, critical altitude 미만일 때). 2) 추력 대 무게의 비율이 높은 터보제트 비행기의 경우 7%. 3) 추력 대 무게의 비율이 낮은 터보제트 비행기의 경우 10%)

 

AFM/POH 정보를 통해 이륙 거리를 예측할 때 다음과 같은 주요 사항들을 고려해야 한다:

 

• 기압고도와 온도

 

• 총 무게

 

• 바람

 

• 활주로 경사와 상태 

 

Landing Performance

 

항공기 착륙 거리는 비행 운영을 위한 활주로 조건을 규정한다. 최소 착륙 거리는 실속으로부터 충분한 여유를 허용하는, 만족스러운 제어를 제공하는, 그리고 충분한 복행 성능을 제공하는 최소 안전 속도로 착륙하여 얻어질 수 있다. 보통 착륙 속도는 착륙 외장에 대한 stall speed(혹은 minimum control speed)의 일정 비율로 결정된다. 따라서 착륙은 특정 양력 계수 및 받음각에서 이루어진다. 이러한 값들은 항공기 특성에 따라 다르며 무게, 고도, 그리고 바람과 무관하다.

 

특정 착륙 속도에서 최소 착륙 거리를 얻기 위해선 착륙 활주 도중 항공기에 작용하는 힘들이 최대 감속을 제공해야 한다. 감속을 최대로 유지하기 위해 착륙 활주 도중 다양한 절차들을 수행해야 할 수도 있다.

 

최소 착륙 거리를 위한 절차와 일반적인 착륙 활주 절차간에 구분이 이루어져야 한다. 최소 착륙 거리는 항공기의 지속적인 최대 감속을 통해, 즉 적극적인 브레이크를 통해 이루어질 수 있다. 반면 일반적인 착륙 활주 도중에는 타이어와 브레이크의 마모를 줄이기 위해 공기역학적 항력을 사용할 수 있다. 공기역학적 항력이 감속을 발생시키기에 충분하다면 이를 브레이크 대신 사용할 수 있다. 공기역학적 항력은 touchdown speed의 60 ~ 70%로 감속할 때에만 적용된다. 해당 속도 범위 미만에서는 공기역학적 항력이 매우 미미하여 거의 쓸모가 없으므로 계속하여 감속하기 위해서는 브레이크를 사용해야 한다. 감속이 목표이므로 엔진 추력은 최솟값(혹은 thrust reversers를 갖춘 경우에는 음의 최댓값)이어야 한다.

 

(ATP: 착륙 활주 도중 날개의 양력이 감소한 이후 바퀴에 가해지는 수직력이 비행기 무게에 근접할 때 main wheel brakes가 최대 효과를 발휘한다. 이때 제동 마찰이 최대가 된다.)

 

착륙 성능에 영향을 미치는 변수들은 이 외에도 다양하다. 착륙 활주 도중 착륙 속도나 감속률을 변화시키는 모든 항목들이 착륙 거리에 영향을 미친다.

 

착륙 거리를 결정하는 주요 항목들 중 하나는 총 무게이다. 총 무게가 증가했을 때 착륙 받음각 및 양력 계수에서 항공기를 지탱하기 위해서는 더 높은 속도가 필요하다. 착륙 무게가 21% 증가하면 착륙 속도가 10% 증가해야 더 높은 무게를 지탱할 수 있다.

 

최소 착륙 거리를 고려하고 있다면 제동 마찰력이 가장 우세하다. 대부분의 항공기 외장에서 제동 마찰은 감속의 주요 수단이다.

 

최소 착륙 거리는 총 무게에 비례하여 달라진다. 예를 들어 총 무게가 10% 증가하면 다음과 같은 문제가 발생한다:

 

• 착륙 속도 5% 증가

 

•착륙 거리 10% 증가

 

• (ATP: 운동 에너지 21% 증가)

 

바람이 착륙 거리에 미치는 영향은 크다. 따라서 착륙 거리를 예측할 때 이를 적절히 고려해야 한다. 항공기는 바람과 무관하게 특정 속도에서 착륙하므로 바람이 착륙 거리에 미치는 영향은 ground speed의 변화 때문에 발생한다. 착륙에 대한 바람의 영향은 이륙에 대한 바람의 영향과 동일하다.

 

기압고도와 주변 온도는 밀도고도를, 그리고 착륙 성능을 규정한다. 밀도고도의 증가는 착륙 속도를 증가시키긴 하지만 net retarding force를 변화시키는 않는다. 따라서 높은 표고의 항공기는 해수면에서와 동일한 IAS로 착륙하지만 밀도 감소로 인해 TAS는 더 높다. 높은 표고의 항공기는 동일한 무게 및 동압에서 착륙하므로 착륙 활주 도중의 항력과 제동 마찰은 해수면에서와 동일하다. 브레이크의 기능이 유지되는 한 net retarding force는 변하지 않으며 해수면에서와 동일하게 감속한다. 표고가 증가해도 감속도는 변화하지 않으므로 밀도고도가 착륙 거리에 미치는 영향은 더 높은 TAS 때문에 발생한다.

 

5,000ft에서의 최소 착륙 거리는 해수면에서의 최소 착륙 거리보다 16% 더 크다. 1,000ft의 고도가 증가할 때마다 착륙 거리가 대략 3.5%씩 증가한다. 착륙 거리를 정확하게 예측하기 위해선 밀도고도를 올바르게 계산해야 한다.

 

활주로 길이와 착륙 거리가 중요한 경우에는 올바른 착륙 속도가 특히 중요하다. AFM/POH에 명시된 착륙 속도는 보통 항공기가 착륙할 수 있는 최소 안전 속도이다. 이러한 속도 미만에서 착륙을 시도하면 항공기가 실속에 빠지거나, 항공기 제어가 어려워지거나, 혹은 매우 높은 하강률로 이어질 수 있다. 반면 과도한 속도는 항공기의 조종성을 약간 향상시키지만 착륙 거리를 증가시킨다

 

착륙 속도가 10% 초과하면 착륙 거리가 최소 21% 증가한다. 속도가 초과되면 운동 에너지가 더 소모되어야 하므로 브레이크에 더 많은 부하가 걸린다. 또한 속도가 높으면 양력과 항력이 증가하는데 양력 증가는 제동 표면에 가해지는 정상적인 힘을 감소시킨다. 이러한 속도 범위에서는 감속이 어려울 수 있으며 이때 브레이크를 밟으면 타이어가 터질 가능성이 높다.

 

착륙 성능에 가장 좋지 않은 조건은 높은 총 무게, 높은 고도, 높은 온도, 그리고 적절하지 않은 바람의 조합이다. 이러한 조건들은 긴 착륙 거리를 생성하며 브레이크의 에너지 소산이 임계 수준에 이른다. 최소 착륙 거리를 정확하게 예측한 다음 이를 활주로와 비교하는 것이 중요하다. 착륙 단계는 다른 단계들보다 더 많은 항공기 사고를 차지하므로 훌륭한 착륙 절차가 필요하다.

 

AFM/POH 정보로 최소 착륙 거리를 예측할 때 다음 사항들을 고려해야 한다:

 

• 기압고도와 온도

 

• 총 무게

 

• 바람

 

• 활주로 경사 및 상태

 

10노트의 배풍은 착륙 거리를 약 21% 증가시킨다. 착륙속도가 10% 증가하면 착륙 거리가 20% 증가한다. 수막현상은 제동을 비효율적이게 만들며 이는 그림 11-18을 통해 결정된 속도까지 계속된다.

 

(ATP: 착륙 속도의 10%에 해당하는 정풍은 착륙 거리를 19% 감소시킨다.)

 

예를 들어 항공기가 runway 18의 downwind를 비행하고 있다. 이때 관제탑이 runway 27을 사용할 수 있는지 물어본다. 현재 약한 비가 내리고 있고 10노트의 동풍이 불고 있다. 마침 runway 27의 연장선에 접근하고 있던 조종사는 이를 받아들인다. runway 27에 정렬된 후 항공기는 이미 3,500ft 길이의 활주로로부터 1,000ft를 이동하였다. 대기속도는 약 10% 높으며(70노트여야 하는데 약 80노트임) 바람은 배풍 10노트가 불고 있다.

 

첫째, 속도가 약 10%만큼 높으면 착륙 거리가 20% 증가한다. 70노트에서는 1,600ft의 거리가 필요하다. 허나 이제는 20% 증가하여 1,920ft가 필요하다.

 

1,920ft의 착륙 거리는 바람의 영향도 받는다. 10노트의 배풍은 착륙 거리를 약 21% 증가시킨다. 이 계산은 새로이 도출된 착륙 거리를 기준으로 수행되어야 한다. 이제 착륙 거리는 380ft 더 증가하였다. 50ft AGL에 도달한 후 착륙하기 위해선 총 2,300ft가 필요하다.

 

조종사가 이미 활주로를 1,000ft 이동하였으므로 200ft의 여유가 남는다. 허나 이는 완벽한 조건일 때이다. 대부분의 조종사들은 착륙 시 end of the runway가 가까워지면 두려움을 느끼며 그 결과 브레이크를 밟는다. 항공기에 잠김 방지 브레이크(anti-lock braking)가 없으므로 브레이크가 잠기며 항공기가 비에 젖은 활주로 표면 위에서 미끄러진다. 수막현상 발생 도중 브레이크는 비효율적이다. 브레이크가 잠기고 항공기가 활주로 표면 위에서 미끄러지면서 200ft의 여유조차 사라졌다.

 

이 예시에서 조종사는 나쁜 결정들을 내렸다. 나쁜 결정들이 결합될 경우 더 큰 시너지 효과가 발생하며 이로 인해 수정이 거의 불가능할 때까지 시정 조치들이 계속 증가한다. Aeronautical decision-making은 Chapter 2, Aeronautical Decision-Making(ADM)에서 더 자세히 설명된다.