(3) Ground Effect

Ground Effect

 

항공기는 착륙 직전에 갑자기 하강하려 하지 않으려 한다. 이는 날개와 지면 사이에 갇힌 공기가 마치 air cushion처럼 작용하기 때문이다. 이러한 현상을 지면 효과(ground effect)라 부른다.

 

비행 중인 항공기가 지표면, 땅, 혹은 수면으로부터 수 피트 이내에 들어오면 항공기 주변의 3차원 흐름 패턴에 변화가 발생한다. 왜냐하면 날개 주변 기류의 수직 성분이 지표면에 의해 제한되기 때문이다. 이는 날개의 upwash, downwash, 그리고 wingtip vortices를 변화시킨다. [그림 5-16] 지면효과는 비행 중인 항공기 주변의 기류 패턴과 지면(혹은 수면)의 간섭으로 인해 발생한다. 지면 효과에 의해 tail surfaces와 fuselage의 공기역학적 특징이 변화하긴 하지만 날개의 공기역학적 특성이 가장 크게 변화한다. 날개가 지면 효과를 조우한 다음 일정한 받음각으로 유지될 경우 upwash, downwash, 그리고 wingtip vortices가 감소한다.

유도 항력은 양력을 발생시키는 에어포일 작업의 결과이다. 높은 받음각에서는 유도항력의 양이 많다. 이는 실제 비행 도중 저속에 해당하므로 유도항력은 저속에서 우세하다 할 수 있다. 그러나 지면 효과로 인한 wingtip vortices 감소는 날개 길이 방향 양력 분포(spanwise lift distribution)를 변화시킨다. 이는 또한 유도 받음각(induced AOA)과 유도 항력을 감소시킨다. 따라서 지면 효과 내에서는 동일한 양력계수를 위해 더 낮은 받음각이 필요하다. 만약 일정한 받음각이 유지된다면 양력계수가 증가한다. [그림 5-17]

또한 지면 효과는 속도에 대한 thrust required를 변화시킨다. 유도 항력은 저속에서 우세하다. 따라서 저속에서 지면 효과로 인한 유도 항력 감소는 thrust required(유해 항력 + 유도 항력)를 상당히 감소시킨다. upwash, downwash, 그리고 wingtip vortices가 변화하기 때문에 지면 효과와 관련된 계기 시스템 위치(설치) 오차에 변화가 발생할 수 있다. 대부분의 경우 지면 효과는 static source의 국부적 압력을 증가시킨다. 이는 대기 속도와 고도 지시를 낮아지게 만든다. 따라서 항공기는 이륙에 필요한 대기속도보다 낮은 속도에서 부양할 수 있다.

 

지면 효과가 커지기 위해서는 날개가 지면에 상당히 가까워야 한다. 지면 효과의 직접적인 결과 중 하나는 양력계수가 일정할 때 지면으로부터의 날개 높이에 따라 유도 항력이 변화하는 것이다. 날개가 지면으로부터 wingspan 높이에 있을 경우 유도 항력은 1.4% 감소한다. 허나 날개가 지면으로부터 1/4 wingspan 높이에 있을 경우 유도 항력은 23.5% 감소한다. 그리고 날개가 지면으로부터 1/10 wingspan 높이에 있을 경우 유도 항력은 47.6% 감소한다. 따라서 날개가 지면에 매우 가까운 경우에만 유도 항력이 크게 감소한다. 때문에 지면 효과는 이착륙 도중에 가장 일반적으로 인지된다.

 

이륙 도중 지면 효과는 몇 가지 중요한 관계들을 생성한다. 이륙 후 지면 효과를 벗어나는 항공기는 착륙 도중 지면 효과에 진입하는 항공기와 정반대의 상황을 직면한다. 지면 효과를 벗어나는 항공기는 다음을 경험한다:

 

∙ 동일한 양력계수를 유지하기 위해선 받음각을 증가시켜야 함.

 

∙ induced drag와 thrust required가 증가함.

 

∙ 안정성이 감소하며 순간적인 nose-up 변화가 발생함.

 

∙ static source 압력이 감소하여 지시 속도가 증가함.

 

이착륙 도중에는 지면 효과를 고려해야 한다. 예를 들어 이륙 도중 조종사가 항공기와 지면 효과 사이의 관계를 이해하지 못할 경우 권장 이륙 속도에 도달하지 못하여 위험한 상황이 발생할 수 있다. 지면 효과로 인한 항력 감소 때문에 항공기가 권장 속도보다 훨씬 낮은 속도에서 이륙할 수 있는 것처럼 보일 수 있다. 속도가 부족한 상태로 항공기가 지면 효과를 벗어나 상승할 경우 더 큰 유도 항력으로 인해 상승 성능 한계에 도달할 수 있다. 극심한 조건에서(예를 들어 높은 총 무게, 높은 밀도 고도, 그리고 높은 온도) 속도가 부족한 상태로 이륙하였다면 설령 항공기가 부양했다 하여도 지면 효과를 벗어날 수는 없을 것이다. 이 경우 항공기가 다시 활주로에 안착할 수도 있다.

 

조종사는 속도가 부족한 상태에서 항공기를 이륙시키려 시도해서는 안 된다. 충분한 초기 상승 성능을 위해서는 제조업체의 권장 이륙 속도가 필요하다. 또한 landing gear/flaps를 올리기 전에 상승을 확실히 설정하는 것도 중요하다. positive rate of climb가 설정된 후에, 그리고 safe altitude에 도달한 후에 landing gear/flaps를 올려야 한다.

 

착륙 도중 항공기가 일정한 받음각으로 지면 효과에 도달하면 coefficient lift 증가 및 trust required 감소로 인하여 “floating”이 발생할 수 있다. 지면 효과 내에서는 항력이 감소하여 감속도가 줄어든다. 따라서 높은 속도에서 flare가 시작될 경우 상당한 floating이 발생할 수 있다. 지면 효과는 wingspan보다 낮은 고도에서 가장 크게 나타난다. 접근의 최종 단계에서 항공기가 지면에 가까워짐에 따라 출력 감소가 필요하다. 이는 지면 효과로 인한 양력 증가를 상쇄하기 위함이다. 그렇지 않을 경우 항공기가 glidepath(GP) 위로 상승한다.