(1) Forces Acting on the Aircraft

Forces Acting on the Aircraft

 

추력, 양력, 항력, 그리고 무게는 비행 중인 모든 항공기에 작용하는 힘이다. 이러한 힘이 어떻게 작용하는지를 이해하는 것, 그리고 출력/조종간을 통해 이러한 힘들을 제어하는 방법을 아는 것은 비행에 필수적이다. 이 장은 공기역학에 대하여(설계, 무게, 하중 계수, 그리고 중력이 항공기에 미치는 영향) 설명한다.

 

직진수평 비가속 비행 상태인 항공기에 작용하는 네 가지 힘은 추력, 항력, 양력, 그리고 무게이다. 이들은 다음과 같이 정의된다:

 

• 추력 – 엔진/프로펠러에 의해 생성되는 전방 힘. 이는 항력을 극복하거나 대항한다. 일반적으로 추력은 세로축에 평행하게 작용한다(허나 항상 그렇지는 않음).

 

• 항력 – 날개, 동체, 그리고 그 외 돌출부에 의한 공기 흐름 방해로 발생하는 후방 힘. 일반적으로 항력은 추력에 반대되며 상대풍에 평행하게 작용한다.

 

• 양력 – 에어포일에 작용하는 공기의 동적 효과에 의해 생성되는 힘. 이는 양력 중심(CL)으로부터 비행경로에 수직으로, 그리고 가로축에 수직으로 작용한다. 수평비행 도중 양력은 무게에 반대된다.

 

• 무게 – 항공기, 승무원, 연료, 그리고 수하물/화물의 총 무게. 무게는 중력으로 인해 항공기가 아래로 당겨지는 힘이다. 이는 양력에 반대되며 항공기 무게중심(CG)으로부터 아래를 향해 수직으로 작용한다.

 

안정적인 비행 상태에서는 이러한 힘들의 합이 0이다. 뉴턴의 제 3법칙(작용 반작용의 법칙)에 따르면 안정적인 직진 비행 도중에는 불균형한 힘이 있을 수 없다. 이는 상승/하강 비행에서도 적용된다.

 

이는 네 가지 힘들이 모두 같다는 의미는 아니다. 대신 서로 대립하는 힘들이 같기에 그 영향이 상쇄됨을 의미한다. 직진수평 비가속 비행 도중 양력은 무게와 동일하며 추력은 항력과 동일하다. 그리고 이와 동시에 양력 및 무게는 추력 및 항력보다 더 크다. [그림 5-1] 따라서 안정적인 비행 도중에는:

 

• 위로 향하는 모든 힘들(양력뿐만 아니라)의 합이 아래로 향하는 모든 힘들(무게뿐만 아니라)의 합과 같다.

 

• 앞으로 향하는 모든 힘들(추력뿐만 아니라)의 합이 뒤로 향하는 모든 힘들(항력뿐만 아니라)의 합과 같다.

상승 도중에는 추력의 일부가 위로 향하여 양력처럼 작용하며 무게의 일부는 뒤로 향하여 항력처럼 작용한다. [그림 5-2] 저속비행(slow flight) 도중에도 추력의 일부가 위로 향하여 양력처럼 작용하긴 하나 항공기가 수평비행 상태이기 때문에 무게는 항력에 영향을 주지 않는다.

 

활공 도중에는 무게 벡터의 일부가 전방 비행경로로 향하여 추력으로 작용한다. 즉, 항공기의 비행경로가 수평이 아닌 경우에는 양력, 무게, 추력, 그리고 항력 벡터들이 항상 각각 두 가지 요소로 분해되어야 한다.

 

알아야할 또 다른 중요한 개념은 받음각(AOA)이다. 받음각은 비행기 성능, 안정성, 그리고 조작의 많은 측면들을 이해하는데 필수적이다. 받음각은 에어포일 시위선과 상대풍 사이의 각으로 규정된다.

 

추력, 항력, 양력, 그리고 무게의 공기역학적 힘을 통해 조종사는 비행을 수행할 수 있다. 이러한 힘에 대한 자세한 설명은 다음과 같다.

 

Thrust

 

항공기가 움직이기 위해선 추력이 발생해야 하며 이는 항력보다 커야한다. 항공기는 추력과 항력이 같아질 때까지 계속하여 증속된다. 일정한 비행속도를 유지하기 위해서는 추력과 항력이 동일하게 유지되어야 한다(마치 일정한 고도를 유지하기 위해선 양력과 무게가 같아야 하듯이). 수평 비행 도중에 엔진 출력이 감소되면 항공기 속도가 느려진다. 추력이 항력보다 작은 한 항공기는 계속하여 감속한다. 어느 정도 항공기가 감속하면 항력 또한 감소할 것이다. 추력과 항력이 같아질 때(즉, 대기속도가 안정화될 때)까지 항공기는 계속하여 감속한다.

 

마찬가지로 엔진 출력이 증가하면 추력이 항력보다 커지고 대기속도가 증가한다. 추력이 항력보다 더 높은 한 항공기는 계속하여 가속한다. 항력과 추력이 같아지면 항공기는 일정한 속도로 비행한다.

 

직진수평비행은 다양한 속도에서 유지될 수 있다. 조종사는 모든 flight regime에서 항공기를 수평비행 상태로 유지하기 위해 받음각과 추력을 조정한다. 양력은 받음각과 대기속도에 따라 달라진다. 따라서 저속/높은 받음각은 고속/낮은 받음각과 동일한 양의 양력을 생산한다. speed regime는 세 가지 범주로 분류될 수 있다: low-speed flight, cruise flight, 그리고 high-speed flight

 

속도가 낮을 때 양력과 무게 사이의 균형을 유지하기 위해선 받음각이 비교적 높아야 한다. [그림 5-3] 만약 추력이 감소하여 속도가 감소하면 양력이 무게보다 낮아져서 항공기가 하강하기 시작한다. 이때 수평비행을 유지하기 위해 조종사는 받음각을 증가시킬 수 있다. 비록 항공기는 더 느리게 비행하지만 수평비행을 유지할 것이다. 양력과 무게가 동일해지도록 받음각을 조정한다. 항력과 추력이 같아지는 속도가 만들어지기 전까지는 속도가 자연스럽게 조정될 것이다(단, 조종사가 정확한 속도를 유지하려 시도하지 않는다 가정할 때).

 

(ATP: 비행기 무게가 증가하면 유해항력의 증가량보다 유도항력이 증가량이 더 커진다. 왜냐하면 증가된 무게를 지탱하기 위해 더 높은 받음각이 필요하기 때문이다.)

slow-speed regime에서의 직진수평비행은 힘의 균형에 대해 몇 가지 흥미로운 조건을 제공한다. nose-high attitude일 때에는 추력의 수직 성분이 항공기를 지탱하는데 도움을 제공한다. 이로 인해 wing loading이 예상보다 적은 경향이 있다.

 

수평비행 도중 추력이 증가하면 항공기가 증속하고 양력이 증가한다. 양력과 무게 사이의 관계가 유지될 정도로 받음각이 감소하지 않는다면 항공기가 상승하기 시작할 것이다. 추력/속도가 증가함에 따라 받음각을 감소시켜야 한다. 만약 받음각이 너무 빠르게 감소되면 항공기가 하강할 것이고 만약 받음각이 너무 느리게 감소되면 항공기가 상승할 것이다.

 

추력으로 인해 비행속도가 달라지므로 수평비행을 유지하기 위해선 받음각 또한 변화되어야 한다. 매우 빠른 속도로 수평비행을 수행하는 경우에는 약간의 negative AOA가 필요할 수 있다. 추력이 감소하여 속도가 감소하였을 때 고도를 유지하기 위해선 받음각이 증가되어야 한다. 만약 속도가 상당히 감소하였다면 받음각이 임계받음각까지 증가해야할 것이다. 여기서 만약 받음각이 더 증가하면 날개 실속이 발생할 것이다. 따라서 낮은 추력 및 저속에서는 임계받음각을 초과하지 않도록 조심해야 한다. 만약 비행기에 AOA indicator가 장착되어 있다면 임계 받음각에 접근하고 있는지 확인하기 위해 이를 참조한다.

 

일부 항공기에서는 받음각 대신 추력의 방향을 변경할 수 있다. 이는 축을 중심으로 엔진을 회전시키거나 배기가스를 벡터링하여 이루어진다. [그림 5-4]

Lift

 

조종사는 양력을 제어할 수 있다. 조종간이 앞뒤로 이동할 때마다 받음각이 변화한다. 받음각이 증가하면 양력이 증가한다. 항공기가 최대 받음각에 도달하면 양력이 급격하게 감소하기 시작한다. 이는 CL-MAX critical AOA라 알려진 실속 받음각이다. 그림 5-5를 통해 임계 받음각에 도달하기 전까지 양력 계수가 어떻게 증가하는지, 그리고 이후의 받음각 증가서 양력 계수가 어떻게 감소하는지 확인한다.

 

(ATP: 즉, 양력 계수는 실속 속도에서 최대가 된다.)

날개는 새로운 공기를 지속적으로 “attacking”하지 않는 한 효과적일 수 없다. 항공기가 계속 비행하기 위해서는 에어포일이 계속 움직여야 한다. 이는 항공기의 전진 속도에 의해 달성된다. 양력은 항공기 속도의 제곱에 비례한다. 예를 들어 200노트로 전진하는 비행기는 100노트로 전진하는 비행기보다 4배의 양력을 가진다(단, 받음각과 이 외의 모든 요인들이 일정하게 유지되는 경우).

위의 양력 방정식은 속도가 두 배로 증가하면 양력이 네 배가 된다는 것을 뒷받침한다. 따라서 속도는 양력 생산에 중요한 요소이다. 양력은 공기 밀도, 에어포일 속도, 날개 표면 면적, 그리고 특정 에어포일에 대한 양력 계수와의 관계를 통해 결정된다.

 

이를 통해 항공기가 증속하면 일정한 고도에서 수평비행을 계속할 수 없다는 것을 알 수 있다(단, 받음각이 일정한 경우). 양력이 증가할 것이고 이로 인해 항공기는 상승할 것이다. 따라서 항공기를 직진수평 상태로 유지하기 위해서는 속도가 증가할 때 양력을 일정하게 유지해야 한다. 이는 보통 기수를 낮춰서 받음각을 감소시킴으로써 달성된다. 반대로 항공기가 감속하면 속도가 낮아지므로 충분한 양력을 유지하기 위해 받음각을 증가시켜야 한다. 물론 실속을 피하기 위해 받음각을 늘리는 양에는 한계가 있다.

 

모든 받음각은 이에 상응하는 수평 비행 속도를 가지고 있다(단, 이 외의 모든 요인들이 일정한 경우). 에어포일은 항상 동일한 받음각에서 실속에 빠지므로 무게가 증가하면 양력 또한 증가해야 한다. 받음각이 임계 받음각 직전으로 유지되고 있을 때 양력을 증가시키는 유일한 방법은 속도를 증가시키는 것이다(flaps나 그 외 고양력 장치가 없음을 가정).

 

또한 양력과 항력은 공기의 밀도에 따라 직접적으로 달라진다. 밀도는 몇 가지 요인에 의해 영향을 받는다: 압력, 온도, 그리고 습도. 18,000ft의 고도에서는 공기의 밀도가 해수면 공기밀도의 절반이 된다. 따라서 고고도에서 양력을 유지하기 위해선 특정 받음각에 대해 더 높은 진대기속도로 비행해야 한다.

 

따뜻한 공기는 시원한 공기보다 밀도가 낮다. 그리고 습한 공기는 건조한 공기보다 밀도가 낮다. 따라서 따뜻하고 습한 날에는 시원하고 건조한 날보다 특정 받음각에 대해 더 높은 진대기속도로 비행해야 한다.

 

밀도가 낮아지면 다른 요인들 중 하나가 증가되어야 수평비행이 유지될 수 있다. 보통 속도나 받음각이 증가되는데 왜냐하면 이들은 조종사가 직접 제어할 수 있기 때문이다.

 

양력은 날개 면적에 의해 달라진다. 200 평방피트의 면적을 가진 날개는 100 평방피트의 날개보다 특정 받음각에 대해  두 배 더 많은 양력을 생산한다.

 

조종사의 관점에서는 양력과 비행속도가 주된 공기역학적 요소이다. 왜냐하면 이들은 쉽고 정확하게 제어될 수 있기 때문이다. 물론 고도를 변경하여 밀도를 조절할 수도 있고 날개 면적을 조절할 수도 있다(단, 항공기가 날개 면적을 넓히는 유형의 flaps를 갖춘 경우). 그러나 대부분의 상황에서는 조종사가 양력과 비행속도를 제어한다. 예를 들어 직진수평 순항비행을 수행하고 있을 때 조종사는 항공기의 비행속도에 맞춰 양력을 조정하여 고도를 유지한다. 착륙을 위한 접근을 수행하고 있을 때 최대한 느린 속도로 착륙하길 원한다면 항공기의 무게와 양력이 동일하게 유지될 정도로 받음각을 최대한 증가시켜야 한다.

 

Lift/Drag Ratio

 

양항비(L/D)는 날개의 항력에 대해 발생하는 양력의 양이다. 양항비는 에어포일 효율성을 나타낸다. 양항비가 높은 항공기는양항비가 낮은 항공기보다 효율적이다. 양력과 항력이 안정된 비가속 비행 상태에서는 특정 받음각에 대한 양항비를 계산할 수 있다. [그림 5-5]

 

양력계수는 무차원수로 이는 양력 표면에 의해 생성되는 양력, 동체 주변 유체의 동압, 그리고 동체와 연관된 기준넓이(reference area)와 관련이 있다. 항력계수 또한 무차원수로 이는 유체(예를 들어 공기)에 놓인 물체의 항력을 정하는데 사용된다. 항력계수는 항상 특정 표면적과 관련된다.

 

양항비는 양력계수를 항력계수로 나누어서 결정된다. 이는 양력 방정식을 항력 방정식으로 나누었을 때 계수를 제외한 모든 변수들이 상쇄되는 값과 동일하다. 양력 방정식과 항력 방정식은 다음과 같다(L = 양력 [파운드 단위], D = 항력, CL = 양력계수, p = 밀도 [입방피트 당 슬러그 단위], V = 속도 [초 당 피트 단위], q = 평방피트 당 동압 [= 1/2pv2], S = 양력 표면 면적 [평방피트 단위], CD = 동압에 대한 항력 압력의 비율):

보통 낮은 받음각에서는 항력계수가 낮다. 이때는 받음각이 약간 변해도 항력계수가 크게 변하지 않는다. 반면 높은 받음각에서는 받음각이 약간만 변해도 항력에 큰 영향을 일으킨다. 에어포일 모양과 받음각 변화는 양력 생산에 영향을 미친다.

 

그림 5-5에서 양력계수 곡선(빨간색)은 20도의 받음각에서 최대에 도달한 후 급격히 감소한다. 따라서 20도의 받음각은 임계 받음각이다. 항력계수 곡선(주황색)은 14도의 받음각에서 매우 빠르게 증가하며 21도의 받음각에서는 양력 곡선을 완전히 넘어선다. 양항비(녹색)는 6도의 받음각에서 최대에 도달한다. 즉, 이 각도에서 가장 적은 항력에 대해 가장 많은 양력을 얻을 수 있다.

 

최대 양항비(L/D MAX)는 특정 양력계수 및 받음각에서 발생한다는 것을 주목한다. 만약 항공기가 최대 양항비에서 안정적으로 운영된다면 총 항력은 최소이다. 최대 양항비에 대한 받음각보다 받음각이 높거나 낮아지면 양항비가 낮아지며 이는 특정 항공기의 양력에 대한 총 항력을 증가시킨다. 그림 5-6은 “total drag”라 표시된 파란색 선의 가장 낮은 부분을 통해 최대 양항비를 보여준다. 항공기의 외장은 양항비에 큰 영향을 미친다.

Drag

 

항력이란 항공기의 움직임을 막는 힘이다. 항력에는 두 가지 유형이 있다: 유해 항력(parasite drag)과 유도 항력(induced drag). 첫 번째 항력은 비행을 돕는 기능을 하지 않기 때문에 “parasite”라 불린다. 두 번째 항력은 에어포일이 양력을 생산한 결과로 발생한 것이기 때문에 “induced”라 불린다.

 

Parasite Drag

 

유해항력은 항공기의 움직임을 늦추기 위해 작용하는 모든 힘들로 구성되어 있다. 이는 양력 생산과 관련이 없는 항력이다. 유해항력에는 세 가지 유형이 있다: 형상 항력(form drag), 간섭 항력(interference drag), 그리고 표면 마찰 항력(skin friction drag).

 

Form drag

 

형상 항력은 항공기의 모양과 그 주변 공기 흐름으로 인해 형성되는 항력이다. 여기에는 엔진 카울링, 안테나, 그리고 기타 구성 요소들의 공기역학적 형상이 있다. 항공기와 기타 구성 요소들 주위를 이동하기 위해 분리된 공기는 항공기를 통과한 후에 다시 합류한다. 공기가 빠르고 부드럽게 다시 합류하는 정도가 저항의 크기를 나타내며 이를 극복하기 위해서는 추가적인 힘이 필요하다. [그림 5-7]

평평한 판(flat plate)이 가장자리 주위의 공기를 어떻게 소용돌이치게 만드는지 확인한다 [그림 5-7]. 항공기 설계 시 가장 쉽게 줄일 수 있는 것은 바로 형상 항력이다. 이는 최대한 많은 부품들을 유선형으로 설계함으로써 이루어진다.

 

Interference Drag

 

간섭 항력은 공기 흐름이 교차하는 지점에서 발생한다. 여기에서 와류나 난류가 생성되거나 원활한 공기 흐름이 제한된다. 예를 들어 날개와 동체가 교차하는 지점(wing root)에서 상당한 간섭 항력이 형성된다. 동체 주위를 흐르는 공기가 날개 위를 흐르는 공기와 충돌하면 원래의 기류들과 다른 새로운 기류로 합쳐진다. 가장 큰 간섭 항력은 두 표면이 수직으로 만날 때 발생한다. 이러한 경향을 줄이기 위해 fairing이 사용된다. 만약 전투기가 두 개의 wing tank를 장비하였다면 전체 항력은 탱크 각각의 항력 합보다 크다. 왜냐하면 이들이 간섭 항력을 생성하기 때문이다. 양력 표면과 외부 구성 요소들(예를 들어 레이더 안테나) 사이의 거리와 fairings는 간섭 항력을 줄인다. [그림 5-8]

Skin Friction Drag

 

표면 마찰 항력은 항공기 표면의 공기 접촉으로 인한 공기역학적 저항이다. 모든 표면은 아무리 매끄럽다 해도 현미경으로 보면 거친 표면을 가진다. 날개 표면과 직접 접촉하는 공기 분자는 사실상 움직이지 않는다. 날개 표면 위의 각 분자 층들은 자유 흐름 속도(free stream velocity)에 도달하기 전까지는 조금씩 더 빠르게 움직인다. 날개와 자유 흐름 속도 층 사이의 영역은 카드 두께만하다. 이를 경계층(boundary layer)이라 부른다. 경계층의 상단에서 분자들의 속도가 증가하여 경계층 바깥에 놓인 분자들과 같은 속도로 움직인다. 분자들이 움직이는 실제 속도는 날개의 모양, 날개를 흐르는 공기의 점성, 그리고 날개를 흐르는 공기의 압축성에 따라 달라진다.

(출처: NASA)

경계층 바깥의 공기 흐름은 경계층 가장자리의 모양에 반응한다. 경계층은 모든 물체에 대해 해당 물체의 물리적 모양과는 약간 다른 “effective” shape를 제공한다. 경계층은 물체로부터 분리될 수도 있으며 이로 인해 물체의 물리적 모양과는 매우 다른 effective shape가 만들어질 수도 있다. 경계층의 이러한 변화는 양력의 급격한 감소와 항력의 증가를 발생시킨다. 이때 에어포일은 실속에 빠진 것이다.

 

표면 마찰 항력의 영향을 줄이기 위해 항공기 설계자들은 매입형 리벳(flush mount rivets)을 통해 날개 표면 위로 돌출되는 것들을 제거한다. 또한 매끄럽고 광택이 나는 마감재는 날개 표면을 가로지르는 공기의 전이(transition)에 도움을 준다. 항공기 표면의 때는 공기 흐름을 방해하여 항력을 증가시킨다. 따라서 항공기 표면을 깨끗한 상태로 유지해야 한다.

 

Induced Drag

 

두 번째 항력은 바로 유도 항력이다. 기계적으로 작동하는 어떤 시스템도 100% 효율적일 수 없다. 즉, 필요한 일(work)은 시스템 내에서 소모되는 추가적인 일(work)을 희생해야만 얻을 수 있다. 시스템의 효율성이 높을수록 이러한 희생이 적어진다.

 

수평비행 도중 날개는 양력을 생성한다. 허나 이는 특정 페널티를 희생해야만 얻어질 수 있다. 이러한 페널티가 유도 항력이다. 유도 항력은 에어포일이 양력을 생성할 때마다 발생한다.

 

에어포일은 자유 흐름의 에너지를 사용하여 양력을 생산한다. 에어포일이 양력을 생성할 때 날개 아랫면의 압력은 윗면의 압력보다 크다(베르누이의 원리). 이로 인해 공기는 wing tip 아랫면의 고압 영역으로부터 윗면의 저압 영역으로 흐르려는 경향을 보인다. wing tip 근처에서 이러한 압력들이 균일해지려는 경향이 있으며 이로 인해 날개 아랫면에서 윗면으로 향하는 흐름이 만들어진다. 이러한 흐름은 wing tip 주변 공기에 회전 속도를 부여하며 이로 인해 에어포일 뒤로 와류(vortices)가 만들어진다.

 

항공기를 꼬리에서 바라보았을 때 와류는 우측 wing tip에서 반시계 방향으로, 그리고 좌측 wing tip에서 시계 방향으로 돈다. [그림 5-9] 공기가 날개 뒤쪽에서 흘러 나오면서 아래로 기울어지는데 이를 downwash라 부른다. 그림 5-10은 공중에서의 downwash와 지면에서의 downwash를 보여준다. 와류가 tip 바깥쪽에서는 upward flow를 발생시키고 tip 안쪽에서는 downwash flow를 발생시키는 것을 확인할 수 있다. 이러한 downwash는 양력 생산에 필요한 downwash와 다르다.

downwash는 상대풍을 아래로 향하게 만든다. 따라서 downwash가 많을수록 상대풍이 아래로 향한다. 양력은 항상 상대풍에 수직이므로 이는 매우 중요하다. 그림 5-11을 보면 downwash가 적을 때 양력 벡터가 중력에 대해 더 수직으로 발생한다는 것을 알 수 있다. downwash가 많아지면 양력 벡터가 뒤로 향해서 유도 항력이 만들어진다. 게다가 날개가 downwash와 vortices를 생성하려면 에너지가 필요한데 이 에너지가 항력을 만든다.

와류의 크기와 힘이 커질수록, 그리고 이로 인하여 에어포일 윗면의 downwash 성분이 커질수록 유도 항력의 영향이 커진다. 에어포일 윗면의 downwash는 양력 벡터를 뒤로 구부리는 것과 동일한 영향을 미친다. 이는 rearward lift component를, 즉, 유도 항력을 생산한다.

 

에어포일 윗면에 더 높은 음압을 생성하기 위해 에어포일이 높은 받음각으로 설계될 수 있다. 대칭 에어포일의 경우 받음각이 0일 때 압력차가 발생하지 않으며 이로 인해 downwash와 유도 항력이 발생하지 않는다. 어떤 경우에도 받음각이 증가하면 유도 항력이 비례하여 증가한다. 즉, 속도가 낮아질수록 받음각이 증가해야 하며 이로 인해 유도항력이 커진다. 유도 항력은 대기속도의 제곱에 반비례한다.

 

반대로 유해 항력은 대기속도의 제곱에 비례한다. 따라서 안정된 상태에서 항공기가 실속 속도에 가까워지면 유도 항력이 급증하여 총 항력이 커진다. 마찬가지로 항공기가 VNE(never-exceed speed)에 가까워지면 유해 항력이 급증하여 총 항력이 커진다. 그림 5-6을 보면 특정 대기속도에서 총 항력이 최소가 된다. 최대 항속거리 계산 시 이 지점에서 항력을 극복하기 위한 thrust required가 최소가 된다. 최대 항속시간(minimum power required)은 그래프의 다른 지점에서 발생한다.

 

Weight

 

중력이란 물체를 지구 중심으로 끌어당기는 힘이다. CG는 항공기의 모든 무게가 집중되는 지점으로 간주될 수 있다. 만약 항공기가 정확한 CG에서 지탱된다면 어떠한 자세에서도 균형을 잡을 수 있다. CG의 위치는 안정성에 큰 영향을 미친다. 따라서 항공기에서 CG는 매우 중요하다. CG가 허용되는 위치는 각 항공기의 설계에 의해 결정된다. 설계자는 압력 중심(CP)을 얼마나 멀리 이동시킬지를 결정한다. 항공기의 무게는 CG에 집중되고 양력의 공기역학적 힘은 CP에서 발생한다는 것을 이해해야 한다. CG가 CP보다 앞에 있으면 항공기의 기수가 nose down 하려는 경향이 만들어진다. 만약 CP가 CG의 앞에 있으면 nose up pitching moment가 생성된다. 따라서 설계자들은 비행 평형을 유지하기 위해 특정 비행 속도에 대한 CP를 CG의 후방한계 뒤로 고정한다.

 

무게는 양력과 분명한 관계를 가진다. 이 관계는 간단하지만 공기역학을 이해하는데 있어 중요하다. 양력은 상대풍과 항공기 가로축에 수직으로 작용하는 상방 힘이다. 항공기 무게를 상쇄하기 위해서는 양력이 필요하다. 안정된 수평 비행 상태에서 양력과 무게가 같다면 항공기는 평형 상태에 놓이며 위/아래로 가속하지 않는다. 만약 양력이 무게보다 작어지면 항공기가 하강할 것이다. 만약 양력이 무게보다 커지면 항공기가 상승할 것이다.

 

(ATP: 조종사는 받음각을 변화시킴으로써 양력, 속도, 그리고 항력을 제어할 수 있다.)

 

(ATP: 다음은 bank angle에 따른 유도 항력 공식의 예이다.)

 

bank angle이 15도이면 유도항력이 7.2% 증가한다.

bank angle이 30도이면 유도 항력이 33% 증가한다.

bank angle이 45도이면 유도항력이 100% 증가한다.

bank angle이 60도이면 유도 항력이 300% 증가한다.