(1) Introduction

Introduction

 

high-performance airplane이란 200 마력을 초과하는 출력을 낼 수 있는 엔진을 갖춘 비행기라 정의된다(14 CFR part 61, section 61.31(f)(1)). complex airplane이란 retractable landing gear, flaps, 그리고 controllable pitch propeller를 갖춘 비행기를 의미하며 여기에는 엔진 및 프로펠러를 제어하기 위해 디지털 컴퓨터 및 연관 부속품으로 구성된 엔진 제어 시스템(예를 들어 FADEC - full authority digital engine control)을 갖춘 비행기도 포함된다(14 CFR part 61, section 61.1).

 

complex airplane이나 high-performance airplane으로 전환하는 것은 많은 조종사들에게 힘든 일이 될 수 있다. 성능과 복잡성이 증가하므로 추가적인 계획, 판단, 그리고 조종 기술이 필요하다. 따라서 이러한 형식의 비행기로 전환하는 것은 체계적인 교육 과정을 통해 이루어져야 한다.

 

비행기는 광범위한 대기속도를 비행하도록 설계될 수 있다. 고속 비행은 작은 날개 면적과 적당한 camber를 가진 에어포일을 필요로 한다. 반면 저속 비행은 큰 날개 면적과 큰 camber를 가진 에어포일을 필요로 한다. [그림 12-1] 항공기 설계자들은 순항을 위한 고속 비행과 착륙을 위한 저속 비행을 모두 제공하기 위해 여러 가지 타협점을 찾아야 했다. flaps는 에어포일의 camber와 날개 면적을 증가시켜서 저속 비행을 향상시키기 위한 일반적인 설계 방법이다. [그림 12-2]

에어포일은 서로 다른 두 가지 camber를 동시에 가질 수 없다. 따라서 설계자들과 엔지니어들은 두 가지 방법 중 하나를 통해 원하는 성능 특성을 제공한다: (1) 에어포일을 절충해서 설계한다 (2) 저속 비행을 위해 에어포일 캠버를 증가시키는 장치를 cruise airfoil에 결합한다. camber란 에어포일 상부 표면과 하부 표면의 비대칭 정도를 의미한다. 에어포일의 camber를 변화시키는 한 가지 방법은 trailing-edge flaps를 추가하는 것이다. 엔지니어들은 이러한 장치를 high-lift system이라 부른다.

 

Function of Flaps

 

flaps는 주로 에어포일 캠버를 변화시켜서 날개의 양력 계수를 증가시킨다. 일부 flaps는 날개의 표면적도 증가시킨다. flaps가 연장된다 해서 임계 받음각이 증가하지는 않는다. 오히려 경우에 따라 flaps가 임계 받음각을 감소시킨다. 날개의 조종면(예를 들어 ailerons와 flaps)이 편향되면 양력과 항력이 모두 변화한다. aileron이 편향되면 비대칭 양력이 발생하며 이로 인해 비행기 세로축을 중심으로 rolling moment가 발생한다. wing flaps는 세로축을 중심으로 서로 대칭으로 작용하므로 rolling moment가 발생하지 않는다. 대신 가로축을 중심으로 pitching moment가 발생하며 양력과 항력이 증가한다. 양력은 여러 변수들(공기 밀도, 속도, 표면적, 그리고 양력 계수)의 함수이다. flaps는 에어포일의 양력 계수를 증가시키므로 양력이 증가한다. [그림 12-3]

(L = 양력, P = 공기 밀도, V = 대기속도, S = 날개 면적, CL = 양력계수. 양력계수는 에어포일의 캠버, 날개의 시위선, 그리고 받음각에 의해 결정됨.)

 

flaps가 연장되면 nose-up이 발생하거나, nose-down이 발생하거나, 혹은 약간의 pitch 변화가 발생할 수 있다. pitching moment는 날개 양력 중심이 뒤로 이동해서 발생한다. 허나 pitch behavior는 여러 변수들(flap 형식, 날개 위치, downwash 특성, 그리고 수평 꼬리날개 위치)에 의해 달라진다. 따라서 pitch behavior는 특정 비행기의 설계 특성에 따라 달라진다.

 

15도까지 flap이 연장되면 주로 양력이 생성되며 항력은 최소한으로 증가한다. 15도 너머로 flap이 연장되면 항력이 크게 증가한다. flap이 연장될 때 발생하는 항력은 유해 항력이며 따라서 속도의 제곱에 비례한다. 또한 대부분의 고익기에서 15도 너머로 flap이 연장되면 상당한 nose-up pitching moment가 발생한다. 왜냐하면 downwash가 수평 꼬리날개의 공기 흐름을 변화시키기 때문이다.

 

Flap Effectiveness

 

flap의 효율성은 여러 요인에 의해 달라지는데 그 중 크기와 형식이 가장 큰 요인다. 이 장의 목적을 위해 trailing edge flaps는 네 가지 기본 유형으로 분류된다: plain(hinge), split, slotted, 그리고 fowler. [그림 12-4]

plain(hinge) flap은 날개에서 경첩이 달린 부분이다. plain flap의 구조와 기능은 이 외의 조종면들(ailerons, rudder, 그리고 elevator)과 유사하다. split flap은 더 복잡하다. split flap은 날개의 아랫부분에 있다. flap이 연장되어도 날개 뒷전의 공기 흐름이 흐트러지지 않는다. split flap은 hinge flap보다 더 효율적이다. 왜냐하면 양력은 더 많고 pitching moment는 더 적기 때문이다(허나 항력 또한 많다). 착륙에서는 split flaps가 유용하다. 허나 이륙에서는 partially deflected hinge flaps가 유용하다. split flap은 약간만 연장되어도 항력이 상당한 반면 hinge flap은 그렇지 않다. 왜냐하면 공기 흐름이 flap에 부착된 상태가 유지되기 때문이다.

 

slotted flap에서는 날개와 flap 사이에 틈이 있다. slot을 통해 날개 아랫면의 고압 기류가 윗면의 저압 기류에 에너지를 공급해서 흐름 분리가 지연된다. slotted flap은 hinge flap보다 더 많은 양력을 생성하지만 split flap보다는 적은 양력을 생성한다. 허나 slotted flap은 높은 양항비 덕분에 이륙 및 상승 성능이 좋다. slotted flap을 조금 연장하면 hinge flap보다 더 많은 항력을 생성하지만 split flap보다는 적은 항력을 생성한다. 이 덕분에 slotted flap은 이륙에 사용될 수 있다.

 

fowler flap은 날개 면적을 증가시키기 위해 아래쪽 및 뒤쪽으로 연장된다. 이 flap에는 여러 개의 slot이 있어서 trailing-edge systems 중 가장 복잡하다. 대신 이 시스템은 최대 양력 계수를 제공한다. flap을 조금 연장하였을 때의 항력 특성은 slotted flap과 매우 유사하다. fowler flaps는 대형 비행기에서 가장 일반적으로 사용된다. 왜냐하면 fowler flaps는 구조적으로 복잡하며 slots를 밀봉하는 것이 어렵기 때문이다.

 

Operational Procedures

 

수많은 비행기 설계/플랩 조합을 모두 논의하는 것은 불가능하다. 조종사는 특정 비행기에 대한 AFM 및/혹은 POH를 참조해야 한다. 일부 AFM/POH는 flaps의 운용 방법에 대해 구체적으로 명시하는 반면 그 외의 AFM/POH는 flaps의 운용 방법을 조종사의 재량에 맡긴다. flaps는 보통 지면 가까이에서 이착륙을 할 때 사용되므로 조종사 판단과 실수 방지가 매우 중요하다.

 

AFM/POH에 제시된 권장사항은 비행기와 플랩 설계를 기초로 한다. 따라서 조종사는 제조업체의 권장사항을 flaps의 공기역학적 영향과 관련시켜야 한다. 이를 위해서는 flap에 대한 공기역학과 기하학에 대한 기본 배경 지식이 필요하다. 이러한 정보를 통해 활주로 조건, 접근 조건, 그리고 바람 조건을 바탕으로 flap을 연장할 각도와 flap을 연장할 시기를 결정할 수 있다.

 

flap을 연장할 시기와 flap을 연장할 각도는 서로 연관되어 있다. landing pattern의 특정 지점에서 flap이 많이 변경되면 양력이 크게 변화하며 이때 대기속도와 하강 각도를 유지하기 위해 상당한 pitch 변화와 출력 변화가 필요할 수 있다. 따라서 landing pattern에 있는 동안 flaps를 점진적으로 연장하는 것이 유리하다. downwind, base leg, 그리고 final approach에서 flaps를 점진적으로 연장하면 pitch 조정과 출력 조정이 작아지며 stabilized approach가 수행되도록 돕는다.

 

normal landing, soft-field landing, 혹은 short-field landing은 착륙 시 최소한의 속도를 필요로 한다. 허나 short-field obstacle approach는 최소 속도와 깊은 접근 각도를 필요로 한다. flap이 연장되면 상당한 수준의 항력이 발생한다(특히 30도 너머로 flap이 연장된 경우). 항력은 높은 침하율을 생성할 수 있으며 조종사는 이를 출력으로 제어해야 한다. steep approach나 short-field approach 도중 flaps에 의해 생성되는 항력을 상쇄하기 위해 출력을 사용하였다면 landing flare가 매우 중요해진다. 만약 출력을 너무 일찍 줄이면 hard landing, 비행기 손상, 혹은 제어 상실로 이어질 수 있다. 출력을 너무 늦게 줄인 경우에는 floating이 발생할 수 있다.

 

flap을 연장할 각도를 결정할 때 측풍 성분도 고려해야 한다. 연장된 flap은 바람이 작용할 수 있는 표면적을 제공한다. 측풍 상황에서 flaps가 연장되면 풍상쪽 날개가 풍하쪽 날개보다 더 많은 영향을 받는다. 이 영향은 crabbed approach를 통해 약간 감소한다. 왜냐하면 비행기가 바람과 거의 일직선이 되기 때문이다. wing-low approach를 사용하는 경우에는 풍상쪽으로 낮아진 날개가 풍상쪽 flap을 불완전하게 차단한다. 이러한 상황이 날개 상반각과 결합되면 가로 방향 제어가 더 어려워진다. flap이 최대로 연장될수록, 그리고 바람이 활주로로부터 수직일수록 가로 방향 제어가 더 어려워진다.

 

flaps가 연장된 상태에서 비행기가 지면에 가까워질수록 날개에 대한 측풍의 영향이 더 뚜렷해진다. 날개, 플랩, 그리고 비행기의 풍상쪽 지면은 측풍 공기가 채워지는 “용기(container)”를 형성한다. flap은 main landing gear의 뒤에 위치하므로 flap에 바람이 부딪히면 비행기가 바람을 향해 yaw 하는 경향과 풍상쪽 날개가 높아지는 경향이 발생한다. 날개가 높아지면 타이어 힘이 줄어들어서 바람을 향해 yaw 하려는 경향이 더 커진다. 활주로와의 정렬을 유지하기 위해서는 올바른 조종간 위치(ailerons into the wind)가 필수적이다. 비행기 제어를 유지하기 위해 착륙 후 즉시 flaps를 올려야 할 수도 있다.

 

flap을 연장할 각도와 flap을 연장할 위치를 결정할 때 복행(go-around)도 고려해야 한다. flap을 연장하면 nose-down pitching moment가 발생하므로 이를 상쇄하기 위해 trim이 사용된다. 복행 시 최대 출력을 적용하면 날개 위의 공기 흐름이 증가한다. 이는 추가적인 양력을 발생시켜서 pitch를 크게 변화시킨다. 앞서 설정해둔 trim 때문에 flap을 올린다 해서 pitch-up 경향이 완전히 줄어들지는 않는다. 항력을 줄이기 위해 flaps를 빨리 올리는 것이 바람직하긴 하지만 대신 조종사는 trim으로 인한 급격한 조종간 압력 변화와 조종면으로 향하는 공기흐름 증가에 대비해야 한다. [그림 12-5]

 

복행 도중 조종사는 pitch와 airspeed를 주의 깊게 모니터링 해야 하며 flap이 연장된 각도와 날개에 대한 수평 꼬리날개 설계 구성이 복행 특성에 영향을 미칠 것을 예상해야 한다. 조종사는 pitch와 airspeed를 주의 깊게 모니터링 해야 하고, 고도 손실을 최소화하기 위해 flap retraction을 제어해야 하며, 삼타일치를 위해 rudder를 사용해야 한다. 이러한 요소들 때문에 매 착륙마다 landing pattern의 동일한 지점에서 동일한 각도만큼 flap을 연장하는 것이 좋다. 장주 패턴 내에서 flaps를 일관되게 사용하면 landing pattern 내 비행기 위치를 기준으로 미리 계획된 · 익숙한 복행을 수행할 수 있다.

 

착륙 시 사용할 flap 각도를 결정하는 공식은 없다. 왜냐하면 착륙에는 변수들이 수반되는데 이 변수들은 서로 영향을 미치기 때문이다. 특정 비행기의 AFM/POH에는 몇몇 착륙 상황에 대한 제조업체의 권장 사항이 포함되어 있다. 반면 이륙에 관한 AFM/POH의 flap 정보는 더 구체적이다. 제조업체의 요구 사항은 특정 flap 설계로부터 생성된 상승 성능을 기반으로 한다. 이륙 수행 시 어떤 경우에도 AFM/POH에서 명시하는 flap 설정을 초과해서는 안 된다.