(1) Introduction

Introduction

 

high-performance airplane은 200 마력 이상의 출력을 발전시킬 수 있는 엔진을 가진 비행기로 정의된다(14 CFR part 61, section 61.31(f)(1)). complex airplane(14 CFR part 61, section 61.1)은 retractable landing gear, flaps, 그리고 controllable pitch propeller(엔진 및 프로펠러를 제어하기 위한 디지털 컴퓨터 및 연관 부속품으로 구성된 엔진 제어 시스템을 갖춘 비행기 포함. 예를 들어 full authority digital engine control)를 가진 비행기를 의미한다.

 

complex airplane, 혹은 high-performance airplane으로 전환하는 것은 많은 조종사들에게 힘든 일이 될 수 있다. 성능과 복잡성의 증가로 인해 추가적인 계획, 판단, 그리고 조종 기술이 필요하다. 따라서 이러한 형식의 비행기로 전환하는 것은 체계적인 교육 과정으로 수행되어야 한다.

 

비행기는 광범위한 속도에서 비행되도록 설계될 수 있다. 고속 비행은 작은 날개 면적, 그리고 적절히 camber 된 에어포일을 필요로 한다. 반면 저속 비행은 큰 날개 면적, 그리고 크게 camber 된 에어포일을 필요로 한다. [그림 12-1] 설계자들은 순항을 위한 고속, 그리고 착륙을 위한 저속을 제공하기 위해 많은 절충안을 제시한다. flaps는 저속 비행을 위해 에어포일의 camber와 날개 표면적을 증가시키는 일반적인 설계 결과이다. [그림 12-2]

에어포일은 서로 다른 두 가지 camber를 동시에 가질 수 없다. 따라서 설계자들과 엔지니어들은 두 가지 방법을 통해 원하는 성능 특성을 제공한다. 에어포일이 절충안으로 설계되거나, 혹은 저속 비행을 위해 에어포일의 캠버를 증가시키는 장치가 cruise airfoil에 결합될 수도 있다. camber는 에어포일 상부 표면과 하부 표면 사이의 불균형이다. 에어포일의 camber를 변경하는 한 가지 방법은 trailing-edge flaps를 추가하는 것이다. 엔지니어들은 이러한 장치를 high-lift system이라 부른다.

 

Function of Flaps

 

flaps는 주로 에어포일의 캠버를 변경시킴으로써 날개의 양력 계수를 증가시킨다. 일부 flaps는 날개의 표면적도 증가시킨다. flaps가 연장된다 하여 임계 받음각이 증가하지는 않는다. 경우에 따라 flaps는 임계 받음각을 감소시킨다. 날개의 조종면(예를 들어 ailerons와 flaps)이 편향되면 양력과 항력이 모두 변화한다. aileron이 편향되면 비대칭 양력이 발생한다. 이는 비행기의 세로축을 중심으로 rolling moment를 가한다. wing flaps는 세로축을 중심으로 서로 대칭으로 작용하므로 rolling moment가 발생하지 않는다. 허나 가로축을 중심으로 pitching moment가 발생하며 양력 및 항력이 증가한다. 양력은 여러 변수들(공기 밀도, 속도, 표면적, 그리고 양력 계수 포함)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.)

flaps 연장 시 항공기는 nose-up 하거나, nose-down 하거나, 혹은 최소한의 pitch attitude 변화가 있을 수 있다. pitching moment는 날개 양력 중심이 뒤로 이동함으로써 발생한다. 이러한 pitching은 flap 형식, 날개 위치, downwash 작용, 그리고 수평 꼬리날개 위치를 포함한 여러 변수에 따라 달라진다. 따라서 pitching은 특정 비행기의 설계 특성에 따라 달라진다.

 

15도까지의 flap 연장은 최소한의 항력 증가와 함께 주로 양력을 생성한다. 15도를 초과한 연장은 항력을 크게 증가시킨다. flap 연장으로 인한 항력은 유해 항력이다. 따라서 속도의 제곱에 비례한다. 또한 대부분의 고익기에서 15도를 초과하는 연장은 상당한 nose-up pitching을 생성한다. 왜냐하면 그 결과 발생한 downwash가 수평 꼬리날개를 흐르는 공기 흐름을 변화시키기 때문이다.

 

Flap Effectiveness

 

flap의 효율성은 여러 요인에 따라 달라진다. 크기 및 형식이 가장 현저한 요인다. 이 장의 목적을 위해 trailing edge flaps는 네 가지 기본 유형으로 분류된다: plain(hinge), split, slotted, 그리고 fowler. [그림 12-4]

plain(혹은 hinge) flap은 날개의 hinged section이다. 그 구조 및 기능은 그 외의 조종면(ailerons, rudder, 그리고 elevator)과 유사하다. split flap은 더 복잡하다. 이는 날개의 아랫부분에 있다. flap이 연장되어도 날개 위쪽 뒷전의 공기 흐름이 흐트러지지 않는다. 이는 hinge flaps보다 더 효율적이다. 왜냐하면 양력은 더 많고 pitching moment는 적기 때문이다(허나 항력 또한 많다). split flaps는 착륙에서 더 유용하다. 허나 이륙에 있어서는 부분적으로 연장된 hinge flaps가 더 유리하다. split flap은 약간만 연장되어도 항력이 상당하다. 반면 hinge flap은 그렇지 않다. 왜냐하면 공기 흐름이 flap에 부착된 상태를 유지하기 때문이다.

 

slotted flap은 날개와 flap 사이에 틈이 있다. slot은 날개 아랫면의 고압 공기 흐름이 상부의 저압으로 향하게 만들어 흐름 분리를 지연시킨다. slotted flap은 hinge flap보다 양력이 더 크다. 허나 split flap보다는 적다(그러나 높은 양항비 덕분에 이륙 및 상승 성능이 더 좋음). slotted flap을 조금 연장할 경우 hinge flap보다 더 많은 항력을 제공한다. 허나 split flap보다는 적다. 이는 slotted flap이 이륙에 사용될 수 있게 해준다.

 

fowler flap은 날개 면적을 증가시키기 위해 아래로, 그리고 뒤로 연장된다. 이러한 flap은 multi-slotted로 구성되어 있어서 trailing-edge systems 중 가장 복잡하다. 허나 이 시스템은 최대 양력 계수를 제공한다. flap을 조금 연장하였을 때의 항력 특성은 slotted flap과 매우 유사하다. fowler flaps는 larger airplanes에서 가장 일반적으로 사용된다. 왜냐하면 이러한 flaps는 구조적으로 복잡하며 slots를 봉합하는 것이 어렵기 때문이다.

 

Operational Procedures

 

많은 비행기 설계 및 flap 조합을 논의하는 것을 불가능하다. 조종사는 특정 비행기에 대한 AFM 및/혹은 POH를 참조해야 한다. 일부 AFM/POH는 flaps의 사용에 대해 구체적인 반면 그 외의 AFM/POH는 flaps의 사용을 조종사의 재량에 맡긴다. flaps는 비행기가 지면에 가까이 있을 때 이착륙을 위해 사용되므로 조종사 판단 및 오류 방지가 매우 중요하다.

 

AFM/POH에 제시된 권장사항은 비행기 및 flap 설계에 기초한다. 따라서 조종사는 제조업체의 권장사항을 flaps의 공기역학적 영향과 관련시켜야 한다. 이를 위해서는 flap의 공기역학 및 기하학에 대한 기본 배경 지식이 필요하다. 이러한 정보를 통해 활주로 및 접근 조건에 기초하여 flap 연장 정도, 그리고 연장 시기에 대한 결정을 내릴 수 있다.

 

flap 연장 시기, 그리고 flap 연장 정도는 연관되어 있다. landing pattern의 특정 지점에서 flap이 크게 변경되면 양력이 크게 변화할 수 있다. 이때 속도 및 하강 각을 유지하기 위해서는 상당한 pitch 및 출력 변화가 필요하다. 따라서 landing pattern에 있는 동안 flaps를 점진적으로 연장하는 것이 유리하다. downwind, base leg, 그리고 final approach에서 flaps를 점진적으로 증가하면 pitch 및 출력의 조정을 적게 만들며 stabilized approach를 지원한다.

 

normal, soft-field, 혹은 short-field landings는 touchdown 시 최소 속도를 필요로 한다. 허나 short-field obstacle approach는 최소 속도, 그리고 깊은 접근 각도를 필요로 한다. flap 연장은 상당한 수준의 항력을 발생시킨다(특히 30도 초과 시). 항력은 높은 침하율을 생성할 수 있다. 조종사는 출력을 통해 이를 제어해야 한다. steep approach, 혹은 short-field approach 도중 flaps에 의해 생성되는 항력을 상쇄하기 위해 출력을 사용할 경우 landing flare가 매우 중요해진다. 출력을 너무 일찍 감소하면 hard landing, 비행기 손상, 혹은 loss of control로 이어질 수 있다. 출력이 너무 늦게 감소하면 비행기가 활주로를 float 하게 만든다.

 

측풍 성분은 flap 연장 정도에서 고려해야 할 또 다른 요소이다. 연장된 flap은 바람이 작용할 수 있는 표면적을 제공한다. flaps가 측풍을 향해 연장되면 upwind 쪽 날개는 downwind 쪽 날개보다 더 영향을 받는다. 이 영향은 crabbed approach를 통해 약간 감소한다. 왜냐하면 비행기가 바람에 더 가까이 정렬되어 있기 때문이다. wing-low approach를 사용하는 경우 낮아진 날개가 upwind 쪽 flap을 부분적으로 차단한다. 날개의 상반각이 flap 및 바람과 결합되면 가로 제어가 더 어려워진다. flap이 최대로 연장됨에 따라, 그리고 바람이 활주로로부터 수직이 됨에 따라 가로 제어가 더 어려워진다.

 

flaps가 연장된 상태에서 비행기가 지면에 도달함에 따라 날개에 대한 측풍 영향이 더 뚜렷해진다. upwind 쪽 날개, flap, 그리고 지면은 측풍의 공기로 채워진 “용기(container)”를 형성한다. flap은 main landing gear의 뒤에 위치한다. 따라서 flap에 부딪히는 바람은 비행기가 바람을 향해 yaw하게 만드는, 그리고 upwind wing을 상승시키는 경향이 있다. 상승한 날개는 타이어 힘을 감소시켜서 바람을 향해 yaw하려는 경향을 증가시킨다. 활주로 정렬을 유지하기 위해서는 올바른 조종간 위치(ailerons into the wind)가 필수적이다. 측풍의 양에 따라 touchdown 이후 즉시 flaps를 올려야 할 수도 있다.

 

flap 연장 정도에 대해, 그리고 flap을 연장할 landing pattern 위치에 대해 결정을 내릴 때 고려해야 할 또 다른 요소는 바로 go-around이다. flap 연장 시 발생하는 nose-down pitching moment를 상쇄하기 위해 trim이 사용된다. go-around 시 적용되는 full power는 날개 위의 공기 흐름을 증가시킨다. 이는 추가적인 양력을 발생시켜 pitch를 크게 변화시킨다. trim 설정으로 인해 flap retraction과 함께 pitch-up 경향이 완전히 감소하지 않는다.

항력 제거를 위해 flaps를 빨리 올리는 것이 바람직하다. 허나 조종사는 trim으로 인한 급격한 pitch 변화, 그리고 조종면을 흐르는 공기흐름 증가에 대비해야 한다. [그림 12-5]

go-around 도중 조종사는 pitch와 대기 속도를 주의 깊게 모니터링 해야 한다. 그리고 flap 연장 정도, 그리고 날개에 대한 수평 꼬리날개의 설계 구성이 go-around 특성에 영향을 미칠 것을 예상해야 한다. 조종사는 pitch 및 대기 속도를 주의 깊게 모니터링 해야 하고, 고도 손실을 최소화하기 위해 flap retraction을 제어해야 하며, 삼타일치를 위해 rudder를 사용해야 한다. 매 착륙 시 landing pattern의 동일한 지점에서 동일한 정도의 flap을 연장하는 것이 좋다. traffic pattern 내에서 flaps를 일관되게 사용하면 비행기 위치를 기반으로 사전 계획된, 그리고 익숙한 go-around를 수행할 수 있다.

 

착륙 시 사용할 flap 연장 정도를 결정하는 공식은 없다. 왜냐하면 서로에게 의존하는 변수들이 착륙에 수반되기 때문이다. 특정 비행기의 AFM/POH에는 일부 착륙 상황에 대한 제조업체의 권장 사항이 포함되어 있다. 반면 이륙을 위한 flap 사용 정보는 보다 명확하다. 제조업체의 필요조건은 특정 flap으로부터 생성된 상승 성능에 기초한다. 이륙 도중 어떤 경우에도 AFM/POH에서 지정된 flap 설정을 초과해서는 안 된다.