(8) Level Turns

Level Turns

 

선회는 조종사가 aileron을 사용하여 원하는 선회 방향으로 날개를 bank지게 함으로서 시작된다. left aileron 조종간 압력은 조종사로부터 왼쪽 날개를 낮아지게 만든다. right aileron 조종간 압력은 조종사로부터 오른쪽 날개를 낮아지게 만든다. 다시 말해 왼쪽으로 선회하려면 조종간을 왼쪽으로 하여 왼쪽 날개를 낮춘다. 오른쪽으로 선회하려면 조종간을 오른쪽으로 하여 오른쪽 날개를 낮춘다. bank angle 및 비행기 설계에 따라 일정 bank angle에서 비행기는 aileron 압력을 풀어도 계속 선회할 것이다. 그 순서는 다음과 같을 수 있다:

 

1. 비행기를 bank지게 만든다. 그리고 손실된 수직 양력 성분을 보상하기 위해 충분한 출력을 적용하거나, 혹은 pitch를 상승시킨다.

2. bank를 멈추기 위해 조종간 압력을 풀고 원하는 bank angle을 유지한다.

3. 반대쪽을 향해 조종간(aileron)을 움직여 비행기를 수평으로 되돌린다.

4. 수평 비행을 위해 aileron 압력을 푼다. [그림 3-10]

 

선회는 다음의 결과이다:

 

• ailerons는 날개를 bank지게 만든다. 그리고 주어진 속도에 따른 선회율을 결정한다. bank로 인해 양력은 수직 및 수평 성분으로 나뉜다. 양력의 수평 성분은 bank진 방향을 향해 비행기를 움직이게 만든다.

 

• elevator는 조종사를 기준으로 비행기의 nose를 위아래로 움직이게 한다. 만약 조종사가 출력을 보충하진 않았으나 충분한 속도 여유가 있다면 조종사는 현재 고도를 유지하기 위해 pitch를 약간 증가시켜야 한다. 이는 선회로 인해 감소한 날개 양력을 대체하기 위함이다.

 

• 비행기의 vertical fin은 양력을 생산하지 않는다. vertical fin은 안정화를 위한 표면이며 비행기가 직진할 경우에는 양력을 발생하지 않는다. vertical fin의 목적은 비행기의 뒤쪽 끝이 앞쪽 끝의 뒤편에서 유지되는 것이다.

 

• throttle은 추력을 제공한다. 이는 속도 제어, 그리고 선회 반경 변화에 사용될 수 있다.

 

• 조종사는 rudder를 사용하여 날개의 차등한 양력, 그리고 엔진/프로펠러에 의해 발생하는 모든 adverse yaw를 상쇄한다. rudder는 비행기를 선회시키지 않는다. rudder는 coordinated flight를 유지하기 위해 사용된다.

 

이 논의를 위해 선회는 세 단계로 나뉜다: shallow, medium, steep.

 

• Shallow turns - bank angle이 대략 20도 이하일 때. 조종사가 bank angle을 유지하기 위해 aileron 압력을 유지하지 않는 한 비행기에 내재한 가로 안정성이 날개를 천천히 수평으로 만들 것이다.

 

• Medium turns - bank angle이 대략 20도에서 45도 사이일 때. medium bank에서는 비행기기에 내재한 가로 안정성이 날개를 수평으로 되돌려놓지 않는다. 그 결과 조종사가 유지하는 조종간 압력 없이도 비행기는 일정한 bank angle을 유지하려는 경향이 있다. 조종사는 bank 유지를 위해 aileron 압력을 풀어주어야 한다.

 

• Steep turns - bank angle이 대략 45도 이상일 때. 비행기의 overbanking을 막기 위해 반대쪽 aileron 압력을 주지 않는다면 비행기는 계속하여 bank 방향으로 진행한다. 반대쪽으로 가해야 하는 aileron 압력의 양은 다양한 요인에 따라 달라진다(예를 들어 bank angle, 그리고 속도).

 

비행기가 직진 수평 비행을 할 때 전체 양력은 날개와 지구에 수직으로 작용한다. 비행기가 선회를 하면 전체 양력은 두 성분(수직 및 수평)의 결과가 된다. [그림 3-11] 수직 양력 성분은 지구에 수직으로 작용하여 중력에 대응한다. 수평 양력 성분은 지구 표면에 평행하게 작용하여 원심력에 대응한다. 이 두 양력 성분은 서로 직각으로 작용하여 결과적으로 발생하는 총 양력이 비행기의 banked wing에 수직으로 작용하게 만든다. 비행기를 선회시키는 것은 수평 양력 성분이지 rudder가 아니다.

 

일정한 고도에서 일정한 속도로 선회를 하려면 선회를 할 때 elevator에 back pressure를 증가시켜서 날개의 받음각을 증가시켜야 한다. 그리고 증가한 항력으로 인한 속도 손실을 보상하기 위해 출력을 증가시켜야 한다. 이는 전체 양력이 수직 및 수평 성분으로 나뉘었기 때문에 필요하다. 고도 유지를 위해선 수평 비행을 위한 수직 양력 성분이 weight와 균형이 되도록, 그리고 총 양력이 load factor와 균형이 되도록 증가해야 한다(왜냐하면 총 양력은 날개에 수직으로 작용하기 때문).

 

선회 도중 rudder의 목적은 coordination을 위함이다. 양력이 증가하면 항력도 증가한다. 조종사가 비행기를 bank지게 하기 위해 ailerons를 조작할 경우 상승 날개의 양력과 항력은 둘 다 증가하고 하강 날개의 양력과 항력은 둘 다 감소한다. [그림 3-12] 이러한 상승 날개의 항력 증가와 하강 날개의 항력 감소는 비행기를 선회 반대 방향으로 yaw 하게 만든다. 이러한 adverse yaw를 보상하기 위해 원하는 선회 방향으로 aileron을 적용함과 동시에 rudder 압력을 적용해야 한다. 이러한 행동은 coordinated turn을 만들기 위해 필요하다. coordinated flight는 비행기 조종에 있어 중요한 부분이다. 조종사가 특정한 uncoordinated flight를 유지할 경우 문제가 발생할 수 있으며 이는 스핀의 가능성을 만들어낸다. 이는 특히 낮은 고도에서 운영할 때(예를 들어 공항 장주 패턴) 위험하다.

 

uncoordinated flight 도중 조종사는 선회의 바깥이나 안쪽을 향해 옆으로 밀리는 느낌을 받을 수 있다. [그림 3-13] skid는 조종사가 선회의 바깥쪽을 향해 밀리는 느낌을 받을 때고 slip은 선회의 안쪽을 향해 밀리는 느낌을 받을 때다. skid나 slip을 느끼는 능력은 시간이 지남에 따라 발달한다. 또한 비행의 “감각”이 발달함에 따라 조종사는 계기를 과도하게 의존하지 않고도 slip이나 skid에 매우 민감하게 반응할 것이다.

 

Turn Radius

 

속도, bank, 그리고 선회 반경 사이의 관계를 이해하려면 특정한 true airspeed에서의 선회율이 양력의 수평 성분에 따라 달라진다는 점을 알아야 한다. 양력의 수평 성분은 bank의 양에 비례하여 달라진다. 그러므로 특정한 속도에서의 선회율은 bank angle의 증가에 따라 증가한다. 반면에 특정한 bank angle에서 더 높은 속도로 선회할 경우 관성이 더 커진다. 이는 선회에 필요한 양력의 수평 성분을 더 커지게 만들어 선회율을 느리게 만든다. [그림 3-14] 따라서 특정한 bank angle에서 높은 속도일 경우 비행기의 선회율이 느려지기 때문에 선회 반경을 더 크게 만든다.

선회 반경이 작아질수록 안쪽 날개의 속도와 바깥쪽 날개의 속도 사이에 엄청난 차이가 발생한다. 같은 시간 동안 바깥쪽 날개가 안쪽 날개보다 더 긴 경로를 이동한다.

 

따라서 바깥쪽 날개가 안쪽 날개보다 더 빠른 속도로 움직이며 그 결과 더 많은 양력을 생산한다. 이는 overbanking tendency를 발생시킨다. 원하는 bank angle에 도달하면 반대쪽 aileron을 적용하여 overbanking tendency를 제어해야 한다. [그림 3-15] 바깥쪽 날개가 양력을 더 생산하기 때문에 항력 또한 더 많이 생산한다. 항력으로 인해 steep turns 도중 약간의 slip이 발생한다. 이는 rudder를 통해 수정되어야 한다.

 

Establishing a Turn

 

대부분의 light single-engine airplanes에서 엔진 cowling의 위 표면은 상당히 평평하다. 자연 수평선에 대한 cowling의 수평 표면은 bank angle의 초기 설정을 위한 적절한 지표를 제공한다. [그림 3-16] 이후 조종사는 정확한 bank angle이 만들어졌는지 확인하기 위해 계기를 cross-check 하여야 한다. 자세계 정보는 수평선에 대한 날개의 각도를 나타낸다.

 

 

조종사가 앉는 자세는 바깥 시각 참조물의 판단에 영향을 미치기에 중요하다. 일반적인 문제는 조종사가 수평선으로부터 수직 자세를 유지하기 위해 선회 반대쪽으로 몸을 기울일 수 있다는 것이다. 조종사가 시각 참조물의 사용법을 제대로 배우려면 이를 즉시 수정해야 한다. [그림 3-17]

 

대부분의 항공기가 좌우 복좌식이기 때문에 조종사는 비행기의 세로축(비행기가 roll 하는 축)에 앉아 있지 않는다. 조종사는 일반적으로 세로축의 약간 왼쪽에 앉는다. 시차오차(parallax error)로 인해 좌선회를 할 경우에는 비행기의 nose가 올라가는 것처럼 보이게 하며(조종사가 세로축에 비해 낮아지기 때문) 우선회를 할 경우에는 비행기의 nose가 내려가는 것처럼 보인다(조종사가 세로축에 비해 높아지기 때문). [그림 3-18]

 

초보 조종사는 많은 aileron 및 rudder 조종 입력을 사용해선 안 된다. 조종 입력이 많으면 빠른 선회율이 만들어지기 때문에 조종사가 판단 및 수정할 시간이 거의 없기 때문이다, 필요한 pitch 및 bank 수정을 정확히 완료하는데 충분한 시간을 제공한다.

 

선회를 시작할 때 고려해야 할 몇 가지 추가 사항들은 다음과 같다:

 

• bank가 시작되기 전에 비행기의 nose가 움직이기 시작했다면 rudder가 너무 이르게 적용된 것이다.

 

• nose가 돌아가기 전에 bank가 시작되거나, 혹은 nose가 반대 방향으로 움직였다면 rudder가 너무 늦게 적용된 것이다.

 

• bank가 시작될 때 nose가 위나 아래로 움직였다면 과도하거나 불충분한 elevator back pressure가 적용된 것이다.

 

bank가 만들어진 이후에는 ailerons와 rudder에 적용되는 모든 조종간 압력을 완화하거나 조절할 수 있다. 이는 설정된 bank angle에 따라 비행기에 내재한 안정성, 혹은 overbanking tendencies를 보상하기 위함이다. 적절한 aileron 압력을 적용하여 비행기를 원하는 bank angle로 유지해야 한다. 만약 원하는 bank angle이 shallow라면 조종사는 bank 방향으로 약간의 aileron 압력을 유지해야 한다(yaw effects를 보상하기 위한 rudder 포함). medium bank angle의 경우 ailerons와 rudder 압력을 풀어야 한다. steep bank angle은 bank가 가팔라지는 것을 막기 위한 반대 방향 aileron과 rudder를 필요로 한다.

 

고도를 유지하려면 양력의 수직 성분이 유지되어야 하므로 elevator back pressure를 풀어선 안 된다. 선회도중 조종사는 자연 수평선을 참조하고, 다른 항적을 확인하고, 성능을 확인하기 위해 종종 계기를 cross-check 해야 한다. 속도의 감소는 항력 증가의 결과이다(일반적으로 shallow bank angle에서는 상당하지 않음). 더 가파른 선회에서는 속도 유지를 위해 추가적인 출력이 필요할 수 있다. 선회 도중 고도가 유지되지 못한다면 자연 수평선으로부터 pitch 자세를 수정해야 한다. 그리고 성능을 확인하기 위해 계기들을 cross-check 해야 한다.

 

Steep turns는 정확하고, 부드럽고, 시기적절한 조종간 입력을 필요로 한다. ailerons로 bank angle을 일정하게 유지하는 동안 pitch attitude를 미세 수정한다. 그러나 steep turns 도중 조종사가 nose를 과도하게 낮춰 매우 짧은 시간 내에 상당한 고도 손실을 만드는 것은 흔한 일이다. 회복 절차는 다음과 같다. 먼저 반대 방향으로 coordinate한 aileron과 rudder를 적용하여 bank angle을 줄여준다. 그 이후 elevator back pressure를 증가하여 pitch attitude를 증가시킨다. elevator만을 사용하여 과도하게 낮은 nose와 steep bank 상태를 회복하려고 한다면 bank는 더 가팔라지며 비행기에 불필요한 응력을 가한다. 항력 증가를 보상하기 위해 출력을 적절히 적용함으로써 steep turn 성능을 개선할 수 있다. steep turn의 목적, 그리고 조종간에 드는 힘의 정도에 따라 elevator back pressure(bank angle이 30도를 지나면서 점점 증가)를 trim 하는 것은 선회 도중 조종사에게 도움이 될 수 있다.

 

bank가 적용되어 있는 한 비행기 계속하여 선회하기 때문에 원하는 heading에 도달하기 전에 선회로부터 rollout을 시작해야 한다. 원하는 heading에서 rollout 하기 위해 필요한 lead 양은 선회하는데 사용된 bank의 양에 따라 달라진다. rule of thumb는 bank angle의 절반을 lead로 사용하는 것이다. 예를 들어 bank가 30도이면 15도에서 rollout lead를 잡는다. 선회로부터의 rollout은 조종간이 반대 방향으로 적용된다는 점을 제외하곤 roll-in과 유사하다. aileron과 rudder는 rollout 방향, 혹은 높은 날개 쪽으로 적용된다. bank angle이 감소하면 고도를 유지하기 위해 elevator pressure를 풀어야 한다. 날개가 수평이 되면 조종간 압력을 부드럽게 풀어주어 비행기가 직진 수평비행으로 돌아오도록 해야 한다. trim이 사용되었다면(예를 들어 steep turn 도중) trim이 조정되기 전까지는 forward elevator pressure가 필요할 수 있다. rollout이 완료되는 동안 바깥 시각 참조물에 집중한다. 그리고 날개가 수평이 되었으며 선회가 멈추었는지를 확인하기 위해 계기를 점검한다.

 

elevator와 ailerons는 하나의 조종간에 있기 때문에 의도하는 압력만을 의도하는 조종간에 적용하는 연습이 필요하다. 예를 들어 초보 조종사는 bank만 가하려 했을 때 pitch도 의도치 않게 가할 가능성이 있다. 이러한 교차 결합(cross-coupling)은 조종간 설계에 의해 감소할 수 있다 그러나 연습만이 부드럽고, 정교하고, 정확한 조종간 입력을 위한 적절한 방법이다. 예를 들어 우측으로 선회할 때 하강하는 것과 좌측으로 선회할 때 상승하는 것은 stick controls에서 일반적이다. 왜냐하면 팔은 팔꿈치 관절로부터 돌려는 경향이 있기 때문에 조종사가 조심하지 않을 경우 부수적인 포물선 움직임을 만들어내기 때문이다. 마찬가지로 nose를 낮추면 우선회, 그리고 nose를 높이면 좌선회가 발생하는 경향이 있다. 이러한 동작은 오른손으로 stick을 움직이는 조종사에게 적용될 것이다. control wheel이 장비된 비행기에서는 조종간의 위치와 조종사의 좌석에 따라 이러한 의도치 않은 동작이 덜 발생할 수 있다. 조종사는 상승, 하강, 좌선회, 혹은 우선회에서 수평선을 따라 nose가 위치해야 하는 올바른 광경을 유지해야 하며 원치 않은 움직임을 구분해야 한다.

 

수평 선회의 일반적인 실수:

 

1. 선회 방향에 다른 항적이 있는지 적절히 확인하지 못함.

2. 선회 도중 상승하거나 하강함.

3. 원하는 bank angle을 일정하게 유지하지 못함.

4. 계기만을 참조하여 선회를 수행하려 시도함.

5. 선회 반대 방향으로 몸을 기울임.

6. 비행기에 대한 감각이 부족함(그 증거로 계기 참조 없이는 slips나 skids를 감지하지 못함)

7. 비행기의 nose만을 참조하여 일정한 bank angle을 유지하려 함.

8. 비행기가 bank지는 것을 막기 위하여 skidding flat turns를 수행함.

9. 선회 방향으로 과도한 rudder를 가함.

10. 한 쪽 방향으로의 선회만 능숙함.

11. 조종간을 coordinate 하지 못함.