(8) Level Turns

Level Turns

 

조종사가 aileron을 통해 원하는 선회 방향으로 날개를 기울이면 선회가 시작된다. left aileron 조종간 압력은 조종사를 기준으로 왼쪽 날개를 낮아지게 만든다. right aileron 조종간 압력은 조종사를 기준으로 오른쪽 날개를 낮아지게 만든다. 다시 말해 왼쪽으로 선회하려면 조종간을 왼쪽으로 가해서 왼쪽 날개를 낮춰야 하고 오른쪽으로 선회하려면 조종간을 오른쪽으로 가해서 오른쪽 날개를 낮춰야 한다. bank angle의 양에 따라, 그리고 비행기 설계에 따라 특정 bank angle에서는 aileron 압력을 풀어도 비행기가 계속 선회할 것이다. 선회를 수행하는 순서는 다음과 같을 수 있다:

 

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

2. bank가 증가하는 것을 막고 원하는 bank angle을 유지하기 위해 조종간 압력을 풀어준다.

3. 반대쪽으로 aileron을 가해서 비행기를 수평으로 되돌린다.

4. 수평 비행을 위해 aileron 압력을 풀어준다. 그리고 출력이나 pitch를 줄여준다. [그림 3-10]

선회는 다음의 결과이다:

 

• ailerons는 날개를 bank지게 만드며 주어진 대기속도에 대한 선회율을 결정한다. bank로 인해 양력은 수직 성분과 수평 성분으로 나뉜다. 양력의 수평 성분은 bank 방향을 향해 비행기를 움직이게 만든다.

 

• elevator는 비행기의 기수를 위아래로 움직인다. 만약 선회 도중 조종사가 출력을 보충하진 않았으나 충분한 속도 여유가 있다면 고도를 유지하기 위해 pitch를 약간 증가시켜야 한다. 이는 선회로 인한 날개 양력 감소를 보상하기 위함이다.

 

• 비행기의 vertical fin은 양력을 생산하지 않는다. vertical fin은 비행기 안정성을 위한 표면으로 비행기가 직진할 때에는 양력이 발생하지 않는다. vertical fin의 목적은 비행기 꼬리가 기수의 뒤편을 유지하도록 만드는 것이다.

(출처: PHAK)

• throttle은 추력을 제공하며 이는 대기속도를 제어할 때, 그리고 선회 반경 변화시킬 때 사용될 수 있다.

 

• 조종사는 rudder를 통해 모든 adverse yaw를 상쇄한다. adverse yaw는 양 쪽 날개의 양력 차이에 의해, 그리고 엔진/프로펠러에 의해 발생한다. rudder는 비행기를 선회시키지 않으며 이는 삼타일치를 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 비행기의 가로 안정성으로 인해 날개가 천천히 수평으로 돌아갈 것이다.

 

• Medium turns - bank angle이 대략 20도에서 45도 사이일 때. medium bank에서는 비행기의 가로 안정성이 날개를 수평으로 되돌려놓지 않는다. 때문에 조종사가 조종간 압력을 유지하지 않아도 비행기가 일정한 bank angle을 유지하려는 경향을 보인다. 조종사는 bank를 유지하기 위해 aileron 압력을 풀어주어야 한다.

 

• Steep turns - bank angle이 대략 45도 이상일 때. 비행기의 overbanking을 막기 위해 반대쪽 aileron 압력을 주지 않는 한 비행기의 bank가 계속해서 선회 방향으로 깊어진다. 반대쪽으로 가해야 하는 aileron 압력의 양은 다양한 요인(예를 들어 bank angle과 airspeed)에 의해 달라진다.

 

비행기가 직진수평 비행을 할 때에는 총 양력이 날개와 지구에 수직으로 작용한다. 비행기가 선회를 할 때에는 총 양력이 두 가지 성분(수직 성분과 수평 성분)으로 나뉜다. [그림 3-11] 수직 양력 성분은 지구에 수직으로 작용해서 중력에 대응한다. 수평 양력 성분은 지구 표면과 평행하게 작용해서 원심력에 대응한다. 이 두 양력 성분은 서로 직각으로 작용하며 그 결과로 발생하는 총 양력은 비행기의 날개에 수직으로 작용한다. 비행기를 선회시키는 것은 수평 양력 성분이지 rudder가 아니다.

일정한 고도에서 일정한 속도로 선회를 수행하기 위해선 선회 시 elevator back pressure를 증가시켜서 날개 받음각을 증가시켜야 하며 항력 증가로 인한 속도 손실을 보상하기 위해 출력을 증가시켜야 한다. 이러한 조작은 총 양력이 수직 성분과 수평 성분으로 나뉘었기 때문에 필요하다. 고도를 유지하기 위해선 수직 양력 성분이 무게와 균형이 되도록, 그리고 총 양력이 load factor와 균형이 되도록 증가해야 한다(왜냐하면 총 양력은 날개에 수직으로 작용하기 때문).

 

선회 도중 rudder는 삼타일치를 위해 존재한다. 양력이 증가하면 항력도 증가한다. 조종사가 선회를 위해 ailerons를 가하면 상승 날개의 양력과 항력은 둘 다 증가하고 하강 날개의 양력과 항력은 둘 다 감소한다. [그림 3-12] 상승 날개의 항력 증가와 하강 날개의 항력 감소는 비행기를 선회 반대 방향으로 yaw 하게 만든다. 이러한 adverse yaw를 보상하기 위해선 선회 방향으로 aileron을 적용할 때 rudder도 함께 적용해야 한다. 이러한 조작은 삼타일치 선회를 만들기 위해 필요하다. 삼타일치는 비행기 조작에 있어 중요한 부분이다. 조종사가 삼타일치가 적용되지 않은 조작을 유지할 경우 문제가 발생할 수 있으며 이는 스핀으로 이어질 수도 있다. 이는 특히 낮은 고도(예를 들어 공항 장주 패턴)를 운영할 때 위험하다.

삼타일치가 적용되지 않을 경우 조종사는 선회 바깥쪽이나 안쪽으로 밀리는 느낌을 받을 수 있다. [그림 3-13] skid란 조종사가 선회 바깥쪽으로 밀리는 느낌을 받을 때이고 slip이란 조종사가 선회 안쪽으로 밀리는 느낌을 받을 때이다. skid나 slip을 느끼는 능력은 시간이 지남에 따라 발달하며 비행 “감각”이 발달함에 따라 조종사는 계기를 과도하게 의존하지 않고도 slip이나 skid에 민감하게 반응할 수 있어야 한다.

Turn Radius

 

대기속도, bank, 그리고 선회 반경의 관계를 이해하기 위해선 특정 진대기속도에서의 선회율이 양력의 수평 성분에 따라 달라진다는 것을 알아야 한다. 양력의 수평 성분은 bank의 양에 비례한다. 따라서 특정 대기속도에서의 선회율은 bank angle의 커질수록 증가한다. 반면에 특정 bank angle에서 더 높은 대기속도로 선회하게 되면 관성이 더 커지고 선회에 필요한 양력의 수평 성분이 더 커지며 결국 선회율이 감소한다. [그림 3-14] 따라서 특정 bank angle에서 대기속도가 높아지면 선회율이 감소하므로 선회 반경이 더 커진다.

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

 

결국 선회 바깥쪽 날개가 선회 안쪽 날개보다 더 빠른 속도로 움직이며 그 결과로 더 많은 양력을 생산한다. 이는 overbanking tendency를 발생시키므로 원하는 bank angle에 도달하였다면 반대쪽 aileron을 가해서 overbanking tendency를 제어해야 한다. [그림 3-15] 선회 바깥쪽 날개가 더 많은 양력을 생산하므로 항력 또한 더 많이 생산한다. 이러한 항력 증가로 인해 steep turns 도중 약간의 slip이 발생하므로 이를 rudder로 수정해야 한다.

Establishing a Turn

 

소형 단발 비행기의 엔진 cowling 상단은 보통 매우 평평하며 이는 자연 수평선에 대해 초기 bank angle을 설정하기 위한 지표를 제공한다. [그림 3-16] 이후 조종사는 정확한 bank angle이 만들어졌는지 확인하기 위해 계기를 cross-check 하여야 한다. 자세계는 수평선에 대한 날개의 각도를 보여준다.

조종사가 비행기에 앉는 자세는 외부 시각 참조물을 판단하는데 영향을 미치므로 이는 중요하다. 일반적인 실수로 조종사가 선회 도중 수평선으로부터 수직 자세를 유지하기 위해 선회 반대쪽으로 몸을 기울일 수 있다는 것이다. 시각 참조물을 사용하는 방법을 제대로 배우기 위해선 이 문제를 즉시 고쳐야 한다. [그림 3-17]

대부분의 항공기가 좌우 복좌식(side-by-side seating)이므로 조종사는 비행기의 세로축에 앉아 있지 않는다. 조종사는 보통 세로축의 약간 왼쪽에 앉는다. 시차오차(parallax error)로 인해 좌선회를 할 때에는 비행기의 기수가 올라가는 것처럼 보이고(조종사가 세로축에 비해 낮아지기 때문) 우선회를 할 때에는 비행기의 기수가 내려가는 것처럼 보인다(조종사가 세로축에 비해 높아지기 때문). [그림 3-18]

초보 조종사는 aileron과 rudder를 가할 때 큰 조종간 입력을 사용해선 안 된다. 조종간 입력이 크면 roll in rates가 빨라져서 조종사가 수정을 판단 및 수행할 시간이 거의 없기 때문이다. 조종간 입력이 작으면 roll in rates가 덜 빨라져서 조종사가 적절한 수정을 정확히 수행하는데 충분한 시간을 갖는다.

 

선회를 시작할 때 고려해야 할 몇 가지 사항들은 다음과 같다:

 

• 비행기가 기울어지기 전에 기수가 움직이기 시작했다면 rudder가 너무 빨리 적용된 것이다.

 

• 기수가 움직이기 전에 비행기가 기울어졌거나 기수가 반대 방향으로 움직였다면 rudder가 너무 늦게 적용된 것이다.

 

• 비행기가 기울어질 때 기수가 위/아래로 움직였다면 elevator back pressure가 과도하게/불충분하게 적용된 것이다.

 

bank가 설정된 후에는 bank angle에 따라 aileron 압력을 완화하거나 조절해서 비행기의 안정성이나 overbanking tendencies를 보상할 수 있다. 원하는 bank angle을 유지하기 위해선 적절한 aileron 압력을 적용해야 한다. shallow bank angle의 경우에는 선회 방향으로 약간의 aileron 압력을 유지해야 하며 yaw effects를 보상하기 위해 rudder도 가해야 한다. medium bank angle의 경우에는 aileron과 rudder 압력을 풀어야 한다. steep bank angle의 경우에는 bank가 깊어지는 것을 막기 위해 선회 반대 방향으로 aileron과 rudder 압력을 가해야 한다.

 

고도를 유지하기 위해선 양력의 수직 성분이 유지되어야 하므로 elevator back pressure를 풀어선 안 된다. 선회 도중 조종사는 자연 수평선을 참조해야 하고, 다른 항적을 확인해야 하며, 성능 확인을 위해 종종 계기를 cross-check 해야 한다. 항력 증가로 인해 대기속도가 감소한다. shallow bank angle에서는 보통 대기속도 감소가 크지 않지만 더 가파른 선회에서는 대기속도를 유지하기 위해 출력을 더 가해야 할 수 있다. 선회 도중 고도가 유지되지 못한다면 자연 수평선에 대해 pitch attitude를 수정해야 하며 성능을 확인하기 위해 계기들을 cross-check 해야 한다.

 

Steep turns는 정확하고, 부드럽고, 시기적절한 조종간 입력을 필요로 한다. ailerons로 bank angle을 일정하게 유지하는 동안 elevator back pressure를 통해 pitch attitude를 미세 수정한다. 허나 steep turns 도중 조종사가 기수를 과도하게 낮추어 짧은 시간 내에 상당한 고도 손실이 발생하는 것은 흔한 일이다. 회복 절차는 다음과 같다. 먼저 선회 반대 방향으로 aileron과 rudder를 적용해서 bank angle을 줄여주고 elevator back pressure를 높여서 pitch attitude를 증가시킨다. elevator만으로 nose-low, steep bank 상태를 회복하려 시도하면 bank가 더 가팔라지며 비행기에 불필요한 응력을 가한다. 항력 증가를 보상하기 위해 출력을 적절히 적용하면 steep turn이 개선될 수 있다. steep turn의 목적과 조종간 압력에 따라 elevator back pressure(bank angle이 30도를 지나면서 점점 증가)를 trim 하는 것은 조종사에게 도움이 될 수 있다.

 

bank가 적용되어 있는 한 비행기가 계속 선회하므로 원하는 heading에 도달하기 전에 rollout을 시작해야 한다. 원하는 heading에서 rollout 하는데 필요한 lead의 양은 선회에 사용된 bank angle에 따라 달라진다. rule of thumb는 bank angle의 절반을 lead로 사용하는 것이다. 예를 들어 bank가 30도이면 15도 전방에서 rollout lead를 잡는다. rollout을 수행하는 방법은 roll-in을 수행하는 방법과 유사하다(단, 조종간이 반대 방향으로 적용된다는 점 제외). 먼저 aileron과 rudder를 rollout 방향으로 적용한다. bank angle이 감소할 때 elevator pressure를 풀어주어야 고도가 유지된다. 날개가 수평이 되는 동안 조종간 압력을 부드럽게 풀어주어서 비행기가 직진 수평비행으로 돌아왔을 때 조종간이 중립 상태에 놓여야 한다. 만약 trim이 사용되었다면 trim이 조정되기 전까지는 forward elevator pressure가 필요할 수 있다. rollout이 완료되었다면 외부 시각 참조물과 계기를 통해 날개가 수평이 되었으며 선회가 멈추었는지 확인해야 한다.

 

elevator와 ailerons는 하나의 조종간에 의해 조작되므로 의도하는 압력만 의도하는 조종면에 적용하는 연습이 필요하다. 예를 들어 초보 조종사는 bank만 가하려 했으나 의도치 않게 pitch도 가할 가능성이 있다. 이러한 오조작은 조종간 설계에 의해 감소될 수 있다. 허나 부드럽고, 정교하고, 정확한 조종간 입력을 위해선 연습이 필요하다. 예를 들어 stick control에서는 우측으로 선회할 때 하강하는 것, 그리고 좌측으로 선회할 때 상승하는 것이 일반적이다. 왜냐하면 팔은 팔꿈치 관절로부터 회전하려는 경향이 있으므로 조종사가 조심하지 않으면 부수적인 포물선 움직임이 만들어지기 때문이다. 마찬가지로 기수를 낮추면 우선회가, 그리고 기수를 높이면 좌선회가 발생하는 경향이 있다. 이러한 동작은 오른손으로 stick을 움직이는 조종사에게 적용된다. control wheel을 갖춘 비행기에서는 조종간 위치와 조종사 좌석에 따라 이러한 의도치 않은 동작이 덜 발생할 수 있다. 어떠한 조종간을 사용하든 조종사는 기수가 수평선을 따라 상하좌우로 움직이는 시각 이미지를 유지해야 하며 의도치 않은 움직임을 구분해야 한다.

 

수평 선회를 수행할 때 발생하는 일반적인 실수:

 

1. 선회 방향에 다른 항적이 있는지 충분히 확인하지 못함.

2. 선회 도중 상승하거나 하강함.

3. 원하는 bank angle을 일정하게 유지하지 못함.

4. 계기만을 참조해서 선회를 수행하려 시도함.

5. 선회 반대 방향으로 몸을 기울임.

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

7. 비행기 기수만을 참조해서 일정한 bank angle을 유지하려 시도함.

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

9. 선회 방향으로 과도한 rudder를 가함.

10. 한 쪽 방향 선회만 잘함.

11. 조종간들의 삼타일치를 수행하지 못함.