이 장은 energy-centered approach를 사용하여 항공기의 고도와 대기속도를 관리하는 방법을 설명한다. 에너지 관리는 다음과 같은 목적을 위해 항공기의 에너지 상태와 관련하여 altitude target과 airspeed target을 계획, 모니터링, 그리고 제어하는 절차로 정의될 수 있다:
항공기의 에너지를 고도와 대기속도로 관리하는 법을 배우는 것은 모든 조종사들에게 중요하다. 원하는 수직 비행경로 및 대기속도 프로파일(예를 들어 정속 상승)을 효율적으로 달성 및 유지하기 위해, 그리고 하나의 프로파일에서 다른 프로파일로 전환하기 위해선(예를 들어 하강으로부터 level off) 에너지 관리가 필수적이다.
올바른 에너지 관리는 비행 안전을 위해서도 매우 중요하다. 항공기의 에너지 상태를 잘못 관리하는 것은 치명적일 수 있다. 기계적 에너지(고도 및/혹은 대기속도)의 잘못된 관리는 세 가지 유형의 치명적 사고에 기여한다: LOC-I(loss of control in-flight), CFIT(controlled flight into terrain), approach-and-landing accidents. 따라서 조종사들은 다음을 갖추어야 한다.
1. 비행기를 에너지 시스템으로 생각하는 mental model.
2. altitude target과 airspeed target을 달성 및 유지하기 위해 조종간 입력을 효과적으로 조정할 수 있는 능력.
비행기의 총 기계적 에너지는 고도에서의 위치 에너지, 그리고 대기속도에서의 운동에너지를 합한 것이다. 위치 에너지는 mgh로, 그리고 운동 에너지는 1/2mv²로 표현된다. 따라서 항공기의 총 기계적 에너지는 다음과 같이 나타낼 수 있다:
mgh + 1/2mv²
m = 질량(mass)
g = 중력 상수(gravitational constant)
h = 고도(height)
v = 속도(velocity)
비행 중인 비행기는 “개방된” 에너지 시스템이다. 즉, 비행기는 어떤 원천(예를 들어 연료 탱크)으로부터는 에너지를 얻을 수 있으며 환경(예를 들어 주변 공기)으로부터 에너지를 잃을 수 있다. 또한 이는 고도와 대기속도로 저장된 항공기의 총 기계적 에너지에 에너지가 더해지거나, 혹은 감해질 수 있음을 의미한다.
A Frame of Reference for Managing Energy State
항공기의 에너지 상태는 항상 고도와 대기속도로 저장된 에너지의 총량, 그리고 이러한 에너지의 분포에 의해 결정된다. 항공기의 에너지 상태를 관리하기 위한 기준은 비행기가 중심이 된다. 즉, 지시 고도 및 지시 대기속도의 함수이지 지표면으로부터의 고도 및 groundspeed의 함수가 아니다.
고도계에 표시되는 지시 고도, 그리고 이와 연관된 위치 에너지는 고정된 기준점(MSL)로부터의 비행기 고도를 기준으로 한다(지형 고도에 따라 변화하는 AGL을 기준으로 하지 않음). 마찬가지로 속도계에 표시되는 지시 속도, 그리고 이와 연관된 운동 에너지는 공기에 대한 비행기의 속도를 기준으로 한다(풍향 및 풍속에 따라 변화하는 groundspeed를 기준으로 하지 않음).
지시 고도와 지시 속도는 조종사의 조종간 조작을 통해 변화한다는 점을 유념한다. 이러한 직접적 조작은 비행기가 상승/하강, 혹은 가속/감속 할 능력을 결정한다. 이와 반대로 AGL-altitude와 groundspeed는 “외부” 요인에 의해 변화한다(예를 들어 지형 고도와 바람의 변화). 이러한 요인들은 조종사가 바꿀 수 없다. 물론 조종사는 지형이나 바람과 연관된 위험을 최소화하는 방식으로 항공기 에너지를 관리해야 한다. 예를 들어 상승 지형을 마주하였을 때 비행기의 energy gain이 극대화되고 energy lose가 최소화되도록 에너지 상태를 조작 할 수 있다. 안전한 heading 또한 선택지가 될 수 있다.
이륙 후 비행기는 엔진 추력(T)으로부터 에너지를 얻고 공기역학적 항력(D)으로부터 에너지를 잃는다. 얻는 에너지와 잃는 에너지 사이의 차이(T-D)가 net change이다. 이는 고도 및 대기속도로 저장된 총 기계적 에너지가 증가, 감소, 혹은 유지되는지를 결정한다.
추력이 항력을 초과하는 경우(T-D > 0) 비행기의 총 기계적 에너지가 증가한다. 이 여분의 에너지를 증가된 고도, 혹은 증가된 대기속도로 저장할 수 있다. 예를 들어 조종사가 여분의 에너지를 고도에 저장하기로 결정하였다면 비행기는 정속으로 상승할 수 있다. [그림 4-1A] 조종사가 여분의 에너지를 대기속도에 저장하기로 결정하였다면 비행기는 고도를 유지하면서 증속할 수 있다. [그림 4-1B]
항력이 추력을 초과하는 경우(T-D < 0) 항공기의 총 기계적 에너지가 감소한다. 조종사는 두 가지 저장 에너지원을 이용할 수 있다. 예를 들어 에너지 부족을 해결하기 위해 저장 에너지가 사용되는 동안 비행기가 정속으로 하강하거나[그림 4-1C], 혹은 고도를 유지하면서 감속할 수 있다[그림 4-1D]. 얻는 에너지와 잃는 에너지가 같으면(T-D = 0) 모든 추력이 항력에 소모된다. 이 경우 총 기계적 에너지, 그리고 고도와 대기속도에 대한 에너지 분포는 변화하지 않는다. 항공기가 일정한 고도 및 대기속도를 유지하므로 stored altitude와 stored airspeed는 일정하게 유지된다. [그림 4-1E]
또한 에너지는 고도와 대기속도 사이에서 교환될 수 있다. 예를 들어 조종사나 대기속도를 고도로 바꾸면 고도가 증가하고 대기속도가 감소한다. 즉, 에너지 교환 시 고도와 대기속도는 항상 반비례한다(단, energy input과 control input이 없는 경우). 하나가 증가하면 다른 하나는 감소한다. 에너지 교환 중 고도와 대기속도에 대한 에너지 분포가 극적으로 변화할 수 있다. 허나 추력이 항력과 일치하도록 조정된다면 이러한 exchange maneuver가 끝났을 때 총 기계적 에너지가 동일하게 유지될 수 있다[그림 4-1F]. 왜냐하면 항력은 속도에 따라 변화하기 때문이다.
Managing Energy is a Balancing Act
비행기는 엔진 추력(T)에서 에너지를 얻고 공기역학적 항력(D)을 통해 에너지를 잃는다. 따라서 비행 중 에너지가 비행기의 안팎으로 계속하여 흐른다. net energy flow는 추력과 항력 사이의 함수이다. 이는 일반적으로 Specific Excess Power(PS), 혹은 에너지 변화율로 측정된다.
Ps = (T – D)V/W
T = Thrust(추력)
D = Drag(항력)
V = velocity(속도)
W = aircraft weight(항공기 무게)
더 중요한 것은 net energy flow로 인한 총 에너지의 변화, 그리고 고도 및 대기속도로 저장된 에너지의 변화 사이에 근본적인 관계가 있다는 것이다. 이러한 기본적인 관계는 비행기의 energy balance equation을 통해 정리될 수 있다. [그림 4-2]
energy balance equation의 왼쪽은 비행기의 net energy flow를 나타낸다. 반면 오른쪽은 저장된 에너지의 변화를 반영한다. 따라서 총 에너지 변화는 방정식의 왼쪽에 영향을 미치는 반면 오른쪽은 고도와 대기속도 사이의 에너지 분배 변화를 나타낸다.
추력과 항력의 차이로 인한 총 에너지의 변화(왼쪽 부분)는 항상 고도와 대기속도에 걸쳐 재분배되는 총 에너지의 변화(오른쪽 부분)와 일치한다. 에너지 변화율(specific excess power)은 비행 도중 변화하지만(양수, 음수, 혹은 0으로) 비행기가 가속하든, 감속하든, 상승하든, 하강하든, 일정한 고도 및 속도를 유지하든 상관없이 방정식의 양 쪽은 균형을 이룬다. (Note: 이 방정식은 연료의 점진적 소모로 인한 항공기 무게 감소로 발생하는 총 역학적 에너지의 장기적 변화를 설명하지는 않는다. 항속거리와 항속시간과 같은 장시간 항공기 성능 문제를 다루는 경우에는 무게 감소가 총 에너지에 미치는 영향이 중요하다. 허나 단시간 비행 문제를 고려하는 경우에는 무시할 수 있는 수준이다.)
물론 조종사는 방정식의 왼쪽(총 에너지 변화)을 제어할 뿐만 아니라 방정식의 오른쪽(고도와 대기속도에 대한 에너지 변화의 분배)도 제어할 있다. 원하는 altitude target과 airspeed target을 달성 및 유지하기 위한, 그리고 에너지 “위기”를 방지하기 위한 throttle/elevator 조정 방법은 에너지 관리의 핵심이다. 이는 이 장의 나머지 부분에서 자세히 설명된다.
energy-centered approach는 throttle/elevator가 총 기계적 에너지에 어떻게 영향을 미치는지를 모델링함으로서 단순한 “pitch for airspeed and power for altitude”를 넘어 엔진과 조종간의 역할을 명확히 한다. 에너지의 관점에서 수직 비행경로와 대기속도를 제어하는 문제는 비행기의 에너지 상태(총 에너지의 양, 그리고 고도와 대기속도에 대한 에너지 분배) 중 하나를 다루는 것이다. 따라서 조종사는 무엇이 고도를 제어하고 무엇이 대기속도를 제어하는지 보다는 무엇이 총 에너지를 제어하는지, 그리고 무엇이 고도 및 대기속도에 대한 분포를 제어하는지를 알아야 한다.
Primary Energy Role of the Throttle and Elevator
throttle은 항력에 대해 엔진 추력을 증가시키거나 감소시킴으로서 총 기계적 에너지를 조절한다. 총 에너지의 변화는 추력과 항력의 함수이다(T-D). 그러나 항력은 주로 대기속도의 변화로 인해 긴 시간에 걸쳐 변화되거나, 혹은 항력만 증가시킬 수 있는 high lift/drag devices에 의해 변화된다. 따라서 총 에너지의 변화는 일반적으로 항력이 아닌 추력의 변화에 의해 시작된다. 추력이 항력보다 커지도록 throttle이 설정되면 총 기계적 에너지가 증가한다. 추력이 항력보다 작아지도록 throttle이 설정되면 총 기계적 에너지가 감소한다. 원하는 path-speed profile이 설정되었다면 throttle은 수직 비행경로 및 대기속도가 필요로 하는 총 에너지와 일치하도록 엔진 추력을 설정한다. 따라서 throttle은 total energy controller이다.
반면 elevator는 pitch attitude를 조절하여 수직 비행경로와 대기속도간의 총 에너지 변화를 할당하는 에너지 분배 장치이다. 원하는 path-speed profile이 설정되었다면 elevator는 수직 비행경로 및 대기속도에 대해 필요 되는 에너지 분배가 유지되도록 pitch attitude를 설정한다. 따라서 elevator는 energy distribution controller이다.
throttle과 elevator는 에너지 상태 제어 장치이다. 그러나 둘 중 어느 장치도 고도나 대기속도를 개별적으로 제어하지 않는다. 왜냐하면 고도와 대기속도는 비행기의 총 역학적 에너지를 통해 본질적으로 연결되어 있기 때문이다. 때문에 고도와 대기속도를 효과적으로 제어하기 위해선 두 장치를 모두 조정하여 에너지 상태를 관리해야 한다.
reservoir analogy[그림 4-3]은 에너지에 대한 throttle과 elevator의 역할을 나타낸다. 이 analogy에서 throttle은 net total energy를 조절하는 “valve”를 제어한다. 반면 elevator는 altitude “reservoir”와 airspeed “reservoir”를 오가는 에너지를 분배하는 “valve”를 제어한다. [그림 4-2]의 energy balance equation을 보면 throttle이 방정식의 왼쪽을 제어하는, 그리고 elevator가 방정식의 오른쪽을 제어하는 것이 명확해진다.
throttle이 항력 이상으로 추력을 증가시키면(T-D > 0) 비행기는 총 에너지를 얻는다. throttle이 항력 이하로 추력을 감소시키면(T-D < 0) 비행기는 총 에너지를 잃는다. elevator는 이러한 총 에너지의 증감을 고도와 대기속도 간에 분배한다. throttle이 항력과 추력이 동일하도록 조정되면(T-D = 0) 총 에너지의 변화는 없다. 허나 고도와 대기속도로 저장된 에너지는 elevator를 통해 두 개의 reservoirs 사이에서 교환될 수 있으며 총 에너지는 적어도 짧게나마 일정하게 유지된다.
Additional Role for the Elevator
power required curve의 front side(excess power나 excess thrust가 거의 없는 상태에서(그림 4-4의 A) 낮은 받음각으로 고속 순항을 하는 경우(그림 4-4의 1))일 때 조종간을 당길 경우(elevator up) 짧은 에너지 교환이 발생한다. 이는 비행기가 1에서 2로 감속하게 만든다[그림 4-4]. 이러한 대기속도 감소는 총 항력 감소로 이어진다. 따라서 추력이 항력을 초과하는 지점(T-D > 0)에서 positive excess power(Ps > 0)의 형태로 에너지를 사용할 수 있다. 이러한 excess power(그림 4-4의 B)를 통해 비행기는 정속 상승, 혹은 수평 선회(일정한 속도 및 고도를 유지하면서)를 수행할 수 있다.
power required curve의 backside(excess power나 excess thrust가 거의 없는 상태에서(그림 4-4의 C) 높은 받음각으로 저속으로 비행하는 경우(그림 4-4의 3))일 때 조종간을 밀 경우(elevator down) 짧은 에너지 교환이 발생한다. 이는 비행기가 3에서 2로 증속하게 만든다[그림 4-4]. 이러한 대기속도 증가는 총 항력 감소로 이어진다. 따라서 추력이 항력을 초과하는 지점(T-D > 0)에서 positive excess power(Ps > 0)의 형태로 에너지를 사용할 수 있다. 이러한 excess power(그림 4-4의 B)를 통해 비행기는 정속 상승, 혹은 수평 선회(일정한 속도 및 고도를 유지하면서)를 수행할 수 있다. elevator의 이러한 역할은 과도한 감속, 혹은 하강률을 방지하는데 매우 중요하다(Preventing Irreversible Deceleration and/or Sink Rate section 참조).
이러한 에너지 교환을 이용한 대기속도 변화를 통해 elevator는 throttle을 보조하여 T-D와 Ps를 변경할 수 있다. 그러나 수평 선회 도중 elevator는 종종 T-D의 “D”를 직접 증가시킬 수 있다. 이는 비행기의 총 에너지가 빠르게 소멸될 수 있도록 만든다. 비행기가 bank 지면 하중 계수(양력/항력)가 증가한다. 왜냐하면 비행기의 무게를 맞춤과 동시에 비행기를 선회로 잡아당기기 위해서는 총 양력이 증가해야하기 때문이다. 이는 받음각을 증가시킴으로써, 즉 조종간을 당김으로써 이루어진다. 허나 이는 유도 항력, 그리고 power required의 증가로 이어진다. 이는 비행기를 빠르게 감속시키며 throttle을 idle로 줄이는 것보다 총 에너지를 더 빠르게 감소시킨다. elevator의 이러한 역할이 그림 4-5에 나타나 있다.
비행기의 에너지 상태를 관리하기 위해 제어 장치들의 각 역할을 적용하는 것은 일련의 간단한 규칙으로 이어진다. 이러한 규칙은 수직 비행경로 및 대기속도를 효과적으로 제어하기 위한 throttle-elevator coordination을 다룬다. 그렇다면 에너지 관리의 기본 규칙은 무엇인가?
에너지 관리를 위한 throttle과 elevator의 역할은 다음과 같이 요약될 수 있다: throttle과 elevator의 조정이 비행기의 에너지 상태를 제어한다. “pitch for airspeed and power for altitude”라는 대중적인 격언은 “pitch plus power controls energy state”로 다시 표현될 수 있다. 이러한 기본 원리는 비행기의 에너지 범위 내에서 특정 vertical flight path target과 airspeed target을 달성 및 유지하기 위한 에너지 제어 규칙을 안내한다.
Visualizing the Airplane’s Ability to “Move” Between Energy States
에너지 제어의 기본 규칙을 이해하기 위해선 비행기의 에너지 상태, 그리고 하나의 에너지를 다른 에너지로 전환하는 비행기의 능력을 시각화할 필요가 있다. 비행기는 어떻게 초기 고도 및 초기 대기속도에서 flight envelope 내의 다른 target altitude 및 target airspeed로 “이동” 하는가? 그리고 조종사는 이 과정을 어떻게 제어하는가? 에너지 측면에서 항공기의 상태를 표시하는 지도가 도움이 될 것이다.
항공용 지도(예를 들어 aeronautical sectional chart)에서 비행기의 지리적 위치는 위도와 경도에 의해 결정된다. 마찬가지로 “altitude-airspeed” map, 혹은 “energy” map에서 비행기의 에너지 위치(에너지 상태)는 고도와 대기속도에 의해 결정된다. [그림 4-6]
altitude-airspeed map에서 비행기의 위치는 현재의 고도 및 대기속도를 통해 결정되는 total specific energy, 혹은 Es(위치 에너지와 운동 에너지의 합을 항공기 무게로 나눈 값)를 나타낸다.
Es = h + V²/2g
g= gravitational constant(중력 상수)
h= height(고도)
V= velocity(속도)
total specific energy(Es)는 height(예를 들어 feet)의 단위를 가지고 있기 때문에 보통 energy height라 불린다. 또한 비행기의 모든 속도를 고도로 교환하였을 때 도달할 수 있는 최대 고도라는 사실에서 이 이름이 유래되었다. 그림 4-6은 일정한 total specific energy(energy height)의 선들을 보여준다. 특정 energy height를 따른 비행기 위치가 달라도 총 에너지는 동일하다(예를 들어 A와 B).
따라서 A 지점의 비행기가 100노트 및 6,000ft로 순항하더라도 B 지점의 240노트 및 4,000ft로 순항하는 비행기와 total specific energy가 동일하다. 이는 A나 B 비행기가 모든 고도 및 대기속도를 교환함으로써 최대 고도인 6,500ft로 “zoom” 할 수 있음을 의미한다. energy height의 선들은 에너지 교환(예를 들어 A에서 B로)을 통해서만 한 에너지 상태에서 다른 에너지 상태로 이동하는 비행기를 표현하는 이상적인 궤적으로 사용될 수 있다. 고도와 대기속도가 빠르게 교환된다면 단기적으로는 일정한 총 에너지를 유지함과 동시에 energy height의 선을 따라간다.
energy map은 available specific excess power(Ps)의 등고선, 그리고 한 에너지 상태에서 다른 에너지 상태로 이동하는 에너지 궤적을 나타낼 수 있다. [그림 4-7] 비행기는 단순히 에너지를 교환함으로써 energy height lines를 따라 이동할 수 있다(예를 들어 A에서 B로). 그러나 energy height lines를 가로지르기 위해서는 고도와 대기속도 사이의 에너지 변화를 분배함과 동시에 총 에너지를 증가/감소시켜야 한다. 따라서 비행기가 하나의 energy height에서 다른 energy height로 이동하는 능력(예를 들어 A에서 C, D, 혹은 E로)은 고도의 변화율(예를 들어 fpm)로 측정된 specific excess power의 함수이다.
그림 4-7에 표시된 에너지 위치를 살펴보자. A 비행기는 150노트로 4,000ft를 비행하고 있으며 총 에너지는 5,000ft와 같다. C, D, 그리고 E는 더 높은 energy heights(각각 11,000, 9,500, 그리고 6,500)에 위치하므로 A가 이 지점들에 도달하기 위해선 총 에너지를 증가시켜야 한다(즉, 항력보다 높게 추력을 증가시키는 것, 혹은 Ps > 0). 이 반대 또한 마찬가지이다. 비행기가 C, D, 혹은 E에 위치한다면 A로 돌아올 수 있는 유일한 방법은 총 에너지를 감소시키는 것이다(즉, 항력보다 낮게 추력을 감소시키는 것, 혹은 Ps < 0). 즉, 비행기가 하나의 energy state에서 다른 energy state로 이동할 수 있는 rate(예를 들어 일정한 속도로 얼마나 빠르게 상승/하강할 수 있는가, 혹은 수평 비행 도중 얼마나 빠르게 증속/감속할 수 있는가)는 specific excess power의 함수이다. 이는 비행기가 더 많은, 혹은 더 적은 에너지를 요구하는 energy height로 이동해야 하는지에 따라 양수(Ps > 0)이거나 음수(Ps < 0)일 수 있다.
envelope의 가장자리(full throttle에서 available Ps가 0인 지점)에서 비행기는 대기속도를 유지하는 동안 상승할 수 없으며 하강 없이는 증속할 수 없다. envelope 내부의 등고선은 그 값이 점점 증가하여 available Ps가 최대가 되는 지점에 도달한다. full throttle일 때 Ps는 특정 대기속도(VY)에서 최대가 되며 이는 대기속도가 더 느려지거나 더 빨라지면 감소한다. 따라서 VY에서 비행기는 대기속도를 유지하면서 최대 상승률을 수행하거나, 혹은 하강 없이 최대 가속을 수행할 수 있다. [그림 4-7]
Three Basic Rules of Energy Control
“energy-control” map은 기본적인 에너지 제어 규칙을 시각화하는데 도움이 될 수 있다. [그림 4-8] energy-control map은 초기 에너지 상태(1)로부터 다른 에너지 상태(2, 3, 4, 5, 6, 그리고 7)로 이전하는 비행기의 궤적을, 그리고 throttle(파란색/빨간색 화살표) 및 elevator(녹색 화살표)에 의해 발생하는 에너지 변화를 나타낸다. 즉, 이는 특정 상태에서 다른 상태로 비행기를 이동하기 위한 기본 제어 규칙을 시각화할 수 있다. envelope의 가장자리(full throttle에서 Ps가 0인 지점) 또한 표시되어 있다.
초기 에너지 상태(1)에 대해 표시된 line of constant total energy(점선)를 주목하라. 이는 더 많은 총 에너지(파란색 영역)를 필요로 하는 구간과 더 적은 총 에너지(빨간색 영역)을 필요로 하는 구간을 나눈다. throttle은 새로운 에너지 상태에 필요한 총 에너지의 양을 더하거나(파란색 화살표) 뺀다(빨간색 화살표). 반면 elevator(녹색 화살표)는 총 에너지를 위치 에너지와 운동 에너지 사이에 분배한다. 조종간들의 동시 조작을 통해 원하는 에너지 궤적을 따라갈 수 있다.
비행기를 1번 위치에서 2번, 혹은 3번 위치의 에너지 상태로 이동시키기 위해선 동일한 양의 총 에너지를 증가시키는 throttle 설정을 필요로 한다(이 예시에서 2번 위치와 3번 위치는 동일한 higher-energy height에 위치함). 이러한 두 에너지 궤적(1에서 2로 향하는 궤적과 1에서 3으로 향하는 궤적)의 차이는 elevator를 통해 총 에너지가 분배되는 방법에 달려있다. throttle을 조정함으로써 총 에너지를 변경하는 것은 lines of constant total energy를 가로질러 연장된다(파란색/빨간색 화살표). 반면 elevator를 조정함으로써 에너지 분배를 변경하는 것은 lines of constant total energy를 따라 연장된다(녹색 화살표. 즉, energy height가 동일함). throttle을 통한 총 에너지의 변화 및/혹은 elevator를 통한 에너지 분포의 변화는 각각의 에너지 화살표에 의해 표시된다. 이는 두 에너지 상태 사이의 에너지 궤적 방향을 결정한다. 이를 위해 1에서 2로 향하는 궤적과 1에서 3으로 향하는 궤적을 비교한다. 그리고 해당 elevator 에너지 화살표(왼쪽 녹색 화살표 = up-elevator. 오른쪽 녹색 화살표 = down-elevator)가 throttle 에너지 화살표(파란색 화살표 = increased throttle)와 관련하여 배치되는 방식을 확인한다.
따라서 대기속도를 유지한 상태에서 높은 고도로 전환하기 위해선(1에서 2로) increased throttle과 up-elevator가 필요하다. 반면 고도를 유지한 상태에서 높은 대기속도로 전환하기 위해선(1에서 3으로) increased throttle과 down-elevator가 필요하다. 필요 시 조종간 압력을 완화하기 위해 trim을 다시 조정한다.
대기속도를 유지한 상태로 낮은 고도로 전환하기 위해선(1에서 4로) decreased throttle과 down-elevator가 필요하다. 반면 고도를 유지한 상태로 낮은 대기속도로 전환하기 위해선(1에서 5로) decreased throttle과 up-elevator가 필요하다. 필요 시 조종간 압력을 완화하기 위해 trim을 다시 조정한다.
마지막으로 대기속도를 고도로 전환함으로써 높은 고도로 전환하기 위해선(1에서 6으로) throttle 변경 없이 up-elevator만 필요하다. 반면 고도를 속도로 전환함으로써 높은 대기속도로 전환하기 위해선(1에서 7로) throttle 변경 없이 down-elevator만 필요하다. 두 경우 이러한 에너지 교환 기동이 종료되었을 때 새로운 속도와 일치하는 항력으로 throttle을 조정해야 하며 elevator를 다시 trim 해야 한다. 이는 새로운 altitude-airspeed target을 유지함과 동시에 총 에너지를 일정하게 유지하기 위함이다.
한 에너지 상태에서 다른 에너지 상태로 이동하기 위해 throttle과 elevator를 조정하는 세 가지 에너지 제어 규칙이 있다:
Rule #1: 더 많은 총 에너지를 필요로 하는 상태로 전환하기 위해선:
Throttle: 추력이 항력보다 크도록 throttle을 설정하여 총 에너지를 증가시킨다.
Elevator: pitch attitude를 조정하여 총 에너지의 증가량을 고도와 대기속도로 분배한다:
a. 대기속도를 유지한 상태로 상승하기 위해선 해당 대기속도를 유지할 정도로 pitch를 들어준다.
b. 고도를 유지한 상태로 증속하기 위해선 고도가 유지될 정도로 pitch를 내려준다.
새로운 에너지 상태에 도달하였다면 필요에 따라 pitch attitude와 throttle을 조정하여 새로운 path-speed profile을 유지한다.
Rule #2: 더 적은 총 에너지를 필요로 하는 상태로 전환하기 위해선:
Throttle: 추력이 항력보다 작도록 throttle을 설정하여 총 에너지를 감소시킨다.
Elevator: pitch attitude를 조정하여 총 에너지의 감소량을 고도와 대기속도로 분배한다:
a. 대기속도를 유지한 상태로 하강하기 위해선 해당 대기속도를 유지할 정도로 pitch를 내려준다.
b. 고도를 유지한 상태로 감속하기 위해선 고도가 유지될 정도로 pitch를 들어준다.
새로운 에너지 상태에 도달하였다면 필요에 따라 pitch attitude와 throttle을 조정하여 새로운 path-speed profile을 유지한다.
Rule #3: 총 에너지의 변화를 요구하지 않는 새로운 에너지 상태로 전환하기 위해선:
Throttle: 초기에는 변화시키지 않는다. 그러나 기동이 끝난 후에는 항력과 일치하도록 throttle을 조정한다. 이는 총 에너지를 일정하게 유지하기 위함이다.
Elevator: pitch attitude를 조정하여 고도와 대기속도 사이에 에너지를 교환한다:
a. 속도를 고도로 교환하기 위해선 pitch up.
b. 고도를 속도로 교환하기 위해선 pitch down.
새로운 에너지 상태에 도달하였다면 필요에 따라 pitch attitude와 throttle을 조정하여 새로운 path-speed profile을 유지한다.
1번 규칙과 2번 규칙은 총 에너지의 변화를 다른 방식으로 분배하도록 elevator를 사용하는 것을 허용한다. 예를 들어 1번 규칙의 a에서 조종사는 더 느린(혹은 더 빠른) 대기속도로 상승하는 pitch-up attitude를 선택할 수 있다. 그 밖의 상황에서는 두 가지 규칙을 결합해야 할 수도 있다. 한 가지 예시는 maximum cruise airspeed에서 추력이 최대 한계(즉, Ps=0)에 도달하였으나 target energy state가 더 높은 고도에, 그리고 envelope 내에 있는 경우이다. maximum level airspeed에서는 비행기의 총 에너지를 증가시키기 위한 excess thrust available이 없다. 한 가지 방법은 처음에 운동 에너지를 위치 에너지로 바꾸어 항력이 추력보다 낮은 속도로 감속하는 것이다(3번 규칙). 이는 비행기의 총 에너지를 증가시키며 낮은 속도로 상승할 수 있게 해준다(1번 규칙).
조종사는 잘못된 에너지 관리와 관련된 두 가지 주요 위험을 식별, 평가, 그리고 완화할 수 있는 능력을 갖추어야 한다: 1) 원하는 에너지 상태로부터 발생한 편차. 2) 의도치 않은 irreversible deceleration and/or sink rate로 인해 발생한 기계적 에너지 고갈. 첫 번째 위험은 의도치 않은 altitude-speed deviations를 수반한다(Managing Energy Errors 참조). 두 번째 위험은 available excess power가 거의 없는 상태에서 예상치 못한 지속적 대기속도 및/혹은 고도 손실을 수반한다(Preventing Irreversible Deceleration and/or Sink Rate 참조).
Two Energy Management Scenarios
두 가지 시나리오는 잘못된 에너지 관리와 관련된 두 가지 주요 위험을, 그리고 조종사가 이러한 위험을 식별∙평가∙완화할 수 있는 방법을 보여준다.
Scenario 1
최종 접근 도중 의도치 않게 glideslope 아래로 하강하였으며 적절한 수정을 수행하지 못하였다. [그림 4-9] 비행기를 다시 glideslope으로 되돌리기 위해선 pitch up을 수행해야할까, throttle up을 수행해야할까 둘 다 수행해야할까?
Scenario 2
상승 지형을 향해 비행중이며 지형과 충돌하기 전에 이를 통과할 수 없다. [그림 4-10] 출항 경로를 따라 놓인 상승 지형을 확인하라. 충돌을 피하기 위해 조종사가 할 수 있는 일은 무엇일까?
이 섹션은 올바른 에너지 관리가 조종사에게 위험을 관리하는, 그리고 비극적 결과를 피하는 기술을 어떻게 제공하는지 보여준다.
Managing Energy Errors
안정화된 path-speed profiles를 유지하는 것(예를 들어 glideslope을 tracking 하는 것), 그리고 하나의 프로파일에서 다른 프로파일로 전환하는 것(예를 들어 하강으로부터 level off)을 위한 효과적인 기술을 배우는 것 외에도 조종사는 수직 경로 및 대기속도로부터의 편차를 관리하는 기술(비행기를 target energy state로 되돌리는 기술)을 발달시켜야 한다. “에너지 위기”는 감지되지 않은, 무시된, 혹은 제대로 관리되지 않은 path-speed deviations로부터 시작된다. 따라서 조종사들에겐 이러한 편차들을 인지, 수정, 그리고 예방할 수 있는 기술이 필요하다.
고도 편차와 대기속도 편차를 수정하는 것이 목표이긴 하지만 조종사는 비행기의 에너지 상태에 따라 행동해야 한다. 따라서 altitude-speed deviations를 에너지 오차(energy errors)로 변환하는 것이 중요하다. [그림 4-11] 비행기의 총 에너지는 고도와 대기속도로 분배되므로 두 가지 유형의 에너지 오차가 있다: 1) 총 에너지 오차(total energy error). 2) 에너지 분배 오차(energy distribution error).
고도계와 속도계를 모니터링 할 경우 조종사는 이러한 두 가지 유형의 에너지 오차를 구분할 수 있다. 총 에너지 오차의 경우 비행기는 에너지가 너무 많거나(파란색 박스), 혹은 에너지가 너무 적다(빨간색 박스). 조종사는 고도와 속도가 동일한 방향으로 벗어나는 것을 알아차릴 것이다(“lower-and-slower”, 혹은 “higher-and-faster”). 반면 에너지 분배 오차의 경우 비행기의 총 에너지는 정확하지만 고도와 속도에 대한 분배는 부정확하다(녹색 박스). 여기서는 고도와 속도가 서로 반대 방향으로 벗어난다(“higher-and-slower”, 혹은 “lower-and-faster”). 이 경우 조종사는 절대적인 고도 값과 속도 값을 처리하는 것이 아닌 상대적 편차를 처리한다.
에너지 관리 원칙에 따라 총 에너지 오차는 throttle을 통해 에너지를 증가, 혹은 감소시켜 수정한다. 반면 에너지 분배 오차는 elevator를 통해 고도와 속도 사이의 에너지 분배를 교환함으로써 수정한다. 총 에너지 오차와 에너지 분배 오차가 합쳐진 경우에는 throttle과 elevator를 동시에 사용하여 수정을 해야 한다. 그림 4-12는 총 에너지 오차와 에너지 분배 오차를 수정하는데 필요한 기술을 정리한 것이다.
시나리오 1은 에너지 오차, 그리고 이를 수정 및 회피하는데 필요한 기술을 설명하기 위한 좋은 예시이다. 그림 4-13은 최종 접근 중인 비행기가 비행경로 아래로 하강하는 세 가지 가능성(B, C, 그리고 D)을 보여준다. 조종사는 pitch up을 수행해야할까, throttle up을 수행해야할까 둘 다 수행해야할까? 이는 상황에 따라 다르다. 조종사는 속도를 확인해야 한다. target airspeed에 비해 실제 속도는 느리거나(B), 빠르거나(D), 혹은 일치(C)할 수 있다. 어떤 경우든 고도 및/혹은 대기속도 편차 발생 후의 최종 목표는 비행기를 올바른 에너지 상태(A)로 되돌리는 것이다.
Lower-and-slower(B)는 lower-and-faster(D)와 근본적으로 다르다. 전자의 경우 총 에너지를 다시 얻기 위해 throttle을 전진시켜야 한다(그림 4-12의 3). 반면 후자의 경우 에너지 분배 오차를 없애기 위해 조종간을 당겨야 한다(그림 4-12의 9).
그림 4-13의 B에서 에너지 증가를 위해 throttle을 전진시키는 것은 excess thrust가 존재하는 경우(Ps > 0)에만 가능하다. full throttle을 적용해도 excess thrust가 발생하지 않을 정도로 유도 항력이 매우 높은 속도로 감속한 경우에는 불가능할 수 있다(그림 4-12의 “Cautions When Very Slow” 참조). 비행 조건에 따라 full throttle에서의 available excess power가 음수(Ps < 0)일 수 있다. 이 경우 유일한 방법은 먼저 조종간을 밀어서 고도를 속도로 변환하고, 받음각과 유도항력을 줄이고, throttle을 전진시켜서 총 에너지를 다시 얻는 것이다. 만약 비행기가 지면 근처라면 negative specific excess power를 역전시킴으로써 충돌을 방지할만한 여유가 없을 수 있다.
이제 그림 4-13의 C를 고려해 보자. 여기서 비행기는 비행경로 아래로 하강하였으나 올바른 속도로 비행중이다. 이 경우 속도의 편차는 없으나 총 에너지 오차와 에너지 분배 오차가 합쳐져 있다. 속도 변화 없이 고도를 얻기 위해선 조종간을 조금씩 당김과 동시에 throttle을 전진해야 한다(그림 4-12의 6). 즉, 하나의 변화 없이 다른 하나를 변경하기 위해서는 throttle과 elevator를 동시에 사용해야 한다.
어떤 경우든 경로 및 속도를 주의 깊게 모니터링 함으로써 pitch attitude와 throttle을 적절히 조종해야 한다. 편차가 수정되었다면 원하는 path-speed profile을 유지하기 위해 비행기를 trim 해야 한다(그림 4-12의 5).
앞서 approach-to-landing 시나리오는 altitude-speed deviations를 잘못 관리하였을 때의 위험을 보여주는 하나의 예시일 뿐이다. 비행의 어떤 단계에서든(장주 패턴, 이륙 및 상승, 순항 비행, 하강, 그리고 선회를 수반하는 절차나 기동 포함) 조종사는 고도 및/혹은 대기속도의 편차를 식별, 평가, 그리고 완화할 수 있어야 한다.
path-speed deviations를 신속하게 수정하는 기술을 비행 안전을 향상시킬 수 있다. 허나 비행기의 기계적 에너지가 회복 불가능할 정도로 고갈될 위험 또한 인지하고 있어야 한다(특히 비행기가 flight envelope의 가장자리, 즉 available excess power가 0인 지점에 접근할 때).
정상 비행 도중 비행기는 negative specific excess power(Ps < 0)를 많이 경험한다(예를 들어 일정한 고도로 감속하는 도중, 혹은 일정한 속도로 하강하는 도중). 이는 의도된 에너지 손실률이다. 그러나 에너지 상태를 잘못 관리하는 것의 가장 큰 위험 중 하나는 positive excess power available이 거의 없는 상태에서 의도치 않은 excessive deceleration and/or sink rate가 발생하는 것이다. 특정 critical altitude 이상으로 회복하지 못하면 기계적 에너지가 고갈된다. 이 시점을 지난 후에는 조종사가 무엇을 하든 비행기가 지면에 충돌할 것이다.
의도치 않은 에너지 고갈의 위험을 이해하기 위해 시나리오 2를 자세히 살펴보자[그림 4-10]. 이러한 시나리오는 범용 항공에서 아주 흔한 상황이다: 상승 지형을 향해 비행중이며 지형과 충돌하기 전에 이를 통과할 수 없음.
시나리오는 다음과 같다:
1. 자연 흡기식 twin-engine airplane의 조종사가 여름날 아침 KBJC(Rocky Mountain Metropolitan airport)에서 KASE(Aspen/Pitkin County airport)로 비행한다.
2. 날이 더운 이른 오후 조종사는 Aspen에서 집으로 되돌아가기로 결정하였다.
3. 조종사가 runway 33에서 KASE로부터 이륙하였다. full throttle/power가 비행기를 가속하는데 더 오래 걸렸지만 정상 속도에서 rotate 하였다.
4. 조종사가 정상 pitch target으로 자세를 잡고, gear를 올렸으며, 상승을 시작하였다.
5. 조종사는 비행기가 원하는 대로 작동하지 않음을 확인하였다. 조종사는 gear가 올라가 있는지를 확인하였다. 그리고 조금 더 많은 출력을 얻기 위해 mixture를 조정하였다.
6. 상승 지형 앞에서 조종사는 점진적으로 pitch를 올렸고 비행기가 감속하기 시작하였다.
7. 비행기가 상승을 중단하였다.
8. stall horn이 울리기 시작하였다.
이는 가상의 시나리오이다. 허나 비극적으로 종료된 이와 유사하게 사건들이 있었다.
이 시나리오에서 비행기는 의도치 않은, 그리고 되돌릴 수 없는 감속 및 침하율을 직면하였다. 이는 전형적인 power curve를 통해[그림 4-14], 그리고 energy map를 통해[그림 4-15] 두 가지 방법으로 나타낼 수 있다:
비행기의 power required curve와 power available curve에서 비행기는 1번 속도(A: power available이 power required보다 큰 지점)로 상승하여 2번(비행기가 상승을 중단하는 속도. B: power available이 power required와 동일한 지점), 그리고 3번(stall horn이 울리는 속도. C: power available이 power required보다 적은 지점)으로 감속한다[그림 4-14]. energy map은 기계적 에너지의 관점에서 동일한 내용을 나타낸다[그림 4-15]: 비행기는 1번 지점(Ps > 0)에서 상승하여 2번(비행기가 상승을 중단하는 지점. Ps = 0), 그리고 3번(stall horn이 울리는 속도. Ps < 0)으로 감속한다.
그렇다면 이 상태를 회복하기 위해 조종사는 무엇을 해야 하는가? 답은 올바른 에너지 관리이다. energy map 상 비행기가 상승을 다시 시작할 수 있는 위치로 비행기가 이동해야 한다. 그렇다면 이는 무엇을 의미하는가?
• 이는 그림 4-12의 desired altitude • cautions when very slow 상황과 유사하다.
• 조종사는 직관적인 행동을 수행해선 안 된다. full throttle을 적용하였을 시 상승 성능을 향상하기 위해 초반에는 약간의 고도를 희생하여 증속하는 것을 고려한다.
• Ps > 0인 대기속도로 가속하였다면 다시 상승을 시작할 수 있다.
이러한 회복 시나리오는 그림 4-16의 energy map에 나타나 있다. 이는 의도치 않은, 그리고 위험한 deceleration and/or sink rate를 회복하는데 있어 elevator의 중요한 역할을 보여준다(Additional Role for the Elevation 참조).
약간의 고도를 희생하여 비행기를 증속해야 한다(3번 지점(Ps < 0)에서 4번 지점(Ps > 0)으로 이동). 그런 다음 원하는 target airspeed와 target altitude로 5번 지점을 향해 정속 상승을 시작할 수 있다[그림 4-16]. 상승 지형을 위한 target climb airspeed는 VX(speed for best angle of climb)일 수 있음을 유념한다. 비록 VX는 VY(speed for best rate of climb)보다 약간 느리지만 더 깊은 상승 각도를 만들어낸다. 의도치 않은 대기속도 손실로부터 회복된 다음 VX로 상승하기 시작하였다면 조종사는 상황을 분석한 다음 차후의 위험을 완화하기 위한 결정(계속하여 상승할지, 혹은 다른 무언가를 수행할지)을 내려야 한다. 의도하는 경로 상에서 상승 지형을 안전하게 회피할 성능이 부족한 경우 조종사는 다른 선택지를 수행할 수 있다: 180도 선회를 한 다음 출항 공항에 착륙한다. 그리고 온도와 밀도 고도 조건이 개선되기 전까지 기다린다.
이러한 상승 지형 시나리오는 irreversible deceleration and/or sink rate의 위험을 보여주는 하나의 예시일 뿐이다. 의도치 않은 기계적 에너지 고갈은 다양한 상황에서 발생할 수 있음을 조종사는 인지해야 한다(특히 낮은 고도에서 energy envelope의 low-speed edge에 접근할 때. 즉, available specific excess power(Ps)가 0일 때). 그 예시로는 불안정한/저속 접근, go-around 도중 gear 및/혹은 flaps를 올리는 것을 잊어 발생한 높은 항력, 그리고 장주 패턴 도중 steeper-than-normal turns가 포함된다. irreversible sink rates가 반드시 임계 받음각을 초과하여 실속과 스핀을 초래하지는 않음을 유의한다. energy envelope의 high-speed edge(available specific excess power(Ps)가 0일 때) 근처에서 비행기는 실속에 빠지지 않으나 여전히 unrecoverable sink rates를 경험할 수 있다. 두 가지 예시로는 잘못 수행된 steep level turns 이후의 high-speed steep spirals, 그리고 지면 근처에서의 high-speed dives가 있다.
특정 비행 조건에서 의도치 않은 negative specific excess power를 경험하는 경우 조종사는 신속한 회복, 그리고 적절한 후속 조치를 허용하는 에너지 관리를 사용해야 한다.
비행기의 에너지 상태와 관련하여 altitude target과 airspeed target을 계획, 모니터링, 그리고 제어하는 절차. 이 정의는 기계적 에너지(고도와 대기속도)와 연관되어 있으며 에너지 관리의 안전성(비행 제어)을 다루고 있음을 유의하라. 이는 연료를 통해 엔진이 기계적 에너지를 얼마나 효율적으로 생성하는지, 그리고 이 에너지를 airframe이 얼마나 효율적으로 사용하는지와 관련된 에너지 관리의 효율성(항공기 성능)을 다루지는 않는다.
Energy System
비행기는 개방된 에너지 시스템이다. 이는 비행기가 어떤 원천(예를 들어 연료)으로부터 에너지를 얻을 수 있으며 환경(예를 들어 주변 공기)으로부터 에너지를 잃을 수 있음을 의미한다. 또한 고도와 대기속도로 저장된 총 기계적 에너지에 에너지가 더해지거나, 혹은 감해질 수 있다.
Total Mechanical Energy
고도 에너지(위치 에너지)와 대기속도 에너지(운동 에너지)의 총 합.
Kinetic Energy
대기속도로 인한 에너지의 양. 이는 1/2mV²으로 표현된다(m=비행기의 무게, V=대기속도).
Potential Energy
고도로 인한 에너지의 양. 이는 mgh로 표현된다(m=비행기의 무게, g=중력 상수, h=고도).
Energy State
비행기의 총 기계적 에너지, 그리고 이러한 에너지의 분배(고도/대기속도).
Energy Exchange
한 가지 형태의 에너지(예를 들어 고도)를 다른 형태의 에너지(예를 들어 대기속도)로 교환하는 것.
Energy Balance Equation
비행기를 오가는 기계적 에너지의 순 변화(추력-항력의 함수)는 총 기계적 에너지의 변화(고도와 대기속도의 함수)와 항상 동일하다. 이는 비행 도중 연료가 점차 연소됨에 따라 항공기 무게가 감소하여 총 기계적 에너지가 장기적으로 변화되는 것을 다루지는 않는다.
Power Available
특정 속도에서의 최대 available engine thrust로 인한 에너지 증가율. 이는 TV로 표현된다(T=엔진 추력, V=대기속도). 이는 일반적으로 horsepower, foot-pound per minute, 혹은 foot-pound per second로 측정된다.
Power Required
특정 속도에서의 총 항력으로 인한 에너지 감소율. 이는 DV로 표현된다(D=총 항력, V=대기속도). 이는 일반적으로 horsepower, foot-pound per minute, 혹은 foot-pound per second로 측정된다.
Specific Excess Power(Ps)
에너지 변화율(특정 비행 조건에서 비행기가 상승, 혹은 가속하는 능력)을 나타낸다. 이는 feet per minute, 혹은 feet per second로 측정된다. available specific excess power는 power available과 power required의 차이를 비행기 무게로 나눔으로써 구해진다.
Energy Height or Total Specific Energy(Es)
단위 무게 당 비행기의 총 에너지를 나타낸다. 이는 고도 단위(예를 들어 feet)로 측정된다. 이는 운동 에너지와 위치 에너지의 합을 비행기 무게로 나눔으로써 구해진다. 또한 이는 모든 속도를 고도로 바꾸었을 때 비행기가 고달하는 최대 고도를 나타낸다.
Energy Error
에너지 관점에서 고도 및/혹은 대기속도가 target으로부터 벗어나는 것. 비행기의 총 에너지, 그리고 이 에너지의 분배(고도/대기속도)에 따라 에너지 오차는 총 에너지 오차(total energy errors), 에너지 분배 오차(energy distribution errors), 혹은 이 두 오차의 조합으로 분류된다.
Total Energy Error
기계적 에너지의 총 양이 정확하지 않은 에너지 오차이다. 의도하는 altitude-speed profile에 비해 총 에너지가 너무 많거나 너무 적다. 이 경우 조종사는 고도와 대기속도가 동일한 방향(예를 들어 higher and faster, 혹은 lower and slower)으로 벗어나는 것을 확인할 것이다. glide slope 위에 있으며 빠른 속도로 최종 접근 중이 비행기가 그 예시이다.
Energy Distribution Error
총 기계적 에너지는 정확하지만 의도하는 altitude-speed profile에 비해 위치 에너지(고도)와 운동 에너지(대기속도) 사이의 분배가 정확하지 않은 에너지 오차이다. 이 경우 조종사는 고도와 대기속도가 서로 반대 방향(예를 들어 higher and slower, 혹은 lower and faster)으로 벗어나는 것을 확인할 것이다. glide slope 위에 있으며 느린 속도로 최종 접근 중인 비행기가 그 예시이다.
Irreversible Deceleration and/or Sink Rate
불충분한 excess power available, 그리고 지속적인 대기속도 및/혹은 고도 손실로 인한 기계적 에너지의 unrecoverable depletion. 특정 critical AGL altitude 이상에서 이를 회복하지 못한다면 조종사의 조치와 관계없이 비행기가 지면에 충돌한다.
모든 조종사는 에너지 관리자로서 이륙부터 착륙까지 고도 및 대기속도의 형태로 에너지를 관리한다. 원하는 수직 비행경로 및 대기속도 프로파일을 유지하기 위해선, 그리고 기동을 수행하기 위해선 올바른 에너지 관리가 필수적이다. 이는 비행 안전에 있어서도 중요하다. 왜냐하면 에너지 상태를 잘못 관리하면 LOC-I(loss of control inflight), CFIT(controlled flight into terrain), 그리고 접근 및 착륙 사고로 이어질 수 있기 때문이다. 이 장을 통해 조종사는:
1) 기본적인 에너지 관리 개념을 이해한다.
2) 에너지 상태를 관리하기 위한 controls의 역할을 배운다.
3) 잘못된 에너지 상태 관리와 관련된 위험을 식별, 평가, 그리고 완화할 수 있는 능력을 개발한다.
