이 장은 제트엔진 비행기의 운영에 대한 개요를 포함한다. 이 장에 포함된 정보는 제트 비행기 자격 훈련을 위한 정보를 제공한다. 이 장은 제트엔진 비행기로 전환할 때 발생할 수 있는 주요 차이점에 대한 정보를 제공한다. 제트엔진과 피스톤엔진 비행기의 주요 차이점은 몇 가지 영역에서 다루어진다: 공기역학, 시스템, 그리고 조종사 운영 절차의 차이. 비행기에 대한 특정한 정보를 위해서는 해당 비행기의 AFM을 참조해야 한다.
제트 비행기 주위로 향할 때는 각별한 주의가 필요하다. 제트 엔진의 작동 여부를 시각적으로 나타내는 프로펠러가 없다. 제트 엔진은 idle 상태에서도 위험하기 때문에 의도치 않게 위험에 빠지기 쉽다. 근처의 사람을 fan으로 끌어들일 수 있을 만큼 충분한 공기가 intake로 빨려 들어가고 있다. exhaust에서 나오는 공기는 매우 뜨거우며 사람을 날려버릴 정도로 빠르다.
제트엔진 비행기를 조종하는 조종사들은 taxi 도중, 그리고 이동을 위해 출력을 가할 때 주의를 기울여야 한다. 너무 많은 출력은 지상의 잔해들을 끌어올리거나, 혹은 후방의 항공기에 손상을 입힐 수 있다. 주기장으로 taxi 할 때 jet blast는 느슨한 지상 장비에 영향을 미칠 수 있다.
제트엔진은 기본적인 작동 주기(흡입, 압축, 연소, 폭발, 그리고 배기)를 가지는 가스 터빈이다. 공기는 intake를 통과하여 압축기(compressor)로 진입한다. 압축기는 일련의 fan blades(혹은 “stages”)로 구성된다. 엔진의 전면에서 보이는 첫 번째 stage는 직경이 가장 크며 블레이드가 가장 크다. 이후의 stage들은 각각 더 작은 직경을, 그리고 더 얇은 블레이드(pitch가 증가하는)를 가진다. 각 stage의 압축은 공기의 온도 및 압력을 상승시킨다. 고압의 뜨거운 공기가 연소실로 진입한다. 연소실에서는 연료가 첨가된다. 엔진 시동 도중 igniters가 연료-공기 혼합물에 불을 붙이며 그 이후에는 불이 자체적으로 유지된다. 급속하게 팽창하는 공기는 터빈을 통과한다. 터빈은 압축기와 마찬가지로 일련의 fan blade stages로 구성된다. 터빈은 공기흐름으로부터 에너지의 일부를 추출한다. 이는 압축기를 구동하는 축을 회전시키기 위함이다. 남은 에너지는 tail pipe의 노즐에서 급격한 공기 팽창을 일으키고, 가스를 고속으로 가속시키며, 추력을 생산한다. [그림 16-1]
터보팬 엔진의 첫 번째 stage는 ducted fan으로 이는 engine core 주위의 공기 일부를 우회시킨다. 이러한 차가운 bypass air는 추력의 일부를 생산한다. 연소를 위해 압축된 공기에 대한 bypass air의 양이 터보팬의 bypass ratio를 결정한다. 터보팬 엔진에서 압축기와 터빈은 하위 섹션으로 나뉜다. 터빈의 각 하위 섹션은 split-spool shaft를 통해 압축기의 특정 하위 섹션과 연결된다. [그림 16-2]
gas generator를 위해 엔진으로 유입되는 공기는 더욱 압축되어 core의 공기흐름을 구성한다. 터보제트 엔진은 gas generator의 출력 전체를 사용하여 고속 배기가스 형태의 추력을 생성한다. 반면 터보팬은 낮은 속도의 차가운 bypass air를 통해 추력의 일부를 생성한다.
터보팬 엔진은 특히 낮은 속도 및 고도에서 제트 엔진의 추력을 증가시킨다. 터보팬 엔진은 높은 고도에서는 효율성이 떨어진다. 허나 이는 가속을 높이고, takeoff roll을 줄이며, 초기 상승 성능을 향상시키고, 종종 연료소모율을 감소시키는 효과를 가진다.
제트엔진의 연소실로 분사되는 연료의 양이 추력을 제어한다. 대부분의 터보제트/터보팬 비행기에서 엔진 제어 기능은 자동으로 이뤄진다. 따라서 power controls는 엔진 당 하나의 thrust lever로 구성된다. thrust lever는 fuel control 및/혹은 electronic engine computer(이 컴퓨터는 rpm ∙ 내부 온도 ∙ 주위 상태 ∙ 그리고 기타 요인들을 기초로 연료 흐름을 측정함)와 연결된다.
보통 제트 비행기에는 각 주요 엔진 부분의 회전 속도에 대한 조종실 계기가 있다. 각 엔진 부분들은 수천 rpm으로 회전한다. 해석의 용이함을 위해 계기에는 실제 rpm이 아닌 rpm의 백분율이 표시된다. 제조사에 따라 연료 흐름양과 가스 온도 및 압력에 대한 지시가 나타난다. 관련된 엔진 지시들은 그 위치에 따라 이름이 다르다.
온도 한계나 rpm 한계가 몇 초라도 초과되면 터빈 블레이드와 그 외 구성 요소들이 심각한 손상을 입을 수 있다. 조종사는 터빈 가스의 온도와 회전 속도를 모니터링 해야 한다. 최신 항공기는 이러한 한계가 초과되지 않도록, 그리고 초과가 임박하였거나 발생하였음을 조종사에게 알리도록 설계되었다. 오래된 항공기에서는 이러한 한계가 초과되지 않도록 하기 위해 조종사에 더 의존한다.
Setting Power
출력을 설정할 때 조종사는 보통 maximum allowable thrust를 설정하기 위해 압력 지시나rpm 지시를 사용한다. 만약 어떠한 한계(예를 들어 압력, rpm, 혹은 온도)에 도달하였다면 thrust levers 조작을 중단해야 한다.
Thrust to Thrust Lever Relationship
엔진 속도가 높을 때에는 throttle 조작에 의해 추력 값이 크게 변화한다. 출력 설정이 이미 높은 상태일 때 출력 값을 변화시키려면 약간의 throttle 조작만이 필요하다. 허나 엔진 속도가 낮을 때에는 throttle 조작에 의해 추력 값이 크게 변화하지 않는다.이러한 상황에서 출력을 높이기 위해서는 상당한 thrust lever 조작을 부드럽게 수행해야 한다.
Variation of Thrust with RPM
제트엔진은 85% ~ 100% 범위에서 가장 효율적으로 작동한다. idle rpm(대략 55% ~ 60%)에서 제트엔진은 비교적 적은 양의 추력을 생산한다. rpm을 90% ~ 100%로 증가하면 추력이 총 70%만큼 증가할 수 있다. [그림 16-3]
Slow Acceleration of the Jet Engine
피스톤 엔진에서는 idle에서 full power까지의 가속이 비교적 빠르다. 허나 제트엔진에서는 보통 idle에서 full power까지의 가속이 훨씬 느리다. 경우에 따라 full power로 전환하는데 최대 10초가 걸릴 수 있다. [그림 16-4] 낮은 출력 설정일 때 조종사는 출력을 추가해야 할 필요성을 예상해야 한다.
제트 엔진의 효율성은 낮은 온도(즉, 높은 고도)에서 증가한다. 제트엔진의 연료 소모율은 일정한 엔진 rpm 및 TAS(true airspeed)에 대해 외기 온도가 감소함에 따라 감소한다. 따라서 높은 고도를 비행함으로써 비행기는 더 훌륭한 연비 및 속도로 운영된다. 높은 고도에서 엔진은 rpm 한계, 혹은 온도 한계 근처에서 작동할 수 있다. 그리고 excess thrust를 더 이상 이용하지 못할 수 있다. 따라서 조종사는 available thrust, 안정성, 그리고 조종성의 한계 내에서 모든 조종을 수행해야 한다.
프로펠러가 없는 것은 제트엔진 비행기의 작동에 영향을 미친다. 구체적인 영향으로는 propeller slipstream으로부터의 양력이 존재하지 않는 것, 그리고 프로펠러 항력이 존재하지 않는 것을 포함한다.
Absence of Propeller Slipstream
프로펠러는 큰 공기 덩어리를 후방으로 가속시킴으로써 추력을 생성한다. wing-mounted engines의 경우 이 공기가 날개 면적의 많은 부분을 통과한다. 총 양력은 프로펠러 wake의 영향을 받지 않는 날개 영역에서 발생한 양력(비행기 속도로부터의 결과), 그리고 propeller slipstream에 의해 영향을 받는 날개 영역에서 발생한 양력의 합과 같다. 후류 속도를 증감시킴으로써 대기속도 변화 없이도 날개의 총 양력을 증가, 혹은 감소시킬 수 있다. 제트 비행기에는 프로펠러가 없으므로 다음을 유의해야 한다:
1. 출력을 증가해도 양력이 즉시 증가하지 않음.
2. 출력을 증가해도 실속 속도가 감소하지 않음.
제트엔진의 경우 가속이 느리며 순간적인 양력을 생산하는 능력이 부족하다. 따라서 landing configuration, 일정한 속도, 조정된 하강률, 그리고 안정적 출력 설정이 runway threshold를 넘을 때까지 유지되는 stabilized approach가 필요하다. 이는 접근 속도, 혹은 하강률을 약간 변경할 때 엔진 반응이 개선된다. 또한 이는 go-around 성능을 향상시킨다.
Absence of Propeller Drag
piston-powered airplanes에서 throttle을 닫으면 상당한 항력이 발생하여속도나 고도가 즉시 감소한다. 그러나 제트 엔진을 idle로 감소하였을 때에는 이러한 항력 효과가 발생하지 않는다. 사실 idle 출력 설정에서도 제트 엔진은 여전히 전진 추력을 생성한다. 이는 특정 descent profiles에서 장점이 될 수 있다. 허나 속도를 빠르게 줄여야 할 때에는 핸디캡이 된다. 프로펠러 항력이 없는 것, 그리고 제트 항공기의 airframe이 공기역학적으로 clean한 것은 대부분의 조종사들에게 새로울 것이다. 따라서 비행기의 속도를 늦추는 것은 제트엔진으로 전환하는 조종사들이 직면한 초기 문제들 중 하나이다. idle 출력으로 수평비행 도중 10노트의 대기속도가 감소하는데 약 1마일이 걸린다.
제트 비행기의 최대 속도는 두 가지 방법으로 표현되며항상 비행기의 maximum operating speed를 규정한다(이는 피스톤 비행기의 VNE와 유사함). 제트 비행기의 최대 속도는 다음과 같다:
∙VMO – 노트단위로 표시된 maximum operating speed.
∙MMO – 마하수(음속에 대한 진대기속도의 비율)로 표시된 maximum operating speed.
마하수는 음속에 대한 진대기속도의 비율을 의미한다. 음속은 온도에 따라 달라진다. 낮은/따뜻한 고도에서는 음속이 너무 높기 때문에 항공기의 속도가 대기 속도로 제한된다. 높은/차가운 고도에서는 음속이 낮기 때문에 항공기의 속도가 마하수로 제한된다. VMO와 MMO를 확인하기 위해 제트 비행기에는 airspeed indicator와 Mach indicator가 둘 다 필요하다. 대부분의 제트 비행기에서는 이들이 하나의 화면에 결합된다.
이 화면은 '"barber pole"이 추가되는 것 말고는 기존의 속도계와 매우 유사하다. barber pole은 항상 적절한 속도 한계가 표시되도록 자동으로 움직인다. [그림 16-5]
제트 비행기는 속도 한계를 쉽게 초과할 수 있다. 속도 한계가 초과되면 제트 비행기의 조작 특성이 상당히 변할 수 있다.
아음속 비행을 위해 설계된 고속 비행기는 음속 미만의 마하수로 제한된다. 비행기 속도가 마하 1.0보다 훨씬 낮을 때에도 충격파(shock waves)가 발생할 수 있다. 날개를 통과하는 공기 흐름 중 일부가 마하 1.0에 도달하였을 때의 마하수를 MCR(critical Mach number)이라 부른다.
critical Mach number까지 공기 속도가 가속하는 것과 관련해서는 특별한 문제가 없다. 허나 공기 속도가 다시 아음속으로 되돌아오는 지점에서 충격파가 형성된다. 공기 속도가 증가할수록 충격파가 날개 뒤로 이동하며 더 강해진다. 충격파가 충분히 발달하면 그 뒤에서 흐름 분리가 발생한다. [그림 16-6]
비행기 속도가 MMO를 초과하면 흐름 분리로 인해 심각한 buffeting이 발생할 수 있으며 loss of control이나 “upset”으로 이어질 수 있다. 충격파로 인한 양력 중심의 변화로 인해 비행기 pitch가 변화할 수도 있다.
속도가 증가하여 충격파가 뒤로 이동함에 따라 날개의 양력 중심이 뒤로 이동한다. 이는 nose-down tendency나“tuck”을 발생시킨다. mach tuck은 점진적으로 발달한다. 따라서 항공기의 급강하를 막을 수 없을 만큼 elevator authority가 충분하지 않은 상태로 진행되지 않도록 주의해야 한다. 조종사는 극심한 nose-down forces가 시작되기 전에 과도한 대기속도, buffeting, 혹은 경고 장치에 대응해야 한다.
높은 고도/높은 마하수 비행의 중요한 측면으로 인해 마하수 범위를 운영할 수 있는 대부분의 제트 비행기는 일종의 automated Mach tuck compensation을 사용한다. 만약 시스템이 작동하지 않으면 비행기는 보통 reduced maximum Mach number로 제한된다.
충격파 뒤쪽의 날개 윗면에서 기류가 분리되면 mach buffet이 발생한다. 충격파 앞쪽의 공기 속도가 증가할수록 충격파의 강도는 증가한다(단, 다른 모든 조건들이 동일한 경우). mach buffet은 비행기 전진 속도의 함수가 아니라 날개 위 공기 속도의 함수이며 흐름 분리는 실속이 아니라 충격파에 의해 발생한다.
순항 도중 mach buffet은 두 가지 조건으로 인해 발생할 수 있다. 고속 순항 도중에는 날개 윗면의 기류가 빨라지면서 강력한 충격파로 인해 buffet이 발생한다. 저속 순항 도중에는 공기가 날개의 윗면을 따라가기 위해 더 크게 돌아야 한다. 이를 위해 공기 속도가 빨라지면 날개 윗면에서 마하 1이 초과될 수 있다.
충격파의 위치는 두 상황에서 다르다. 고속 및 낮은 받음각에서는 충격파가 뒤로 이동하는 경향이 있다. 따라서 충격파 뒤에서 분리된 흐름은 작은 범위의 시위선에서 작용한다. 분리된 흐름이 조그마한 표면적에 작용하는 경우에는 약간의 윙윙거리는 소리가 발생할 수도 있다. 저속 순항 도중에도 진대기속도는 여전히 높다. 허나 충격파는 고속 순항만큼 뒤로 이동하지 않는다. 충격파 뒤에서 분리된 흐름은 많은 범위의 시위선에서 작용하여 항공기 제어에 큰 영향을 미친다.
MMO로 비행하는 비행기가 받음각을 증가하였을 때 buffet을 경험하였다면 해당 고도는 absolute ceiling(혹은 aerodynamic ceiling)이다. 이 고도는 다음과 같다:
∙ 여기서 비행기가 더 빠르게 비행하면 MMO가 초과되서 high-speed Mach buffet으로 이어질 것이다.
∙ 여기서 비행기가 더 느리게 비행하면 low-speed Mach buffet으로 이어지는 받음각이 필요할 것이다.
flight envelope의 이 부분은 “coffin corner”라 알려져 있다. buffet은 고도 문제를 알리는 첫 번째 징후일 수 있으므로조종사들은 적절한 대응을 위해 buffet의 원인을 파악해야 한다.
(출처: boldmethod)
(출처: youtube/flight-club)
하중 계수(G factor)가 증가하면 low-end buffet speed가 증가한다. 예를 들어 51,000ft에서 마하 0.73으로 비행하는 제트 비행기가 1.4G를 경험하면 low-speed buffet을 맞이할 수 있다. 따라서 기동과 난기류에 대해 충분한 여유를 제공하는 최대 순항 고도 및 속도를 선택해야 한다. 조종사는 특정 비행기에 대한 제조업체의 recommended turbulence penetration speed를 알아야 한다. 이 속도는 보통 high-speed buffet와 low-speed buffet 사이에서 가장 큰 여유를 제공한다.
