직선 경로를 편향시키기 위해 항공기에 가해지는 모든 힘들은 구조물에 응력을 가한다. 이러한 힘의 양을 하중 계수라 부른다. 하중이란 항공기에 가해지는 공기역학적 힘과 항공기 총 무게의 비율이다(예를 들어 양력/무게). 예를 들어 3의 하중 계수는 항공기에 가해지는 총 하중이 총 무게의 세배임을 의미한다. 항공기 설계 시 다양한 운영 상황에서 예상될 수 있는 최대 하중 계수가 결정되어야 한다. 이러한 “최대” 하중 계수를 “limit load factors”라 부른다.
항공기는 다양한 category(예를 들어 normal, utility,그리고acrobatic)로 분류되는데 이는 항공기가 견디도록 설계된 하중 계수에 따라 달라진다. 안전상의 이유를 위해 항공기는 구조적 손상 없이 특정 최대 하중 계수를 견딜 수 있도록 설계되어야 한다.
선회 도중 공기역학적 힘의 관점에서 하중이 예상될 수 있다. 안정적인 수평 선회 도중 날개는 항공기의 무게뿐만 아니라 원심력도 지지한다. bank가 깊어짐에 따라 양력의 수평 성분이 증가하고, 원심력이 증가하며, 하중 계수가 증가한다. 만약 하중 계수가 너무 커져서 받음각 증가론 하중이 더 이상 지탱될 수 없다면 실속이 발생한다. 실속 속도는 하중 계수의 제곱근에 비례하여 증가하므로 조종사는 하중 계수가 발생할 수 있는 비행 상황을 알아야 한다. 저속에 수행되는 급선회, 구조적 착빙 축적, 그리고 난기류의 내수직 돌풍은 하중 계수를 심각한 수준으로 증가시킬 수 있다.
비행에 위험이되는 요소들 중 하나는 항공기 착빙이다. 계기 조종사는 착빙이 발생하기 쉬운 조건을 알고 있어야 한다. 이러한 조건에는 착빙의 종류, 착빙이 항공기 제어 및 성능에 미치는 영향, 착빙이 항공기 시스템에 미치는 영향, 그리고 항공기 deice 장비와anti-ice 장비의 사용법과 제한사항을 포함한다. 착빙에 대한 대처는 비행 전 계획 도중 시작된다. 이때 조종사는 착빙이 발생할 수 있는 위치를 확인한다. 이륙 전에는 항공기에 얼음이나 서리가 없는지를 확인한다. 기상 상황이 급변할 수도 있으므로 비행 중에는 deice system과anti-ice system을 올바르게 관리해야 한다.이때 조종사는 비행 계획서의 변경이 필요한 시점을 인지할 수 있어야 한다.
구조적 착빙이란 항공기 외부에 얼음이 쌓이는 것을 말한다. 과냉각 물방울이 항공기 구조와 표면에 부딪혀서 얼면 얼음이 형성된다. 작거나 좁은 물체에는 물방울이 모이기 좋으며 제일 빠르게 얼음이 생성된다. 때문에 조종사의 시야에 들어오는 작은 돌출부가 “ice evidence probe”로 활용될 수 있다. 이러한 부분은 보통 상당한 양의 얼음이 제일 먼저 형성되는 곳들 중 하나이다. 항공기의 꼬리날개는 주날개보다 기류에 대해 더 얇은 표면을 내놓기 때문에 물방울이 모이기 더 좋다.
Induction Icing
흡입 계통 내의 얼음은 연소에 사용되는 공기의 양을 줄일 수 있다. 왕복 엔진의 경우 가장 일반적인 예시는 기화기 착빙이다. 대부분의 조종사들은 이러한 현상에 익숙하다. 습한 공기가 기화기 벤투리를 통과하여 냉각되면 기화기 착빙이 발생한다. 이로 인해 venturi walls와 throttle plate에 얼음이 형성되서 엔진으로 향하는 공기 흐름이 제한될 수 있다. 기화기 착빙은 -7°C(화씨20도) ~ 21°C(화씨 70도)에서 발생할 수 있다. 이 문제는 carburetor heat을 통해 해결된다. carburetor heat는 엔진의 배기가스를 열원으로 사용하여 얼음을 녹이거나 얼음 형성을 방지한다. 연료 주입식 항공기의 경우에는 이러한 착빙에 덜 취약하다. 허나 엔진의 air source가 얼음으로 막히게 되면 영향을 받을 수 있다. 정상 시스템이 작동하지 않을 때를 위하여 제조업체는 alternate air source를 제공한다.
(출처: PHAK)(출처: DA40NG AFM)
터보제트 항공기의 경우엔진으로 흡입되는 공기가 inlet 쪽에 압력 감소 영역을 형성하는데이는 주변 공기보다 낮은 온도를 만들어낸다.착빙이 발생할 수 있는 조건이라면 이러한 온도 감소로 인해 엔진 inlet에 얼음이 형성될 수 있으며이는 결국 엔진으로 향하는 공기흐름을 방해한다. 또 다른 위험은 얼음이 부서져서 엔진에 유입될 때 발생한다. 이는 fan blades 손상, engine compressor stall, 혹은 combustor flameout을 일으킬 수 있다. anti-icing systems가 사용되는 경우에는 runback water가 inlet의 unprotected surfaces에서 다시 얼 수 있다. 이것이 과도해지면 엔진으로 유입되는 공기 흐름이 감소하거나, 혹은 compressor blade나 fan blade가 진동하는 방식으로 공기 흐름이 왜곡돼서 엔진이 손상될 수 있다. 터빈 엔진의 또 다른 문제는 engine probes가 어는 것이다. engine probes(예를 들어engine inlet temperature probe나 engine pressure ratio(EPR) probe)는 출력을 설정하는데 사용된다. 이러한 장비가 얼면 엔진 계기에 잘못된 값이 표시될 수 있다.
착빙의 유형은 얼음의 구조와 모양에 따라 clear, rime, 혹은 mixed로 분류될 수 있다. 착빙의 유형은 착빙이 형성되는 대기 조건과 비행 조건에 따라 달라진다. 상당한 구조적 착빙이 형성되면 항공기 제어와 성능에 심각한 문제가 발생할 수 있다.
Clear Ice
과냉각수가 비교적 느리게 얼면 맑은 착빙이 형성된다. 이러한 얼음은 광택이 나며 투명하다. [그림 4-17] “clear”와 “glaze”라는 용어는 본질적으로 동일한 유형의 착빙에 사용된다. 이러한 유형의 착빙은 거친 착빙보다 밀도가 높고 단단하며 더 투명하다. 맑은 착빙의 양이 많아지면 “horns”의 형태를 이룰 수 있다. [그림 4-18] 빙점에 가까운 온도, 많은 양의 물, 높은 항공기 속도, 그리고 큰 물방울은 맑은 착빙이 형성되는 것을 돕는다.
Rime Ice
과냉각 물방울이 항공기에 부딪혀서 매우 빠르게 얼면 거친 착빙이 형성된다. 이러한 얼음은 거칠고, 우윳빛깔이며, 불투명하다. [그림 4-19] 거친 착빙은 급속한 결빙으로 인해 얼음 내에 공기주머니를 형성한다. 이로 인해 얼음이 불투명한 모습을 보이며 다공성이고 부서지기 쉽다. 거친 착빙의 양이 많아지면 얼음이 날개를 따라 유선형으로 연장될 수 있다. 낮은 온도, 적은 양의 물, 낮은 속도, 그리고 작은 물방울은 거친 착빙이 형성되는 것을 돕는다.
Mixed Ice
혼합 착빙은 맑은 착빙과 거친 착빙이 동일한 표면에 형성된 것이다. 공기역학적 관점에서 가장 중요한 것은 얼음의 모양과 거칠기이다.
General Effects of Icing on Airfoils
구조적 착빙의 가장 위험한 측면은 공기역학적 영향이다. [그림 4-20] 얼음은 에어포일의 모양을 변화시켜서 최대 양력 계수와 임계 받음각을 감소시킨다. 낮은 받음각에서는 양력 계수에 대한 얼음의 영향이 거의 없을 수 있다. 따라서 낮은 받음각으로 순항할 때에는 날개의 얼음이 양력에 거의 영향을 미치지 않을 수 있다. 허나 얼음은 최대 양력 계수와 임계 받음각을 훨씬 낮아지게 만든다는 것을 유념하라. 따라서 접근을 위해 속도를 늦추고 받음각을 증가시킬 때 조종사는 순항 도중 양력에 거의 영향을 미치지 않았던 날개의 얼음이 낮은 받음각과 높은 속도에서 실속을 발생시키는 것을 확인할 수 있다. 설령 날개 앞전의 얼음이 얇다 하더라도실속 속도를 높이는데 상당한 영향을 미칠 수 있다(특히 그 얼음이 거친 경우). 만약 날개 앞전의 얼음이 커지면 낮은 받음각에서도 양력이 감소할 수 있다(특히 얼음이 horns 형태인 경우). 축적된 얼음은 날개의 항력 계수에 영향을 미친다. [그림 4-20] 이 영향은 심지어 매우 작은 받음각에서도 상당하다는 것을 주목한다.
최대 양력 계수와 임계 받음각의 감소는 비교적 작은 얼음으로 인해서도 발생할 수 있다. 최대 양력 계수가 약 30% 감소하는 것은 드문 일이 아니다. 큰 horn 모양 착빙에서는 최대 양력 계수가 40 ~50% 감소될 수 있다. 항력은 착빙이 증가함에 따라 꾸준히 증가하는 경향을 나타낸다. 에어포일 항력이 100% 증가하는 것은 드문 일이 아니다. 큰 horn 모양 착빙에서는 항력이 200% 이상 증가할 수 있다.
에어포일 착빙은 이 곡선에 표시되지 않은 또 다른 영향을 미칠 수 있다. 에어포일이 실속에 빠지기 전에 에어포일 윗면의 압력에 변화가 있을 수 있으며이는 뒷전의 조종면에 영향을 미칠 수 있다. 또한 대부분의 항공기 날개는 이륙, 접근, 그리고 착륙 도중 세 개 이상의 에어포일로 이루어진 multi-element airfoils이다.착빙은 각 에어포일에 서로 다른 방식으로 영향을 미칠 수 있다. 또한 착빙은 공기 흐름이 에어포일들의 윗면에서 상호 작용하는 방식에도 영향을 미칠 수 있다.
(multi-element airfoils의 예시)
착빙으로 인해 조종면이 부분적으로 제한될 수도 있으며 이로 인해 조종면의 움직임이 비효율적이게 될 수 있다. 또한 과도한 착빙으로 인해 무게가 너무 많이 증가하면 항공기가 이륙하지 못할 수도 있으며만약 비행 중이라면 항공기가 고도를 유지하지 못할 수 있다. 따라서 비행을 수행하기 전에 얼음이나 서리를 제거해야 한다.
구조적 착빙의 또 다른 위험은 uncontrolled roll phenomenon(roll upset이라고도 불림)으로 이는 severe icing과 연관되어 있다. severe icing은 항공기의 icing envelope가 초과되는 상황이므로 known icing conditions를 비행할 수 있도록 증명된 항공기의 조종사는 이를 인지해야 한다. roll upset은 공기역학적 실속으로 인해 발생할 수 있으며이는 ailerons의-self deflection을 발생시켜서 roll 조작 특성을 저하시킨다. [그림 4-21] 이러한 현상은 얼음 축적으로 인한 일반적인 증상이나 공기역학적 실속 없이도 발생할 수 있다.
(출처: FAA AIM)
(출처: AC 91-74B)
대부분의 항공기 날개로부터nose-down pitching moment를 가지고 있다. 왜냐하면 CG가CP보다 앞에 있기 때문이다. 이러한 모멘트에 대응하여 아래쪽으로 향하는 힘을 제공하는 것이 꼬리날개의 역할이다. [그림 4-22] 때문에 날개를 실속으로부터 멀어지게 하는 조작들(예를 들어 flaps를 사용한 경우, 혹은 증속한 경우)은 꼬리날개의 negative AOA를 증가시킬 수 있다. 꼬리날개에 착빙이 발생하였을 때 full flap이나partial flap이 사용되면 꼬리날개가 실속에 빠질 수 있다. [그림 4-23]
보통 꼬리날개는 주날개보다 얇기 때문에 얼음이 더 잘 쌓인다. 대부분의 항공기에서 조종사는 꼬리날개를 볼 수 없다. 때문에 조종사는 deicing system을 통해 착빙이 얼마나 잘 제거되었는지 확인할 수 없다. 그러므로 조종사는 tailplane stall의 가능성을 주의해야 한다(특히 접근 및 착륙 도중).
Piper PA-34-200T(Des Moines, Iowa)
이 사고는 1996년 1월 9일에 발생하였다. 조종사가 활주로 시단을 통과한 후 flaps를 25도로 낮추었을 때 비행기 기수가 낮아지기 시작했다. 조종사는 즉시 flaps를 올리고 출력을 증가하였지만 비행기는 이미 통제가 불가능한 상태였다. 항공기는 활주로 중심선에 부딪히고 1,000ft 정도를 미끄러진 후에 정지하였다. 이 사고로 인해 유일한 탑승자였던 조종사가 중상을 입었다.
잔해를 조사한 결과 수평 안정판의 좌우 앞전과 수직 안정판의 앞전을 따라 약 0.5인치의 거친 착빙이 확인되었다.
조종사가 비행기의 deicing system을 사용하지 않아서 꼬리날개에 얼음이 축적되었으며 이로 인해 tailplane stall이 발생했다고 National Transportation Safety Board(NTSB)는 추정하였다. 이 사고와 관련된 요인은 조종사가 known icing conditions를 향하여 의도적으로 비행한 것이다.
Tailplane Stall Symptoms
다음 징후들 중 하나 이상이 발생하였다면 tailplane icing이 의심될 수 있다:
∙ elevator 조종간의 진동.
∙ 비정상적인 nose-down trim 변화.
∙ 기타 비정상적인 pitch 변화(이로 인해 pilot induced oscillations가 발생할 수 있음).
∙ elevator 효율성의 감소.
∙ elevator 압력의 갑작스러운 변화(이를 막지 않으면 조종간이 nose-down으로 움직임).
∙ 갑작스런 nose-down pitch.
위의 징후들 중 하나 이상이 발생하였다면 조종사는 다음을 수행해야 한다:
∙ flaps를 즉시 이전 상태로 되돌리고 적절한 nose-up elevator 압력을 가한다.
∙ flap 설정에 알맞게 속도를 높인다.
∙ 항공기 외장 및 상황에 맞는 충분한 출력을 적용한다. (일부 항공기에서는 높은 엔진 출력이 tailplane stall에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 출력 설정과 관련된 제조업체의 권장 사항을 준수한다.)
∙ 상황이 허용한다면 기수를 천천히 아래로 내린다.
∙ 공압식 deicing system을 갖추고 있다면 시스템을 여러 번 작동하여 꼬리날개의 착빙을 제거한다.
tailplane stall이 발생한 후에 대기속도가 증가하면 실속 상황이 악화되는 경향이 있다. 또한 똑같은 flap 설정에서 출력이 증가하는 경우에도 실속 상황이 악화될 수 있다. 어떤 flap 설정에서든 꼬리날개의 착빙이 제거되지 않은 상태에서 제조업체의 권장 속도가 초과되면 tailplane stall이 발생할 수 있다. tailplane stall은 maximum flap extended speed(VFE)보다 낮은 속도에서도 발생할 수 있다.
Propeller Icing
프로펠러 블레이드에 얼음이 쌓이면 추력이 감소한다. 이는 날개에 얼음이 쌓였을 때 양력이 줄어들고 항력이 증가하는 것과 같은 공기역학적 이유 때문이다. 가장 많은 양의 얼음은 보통 spinner와 프로펠러 내부 반경에 쌓인다. 얼음이 쌓인 후 엔진으로 유입될 수 있는 프로펠러 영역에서는 보통 deice 대신 anti-ice가 사용된다.이는 축적된 얼음이 엔진으로 흡입될 가능성을 줄이기 위함이다.
Effect of Icing on Critical Aircraft Systems
조종사는 착빙에 취약한 항공기 시스템을 알고 있어야 한다. 이러한 시스템의 예로는 flight instruments, stall warning systems, 그리고 windshields가 있다.
Flight Instruments
다양한 항공기 계기들(예를 들어 속도계, 고도계, 그리고 VSI)은 작동을 위해 pitot tubes와 static ports의 압력을 이용한다. 이 장치들이 얼음으로 뒤덮이면 계기들이 잘못된 정보를 표시하며 이로 인해 비행이 위험해질 수 있다. 이러한 계기들의 작동 방법과 착빙의 영향에 대한 자세한 내용은 Chapter 5, Flight Instruments에 나타나 있다.
Stall Warning Systems
실속 경고 시스템은 조종사에게 중요한 정보를 제공한다. 이러한 시스템은 정교한 stall warning vane부터 간단한 stall warning switch까지 다양하다. 착빙은 이러한 시스템에 다양한 방식으로 영향을 미쳐서 실속 경고가 발생하지 않도록 만들 수 있다. 이러한 시스템이 손실되면 이미 위험한 상황이 더 악화될 수 있다. 설령 실속 경고 시스템이 정상 작동중이라 해도 에어포일의 얼음으로 인해 날개가 더 낮은 받음각에서 실속에 빠지므로 시스템이 효율적이지 못할 수 있다.
Windshields
조종실 창문에 얼음이 쌓이면 조종사의 시야가 심하게 제한될 수 있다. known icing conditions를 비행할 수 있는 항공기는 일종의 windshield anti-icing을 갖추고 있다. 이는 비행 중 착빙이 발생하였을 때 조종사가 항공기 바깥을 바라볼 수 있게 만든다. 이러한 시스템들 중 하나는 windshield에 전기 가열판을 설치하여 조종사에게 좁은 시야를 제공한다. 또 다른 시스템은 windshields에deicing fluid를 분사하여 얼음이 형성되는 것을 방지한다. high performance aircraft의 경우에는 조류 충돌을 방지하기 위해,그리고 여압으로 인한 부하을 견디기 위해 복잡한 windshields를 필요로 한다. 이러한 항공기에서는 전류가 흐르는 발열체(전도성 필름이나 얇은 와이어 가닥)가 사용되며 이는 windshields를 가열하여 얼음이 형성되는 것을 방지한다.
(출처: AOPA)(출처: Boldmethod)
Antenna Icing
안테나는 항공기의 표면과 수평을 이루지 않으며 그 크기가 작기 때문에 얼음이 빠르게 축적된다. 또한 안테나에는 보통 anti-icing 기능이나deicing 기능이 없다. 안테나에 얼음이 쌓이면 안테나가 진동하기 시작하거나 무선 신호가 왜곡될 수 있으며 안테나가 손상될 수 있다. 만약 얼어붙은 안테나가 부서지면 항공기의 다른 부분이 손상될 수 있으며 교신 시스템이나 항법 시스템에 문제가 발생할 수 있다.
얼음이 축적된 항공기는 많은 사고에 연루되어 왔다. 이륙 사고는 보통 지상에서 critical surfaces를 제대로 deice(혹은 anti-ice) 하지 못하였을 때 발생하였다. 올바른 deicing procedure와anti-icing procedure는 두 가지 조종사 지침서에서 다뤄진다(AC 120-58, Pilot Guide: Large Aircraft Ground Deicing과 AC 135-17, Pilot Guide: Small Aircraft Ground Deicing).
착빙 조건에서의 비행에 대한 자격이나 장비를 갖추지 않은 항공기의 조종사는 모든 착빙 조건을 피해야 한다. 위에서 언급한 지침서들은 착빙 조건을 피하는 방법을, 그리고 의도치 않게 착빙 조건에 진입하였다면 어떻게 빠져나가는지를 설명한다.
착빙 조건에 대한 자격을 갖춘 항공기는 특정 조건(항공기 증명 도중 평가된 조건)을 안전하게 운항할 수 있다. 허나 결코 착빙을 간과해서는 안 된다. 소량의 거친 착빙을 짧게 마주하여도 매우 위험할 수 있다. 조종사는 착빙 조건에서의 비행에 대한 AFM(혹은 POH)의 모든 정보를 숙지해야 하며 이를 따라야 한다. 특히 중요한 것은 착빙 방지 시스템의 올바른 작동 방법, 그리고 착빙 조건 비행 도중 준수해야 하는 모든 최소 비행 속도이다. 항공기 증명 도중 어떠한 항공기도 평가되지 않는 착빙 조건이 있다(예를 들어 SLD[super-cooled large drops]). 지름이 50 마이크론 이상인 이러한 과냉각 물방울은 구름 내부나 구름 아래에서 발생한다. 이러한 조건을 계속 비행하는 것은 매우 위험할 수 있다. 조종사는 이러한 조건과 연관된 AFM(혹은 POH)의 모든 정보를 잘 알아야 한다. 또한 구름 내에서 이러한 위험 조건을 인지하기 위한 항공기 특유의 단서도 잘 알아야 한다.
이 장은 항공기 착빙의 위험에 대하여 나타낸다. 자세한 내용은 AC 91-74, Pilot Guide: Flight in Icing Conditions, AC 91-51, Effect of Icing on Aircraft Control and Airplane Deice and Anti-Ice Systems, AC 20-73, Aircraft Ice Protection, 그리고 AC 23.143-1, Ice Contaminated Tailplane Stall(ICTS)를 참조한다.
