FAA는 항공기, 항공기 엔진, 프로펠러, 혹은 장비에서 안전하지 못한 조건이 발생한 경우, 그리고 동일한 설계의 다른 제품에서도 이와 같은 조건이 존재할 가능성이 있는 경우 이를 수정할 것을 요구한다. 안전하지 않은 상태는 설계 결함, 정비, 혹은 그 외의 원인으로 인해 존재할 수 있다. 감항성개선지시서(AD – Airworthiness Directives)는 필수적 수정 조치를 수행해야 하는 관리자의 권한 및 책임을 규정한다(14 CFR, part 39). AD는 항공기 소유자 및 기타 이해관계자에게 안전하지 않은 상태를 통지하기 위해, 그리고 제품이 계속 운영될 수 있는 조건을 명시하기 위해 사용된다. AD는 두 가지 종류로 나뉜다:
1. 추가 비행 이전에 즉각적으로 준수해야 하는 긴급한 특성의 AD
2. 지정된 기간 내에 준수해야 하는 덜 긴급한 특성의 AD
AD는 규제력을 지니고 있다. 이는 특별한 면제가 승인되지 않는 한 준수되어야 한다. 모든 관련 AD를 준수하는 것은 항공기 소유자(혹은 운영자)의 책임이다. 여기에는 반복적, 혹은 지속적 조치를 필요로 하는 AD를 포함한다. 예를 들어 AD는 50시간의 운영 시간마다 검사를 요구할 수 있다. 즉, 50시간의 운영 시간마다 특정 검사를 수행 및 기록해야 한다. AD에 특별히 적혀있지 않는 한 AD의 최대 시간 조건을 초과할 수 있는 조항이 없음을 소유자/운영자는 상기해야 한다.
14 CFR, part 91, section 91.417은 해당 AD의 현재 상태를 보여주는 기록을 유지할 것을 요구한다. 많은 항공기 소유자들은 쉬운 참조를 위해 항공기, 엔진, 그리고 프로펠러 정비기록부의 뒷면에 AD의 연대순 목록을 가지고 있다.
모든 AD, 그리고 AD Biweekly는 인터넷에서 무료로 이용 가능하다(http://rgl.faa.gov).개개인은 위의 웹사이트에 이메일 서비스를 등록하여 이용할 수 있다. AD와 AD Biweekly의 Summary를 Superintendent of Documents로부터 구매할 수 있다. Summary에는 이전에 게재된 모든 AD가 포함되어 있으며 이는 두 영역으로 나뉜다. small aircraft and helicopter books에는 small aircraft(maximum certificated takeoff weight가 12,500파운드 이하)에 해당하는 AD, 그리고 helicopters에 해당하는 AD가 수록되어 있다. large aircraft books는 large aircraft에 해당하는 AD가 수록되어 있다.
• 항공기의 감항 상태을 유지해야 한다. 여기에는 AD를 준수하는 것, 그리고 정비가 올바르게 기록되었는지 확인하는 것을 포함한다.
• 항공기의 운영 및 정비에 대한 최신 규정을 준수한다.
• 영구적인 메일 주소 변경, 항공기의 판매나 수출, 혹은 항공기 등록 자격 상실(14 CFR, part 47, section 47.41)에 대해 FAA Aircraft Registry에 즉시 알린다.
• 라디오와 ELT(emergency locator transmitter)를 장비한 항공기가 미국 이외의 지역을 운영할 경우 최신의 무선국 FCC(Federal Communications Commission) 무선국 허가서(radio station license)를 보유해야 한다.
항공기의 AFM/POH 및 문서들(예를 들어 AD)에 대한 지식은 특정 항공기를 안전하게 비행하는데 필요한 정보를 조종사에게 제공한다. 항공기의 운영, 한계, 그리고 성능 특성을 이해함으로써 조종사는 지식에 근거한 비행 결정을 내릴 수 있다. 항공기에 어떤 예방정비가 허용되는지를 학습함으로써 조종사는 항공기의 감항 상태를 유지할 수 있다. 모든 조종사의 목표는 안전함 비행이다. flight manuals와 항공기 문서들은 이러한 목표를 달성하기 위해 사용되는 필수적 도구이다.
항공기(aircraft)는 공중 비행에서 사용되거나, 혹은 사용될 예정인 장치를 의미한다(CFR part 1, Definitions and Abbreviations). 조종사 증명을 위한 항공기의 종류에는 airplane, rotorcraft, glider, lighter-than-air, powered-lift, powered parachute, 그리고 weight-shift control aircraft를 포함한다. 비행기(airplane)는 날개에 대한 공기의 동적 반응을 통해 비행을 유지하는 엔진 구동 고정익 항공기를 의미한다(CFR part 1). 14 CFR part 1에 아직 분류되지 않은 용어로 advanced avionics aircraft가 있다. 이는 moving map display, GPS(global positioning system), 그리고 또 다른 시스템(예를 들어 autopilot)을 갖춘 항공기를 의미한다. 이 장은 항공기의 구조를 간략하게 소개한다.
FAA는 세 가지 유형의 항공 제품을 증명한다: 항공기, 항공기 엔진, 그리고 프로펠러. 각 제품들은 일련의 감항성 표준에 따라 설계되었다. 이러한 표준은 FAA가 발행한 14 CFR의 일부이다. 감항성 표준은 항공 제품들이 안전한 특징을 가지고 설계되기 위하여 개발되었다. 다음과 같은 다양한 종류의 항공 제품에 서로 다른 감항성 표준이 적용된다:
해당 감항성 표준을 준수하는 제품에 대해 FAA는 형식 증명서(TC – Type Certificate)를 발부한다. TC가 발부되면 항공기, 항공기 엔진, 혹은 프로펠러의 중요한 설계 및 운영 특성을 명시하는 TCDS(Type Certificate Date Sheet)가 생성된다.
항공기, 항공기 엔진, 그리고 프로펠러는 설계 도면을 통해, 혹은 FAA가 승인한 제조 절차를 통해 한 번에 하나씩 생산될 수 있다. 제조 공정 도중 각 부품들이 설계에 따라 정확하게 제작되었는지를 검사한다. 이러한 검사를 conformity inspection이라 부른다.
항공기가 완성되면 FAA는 항공기에 대한 감항 증명서를 발부한다. 감항 증명서를 가지고 있다는 것은 완성된 항공기가 설계 및 제조 표준을 만족하며 안전한 비행을 위한 상태에 있음을 의미한다. 이러한 감항 증명서는 모든 비행 운영 도중 항공기에 탑재되어야 한다. 감항 증명서는 항공기에 필요한 유지보수 및 점검이 최신 상태로 유지되는 한 유효하다.
감항 증명서는 “Standard”, 혹은 “Special”로 분류된다. 표준 감항 증명서는 흰색이다. 이는 normal, utility, acrobatic, commuter, 혹은 transport category aircraft에 대해 발부된다.
항공기의 주요 구성 요소와 하위 구성 요소의 작동을 이해하기 위해서는 기본적인 공기역학을 이해하는 것이 중요하다. 이 장은 공기역학을 간략하게 소개한다. 보다 자세한 설명은 Chapter 5, Aerodynamics of Flight를 참조한다.
비가속 직진수평비행과 관련하여 항공기에 네 가지 힘이 작용한다. 이러한 힘들은 추력, 양력, 무게, 그리고 항력이다. [그림 3-1]
추력은 엔진/프로펠러에 의해 생성되는 전진 힘이다. 이는 항력의 힘을 대항하거나 극복한다. 일반적으로 이는 세로축에 평행하게 작용한다.
항력은 뒤로 향하는 retarding force이다. 이는 날개, 동체, 그리고 그 외 돌출된 물체에 의한 공기 흐름 방해 때문에 발생한다. 항력은 추력에 대항하며 상대풍에 평행하게, 그리고 뒤를 향해 작용한다.
무게는 항공기 그 자체, 승무원, 연료, 그리고 화물/수하물의 총 하중이다. 중력으로 인해 무게는 항공기를 아래로 잡아당긴다. 이는 양력에 대항하며 항공기 CG를 중심으로 아래를 향해 수직으로 작용한다.
양력은 무게의 아래로 향하는 힘에 대항한다. 이는 날개에 작용하는 공기의 동적 작용에 의해 생성되며 양력 중심(CL - center of lift)을 중심으로 비행경로에 수직으로 작용한다.
항공기는 3차원으로 움직인다. 그리고 이는 하나 이상의 축을 중심으로 이동하여 제어된다. 세로(혹은 roll)축은 항공기의 기수로부터 꼬리까지 연장되며 이는 CG를 통과한다. 가로(혹은 pitch)축은 wing tips를 통과하는 선이며 이 또한 CG를 통과한다. 수직(혹은 yaw)축은 CG를 교차하여 항공기를 수직으로 통과한다. 조종간 움직임은 항공기가 이러한 축들 중 하나 이상을 중심으로 이동하게 만들어 항공기를 조종할 수 있게 해준다. [그림 3-2]
항공기 설계에 있어 가장 중요한 요소들 중 하나는 CG이다. 이는 항공기의 질량, 혹은 무게의 중심이라고 말할 수 있는 특정 지점이다. 즉, 항공기가 매달릴 경우 상대적으로 수평을 유지할 수 있는 지점이다. 항공기 CG의 위치는 비행 중인 항공기의 안정성을 결정한다. CG가 뒤로(꼬리를 향해) 움직이면 항공기는 점점 동적으로 불안정해진다. CG 앞에 연료 탱크가 위치하는 항공기의 경우 연료 탱크가 비어있는 상태에서 CG를 설정하는 것이 중요하다. 그렇지 않을 경우 연료가 소모됨에 따라 항공기가 불안정해진다. [그림 3-3] CG는 초기 설계 및 제조 도중 계산된다. 이는 장비 설치, 항공기 적재, 그리고 그 외 요인들에 의해 더욱 영향을 받는다.
비행기는 다양한 목적에 대해 설계된다. 허나 대부분의 비행기들은 동일한 주요 구성 요소를 가지고 있다. [그림 3-4] 전반적인 특성은 원래의 설계 목적에 따라 크게 결정된다. 대부분의 비행기 구조들은 fuselage, wings, empennage, landing gear, 그리고 power plant를 포함한다.
Fuselage
fuselage는 비행기의 중심 몸체이다. 이는 승무원, 승객, 그리고 화물을 수용하도록 설계된다. 이는 또한 날개, 그리고 꼬리와의 구조적 연결을 제공한다. 오래된 항공기 설계는 목재, 강철, 혹은 알루미늄 튜브로 구성된 open truss structure를 사용한다. [그림 3-5] 오늘날의 항공기에서 사용되는 가장 일반적인 fuselage 구조는 monocoque와 semimonocoque이다. 이는 이 장의 뒷부분에서 더 자세히 설명된다.
Wings
날개는 fuselage의 양 측면에 부착된 에어포일이다. 이는 비행 중인 비행기를 지탱하는 주요 양력 표면이다. 다양한 제조업체에서 사용하는 다수의 날개 설계, 크기, 그리고 모양이 있다. 각각은 특정 비행기의 성능에 대한 특정 요구 사항을 충족한다. 날개가 양력을 생산하는 방법은 Chapter 5, Aerodynamics of Flight에서 설명된다.
날개는 fuselage의 윗부분, 중간, 혹은 아랫부분에 부착될 수 있다.이러한 설계를 각각 high-wing, mid-wing, 그리고 low-wing이라 부른다. 날개의 갯수 또한 다양할 수 있다. 한 세트의 날개가 있는 비행기를 monoplane이라 부른다. 반면 두 세트의 날개가 있는 비행기를 biplane이라 부른다. [그림 3-6]
많은 고익기 비행기는 external brace, 혹은 wing struts를 가지고 있다. 이들을 통해 비행 하중과 착륙 하중이 fuselage 구조로 전달된다. 이러한 wing struts는 일반적으로 날개의 중간쯤에 부착되기 때문에 이러한 종류의 날개 구조를 semi-cantilever라 부른다. 몇몇 고익기 비행기, 그리고 대부분의 저익기 비행기는 full cantilever wing을 가진다. 이는 external struts 없이 하중을 견디도록 설계된다.
날개의 주요 구조는 spars, ribs, 그리고 stringers로 이루어져 있다. [그림 3-7] 이들은 trusses, I-beams, tubing, 혹은 그 외 장치들에 의해 강화된다. wing ribs는 날개(에어포일)의 모양과 두께를 결정한다. 대부분의 현대 비행기에서는 연료 탱크가 날개 구조에 내장되어 있거나, 혹은 날개 내부에 장착된 유연한 용기로 구성된다.
날개의 뒷부분(혹은 뒷전)에 부착된 두 가지 유형의 조종면을 ailerons와 flaps라 부른다. ailerons는 각 날개의 중간지점부터 tip을 향해 바깥으로 연장된다. 이는 서로 반대로 이동하여 비행기를 roll하게 만드는 공기역학적 힘을 발생시킨다. flaps는 각 날개의 중간지점부터 fuselage를 향해 안쪽으로 연장된다. 순항 비행 도중 flaps는 일반적으로 날개 표면과 수평을 이룬다. 이착륙 도중 flaps 연장 시 이는 아래로 움직여서 날개의 양력을 증가시킨다. [그림 3-8]
Empennage
미익은 꼬리의 모든 부분들을 포함한다. 이는 수직 안정판, 그리고 수평 안정판과 같은 고정 표면들로 구성된다. 움직일 수 있는 표면들에는 rudder, elevator, 그리고 하나 이상의 trim tabs를 포함한다. [그림 3-10]
rudder는 수직 안정판의 뒤쪽에 부착된다. 이는 비행 도중 비행기의 기수를 좌우로 움직이기 위해 사용된다. 수평 안정판의 뒤쪽에 부착된 elevator는 비행 도중 비행기의 기수를 위아래로 움직이기 위해 사용된다. trim tabs는 조종면 뒷전의 작은, 그리고 움직일 수 있는 부분이다. 조종실에서 제어되는 이러한 trim tabs는 조종간 압력을 줄인다. trim tabs는 ailerons, rudder, 그리고/혹은 elevator에 설치될 수 있다.
두 번째 유형의 미익 설계는 elevator를 필요로 하지 않는다. 대신 이는 central hinge point를 중심으로 회전하는 하나의 수평 안정판으로 통합되어 있다. 이러한 유형의 설계를 stabilator라 부른다. 이는 조종간을 통해 움직인다. 예를 들어 조종사가 조종간을 뒤로 당기면 stabilator가 축을 중심으로 회전하여 뒷전이 위로 이동한다. 이는 공기역학적 tail load를 증가시켜서 비행기의 기수가 위로 움직이게 만든다. stabilator의 뒷전을 가로질러서 antiservo tab이 연장된다. [그림 3-11]
antiservo tab은 stabilator의 뒷전과 동일한 방향으로 이동한다. 이는 stabilator가 덜 민감하도록 만든다. 또한 이는 trim tab처럼 기능하여 조종간 압력을 완화하며 원하는 위치에서 stabilator가 유지되도록 돕는다.
Landing Gear
착륙 기어는 항공기 주기, taxi, 이륙, 혹은 착륙 시 비행기의 주요 지탱 장치이다. 가장 일반적인 종류의 착륙 기어는 바퀴로 구성되어 있다(허나 수상 운영을 위해 floats가, 혹은 눈에서의 착륙을 위해 스키가 장착될 수도 있음). [그림 3-12]
착륙 기어는 세 개의 바퀴로 구성된다: 두 개의 main wheels, 그리고 비행기의 전방이나 후방에 위치한 세 번째 바퀴. 후방에 바퀴가 장착된 착륙 기어를 conventional landing gear라 부른다.
conventional landing gear를 갖춘 비행기를 때때로 tailwheel airplanes라 부르기도 한다. 세 번째 바퀴가 기수에 위치한 경우 이를 nosewheel이라 부른다. 이러한 설계를 tricycle gear라 부른다. 조향이 가능한 nosewheel/tailwheel은 지상에서의 모든 운영 도중 비행기가 제어될 수 있도록 한다. 대부분의 항공기는 rudder pedals의 움직임을 통해 조향된다. 또한 일부 항공기는 브레이크를 통해 조향된다.
The Powerplant
powerplant는 일반적으로 엔진과 프로펠러를 모두 포함한다. 엔진의 주요 기능은 프로펠러를 돌릴 수 있는 출력을 제공하는 것이다. 이는 또한 전력을 생성하고, 일부 비행계기에 진공을 제공하며, 조종사/승객을 위한 히터를 제공한다. [그림 3-13] 엔진은 cowling, 혹은 nacelle로 덮여 있다. cowling(혹은 nacelle)의 목적은 엔진 주위의 공기 흐름을 유선형으로 만들기 위해, 그리고 실린더 주위의 공기를 배관하여 엔진을 냉각하기 위함이다.
엔진의 앞부분에 장착된 프로펠러는 엔진의 회전력을 추력으로 변환한다. 추력은 비행기가 공기 중을 통과하여 움직일 수 있도록 돕는 전진 힘이다. 프로펠러는 공기역학적 작용을 통해 추력을 생성하는 회전 에어포일이다. 프로펠러 에어포일의 뒤쪽에는 고압 영역이, 그리고 앞쪽에는 저압 영역이 형성된다. 이러한 압력 차이는 프로펠러로부터 추력을 발생시켜 비행기를 전방으로 당긴다. 프로펠러가 뒤에 놓일 경우 엔진은 pusher로 전환될 수 있다.
프로펠러 설계에 있어 그 효율성에 영향을 미치는 두 가지 중요한 요인이 있다. 프로펠러 블레이드의 각도(propeller hub에 대해 측정되는)는 프로펠러 블레이드 길이를 따라 비교적 일정하게 받음각을 유지함으로써 실속 가능성을 줄인다. 프로펠러에 의해 발생하는 양력은 받음각(상대풍과 블레이드가 만나는 각도)과 직접적으로 연관된다. 비행 도중 항공기의 방향에 따라 받음각이 지속적으로 변화한다.
pitch는 프로펠러가 한 번 회전할 때 이동하는 거리로 정의된다. 이 두 가지 요인이 결합되어 프로펠러 효율이 측정된다. 프로펠러는 일반적으로 특정 aircraft/powerplant 조합으로 연결된다. 이는 특정 출력 설정에서 최고의 효율을 달성하기 위함이다. 엔진이 어떻게 장착되는지에 따라 프로펠러는 pull, 혹은 push를 수행한다.
비행기의 하위 구성 요소로는 airframe, electrical system, flight controls, 그리고 brakes를 포함한다.
airframe은 항공기의 기본 구조이다. 이는 모든 공기역학적 힘, 그리고 연료∙승무원∙payload의 무게에 의해 가해지는 응력을 견딜 수 있도록 설계된다.
항공기 전기 시스템의 주요 기능은 전력을 생성, 조절, 그리고 분배하는 것이다. 항공기 전기 시스템에 전력을 공급하는 여러 가지 전원이 있다. 이러한 전원에는 다음을 포함한다: 엔진 구동 교류(AC) 발전기, APU(auxiliary power units), 그리고 외부 전원(external power). 항공기의 전력 시스템은 비행계기, 필수 시스템(예를 들어 anti-icing), 그리고 승객 서비스(예를 들어 객실 조명)를 작동하는데 사용된다.
조종간은 항공기의 자세를 제어하여 그 결과 항공기의 비행경로를 제어하는 장치 및 시스템이다. 종례의 비행기에서는 primary flight controls로 elevator, aileron, 그리고 rudder를 사용한다. 이러한 표면들은 조종실의 조종사에 의해, 혹은 자동 조종 장치에 의해 작동한다.
대부분의 현대 비행기 브레이크는 다수의 패드(caliper pads라 불림)로 구성된다. 이는 회전 디스크(rotor라 불림)를 사이에 두고 서로를 향해 유압으로 압착된다. 패드는 바퀴와 함께 회전하는 로터에 압력을 가한다. 로터의 마찰이 증가함에 따라 바퀴는 감속하며 회전을 멈춘다. 디스크와 브레이크 패드는 강철(자동차와 같은)로 만들어지거나, 혹은 탄소 물질(더 가벼우며 더 많은 에너지를 흡수할 수 있는)로 만들어진다. 비행기 브레이크는 주로 착륙 도중 사용되며 엄청난 양의 에너지를 흡수해야 한다. 따라서 브레이크 수명은 마일이 아니라 착륙으로 측정된다.
