비행기는 자동차와 다른 환경에서 운영된다. 자동차 운전자는 상당히 좁은 시야로 운전하는 경향이 있으며 주로 전방 움직임에 초점을 맞춘다. 초보 비행기 조종사는 이처럼 연습하려는 경향이 있다. 교관은 비행기의 자세 인지에 대하여 초보 조종사를 가르쳐야 하는 어려움에 직면한다. 자세 인지란 움직임에 대한 이해를 필요로 한다. 비행기는 bank, pitch, yaw 하면서 수평, 수직, 측면으로 움직인다. four fundamentals(straight-and-level flight, turns, climbs, descents)는 6가지 움직임을 통해 비행기를 조종하는 주요 기동들이다.
어떤 과목이든 숙달을 하려면 먼저 기초부터 익혀야 한다. 비행에 있어 이러한 기초는 직진 수평비행, 선회, 상승, 그리고 하강을 포함한다. 모든 비행 과목들은 이러한 기동들을 기반으로 한다. four fundamentals를 익히기 전에 고급 기동으로 넘어가려 하면 학습 과정이 저해된다.
다음을 고려하라: 이륙은 ground roll(짧은 시간 동안 직진 수평비행으로 전환될 수 있음)과 climb의 조합이다. 이륙한 이후에는 첫 번째 navigation fix를 향한 상승 및 선회를 포함하며, 이후 직진 수평비행이 뒤따른다. 목적지에 착륙하기 위한 준비에는 하강, 선회, 그리고 직진 수평비행의 조합을 포함할 수 있다. 일반적인 GA(general aviation) airplane의 final approach는 하강으로부터 직진 수평 비행으로 전환하면서 touchdown 및 ground roll을 위해 감속하는 것으로 종료된다.
교관은 이러한 basic flight maneuvers에 대한 지식을 초보 조종사들에게 제공해야 한다. 이를 통해 초보 조종사는 FAA(Federal Aviation Administration)의 PTS(Practical Test Standards)나 ACS(Airman Certification Standards)를 충족하는 수준으로 이러한 기동들을 결합할 수 있어야 한다. four fundamentals의 숙달이 부족하다면 초보 조종사가 더욱 복잡한 비행 기동으로 나아갈 때 효율적이고 능률적인 학습에 장벽이 될 수 있다.
비행기는 상하좌우로 움직일 수 있는 환경에서 비행한다. 상승 또는 하강은 비행 상태에 따라 달라질 수 있다. 만약 비행기가 수평선으로부터 똑바로 위치한다면 조종간을 전방으로 밀었을 때 고도가 떨어질 것이다. 만약 같은 비행기가 수평선에 대해 거꾸로 있다면 조종간을 전방으로 밀었을 때 고도가 상승할 것이다. [그림 3-1] 다음 설명은 비행 조종과 연관된 조종사의 기준틀을 고려한다. [그림 3-2]
조종사의 손:
• elevator pitch control을 조종사 쪽으로 당길 때(aileron and elevator controls, control stick, 혹은 side stick controller를 후방으로 움직일 때. 이를 back pressure를 증가시킨다 부름) 비행기의 nose는 비행기의 pitch(lateral) axis를 중심으로 조종사의 후방으로 회전한다. 조종사의 발에서 머리로 향하는 움직임이라 생각한다.
• elevator pitch control을 계기 패널 쪽으로 밀 때(aileron and elevator controls, control stick, 혹은 side stick controller를 전방으로 움직일 때. 이를 forward pressure를 증가시킨다 부름) 비행기의 nose는 비행기의 pitch axis를 중심으로 조종사의 전방으로 회전한다. 조종사의 머리에서 발로 향하는 움직임이라 생각한다.
• aileron control이 우측으로 적용되었을 때(control wheel이나 yoke를 시계방향으로 돌렸을 때, 혹은 control stick이나 side stick을 우측으로 움직였을 때) 비행기의 우측 날개가 조종사로부터 낮아지도록 경사진다. 조종사의 머리에서 우측 엉덩이로 향하는 움직임이라 생각한다.
• aileron control이 좌측으로 적용되었을 때(control wheel이나 yoke를 반시계방향으로 돌렸을 때, 혹은 control stick이나 side stick을 좌측으로 움직였을 때) 비행기의 좌측 날개가 조종사로부터 낮아지도록 경사진다. 조종사의 머리에서 좌측 엉덩이로 향하는 움직임이라 생각한다.
조종사의 발:
• right rudder에 압력이 가해지면 비행기의 nose는 조종사로부터 우측으로 움직인다. 조종사의 왼쪽 어깨에서 오른쪽 어깨로 향하는 움직임이라 생각한다.
• left rudder에 압력이 가해지면 비행기의 nose는 조종사로부터 좌측으로 움직인다. 조종사의 오른쪽 어깨에서 왼쪽 어깨로 향하는 움직임이라 생각한다.
비행 중 조종 표면들에 작용하는 모든 힘들이 균형을 유지하는 한 조종 표면들은 고정된 위치에서 유지된다. 조종 표면들의 움직임에 대한 저항은 공기속도에 비례한다. 이러한 저항은 또한 조종 표면들이 streamlined position에서 멀어질수록 증가한다. 비행기를 기동하는 동안 조종사가 고려해야 할 것은 조종 표면을 얼마나 움직여야 하는가가 아니라 원하는 결과를 제공하는 조종간 압력을 적용하는 것이다.
조종사는 pitch and roll flight controls(aileron and elevator controls, yoke, stick, or side-stick control)를 손가락으로 가볍게 쥐어야 한다(손바닥 전체로 움켜쥐어선 안 된다). 조종 표면의 위치를 변화시키기 위해 조종간 압력을 적용할 때 오직 손가락만으로 aileron and elevator controls에 압력이 가해져야 한다. 이는 배워야 할 중요한 개념이자 습관이다. 초보 조종사의 일반적인 실수는 민감한 느낌이 사라질 정도로 aileron and elevator controls를 쥐는 것이다. 조종사는 훈련 초기에 이러한 오류를 고려하는 것이 좋다. 왜냐하면 이는 비행기 조종의 중요한 요소인 “감각”의 발달을 방해하기 때문이다.
미세한 rudder의 압력 변화를 느낄 수 있으려면 양 쪽 발꿈치가 조종사의 발 무게를 바닥에서 지탱해야 한다. 그리고 양 쪽 발볼은 각각의 rudder에 닿아있어야 한다. 다리와 발은 편안해야 한다. rudder를 사용할 때 한 쪽 발의 발볼을 이용하여 압력을 부드럽고 고르게 적용해야 한다. rudder는 스프링, 혹은 직접적인 기계적 연결을 통해 상호 연결되어 있기 때문에 한 쪽 rudder에 압력이 가해지면 반대쪽 rudder의 압력이 그에 비례하여 풀어져야 한다.
요컨대 비행 중 조종사가 aileron and elevator controls와 rudder pedals에 가하는 압력이 항공기를 roll(세로), pitch(가로), yaw(수직) 축을 중심으로 움직이게 만든다. 조종 표면이 streamlined position에서 벗어나면(심지어 조금이라도) 움직이는 공기는 그 표면에 힘을 가한다. 조종사가 조종간에서 느끼는 힘이 바로 이 힘이다.
Feel of the Airplane
계기에 의존하지 않고 비행 상태(예를 들어 직진 수평비행, 혹은 하강)를 감지하는 능력을 보통 “feeling the airplane"이라 부른다. 이러한 ”감각“의 예로는 동체를 흐르는 공기 흐름의 소리, 조종간을 통해 느껴지는 진동, 다양한 비행 자세에서의 엔진과 프로펠러 소리 및 진동, 그리고 물리적 가속을 통해 조종사가 느끼는 감각이 될 수 있다.
인간은 운동 감각(신체를 통해 움직임을 감지하는 능력)과 자기 수용 감각(움직임과 공간 감각에 대한 무의식적 감각)을 통해 “감각”을 감지한다. 이러한 자극들은 신경, 그리고 내이의 반고리관을 통해 감지된다. 운동 감각이 적절히 발달할 경우 비행기의 방향 및 속도의 변화에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있다. 그러나 IMC(instrument meteorological conditions) 상황에서 시각 정보가 없다면 운동 감각만을 사용하는 것에는 한계가 있다. 운동 감각을 전적으로 의존하는 것은 궁극적으로 방향감각 상실과 항공기 제어 상실로 이어진다.
이러한 “감각”을 발달시키려면 특정 비행기에 익숙해져야 한다. 비행기에서 발생하는 소리, 진동, 그리고 힘에 의해 조종사의 감각이 훈련될 수 있도록 다양한 비행 조건에서 연습 되어야만 감각이 발달한다. 다음은 몇몇 중요한 예시들이다:
• 공기의 움직임은 독특한 소음 패턴을 만들어낸다. 소리의 크기가 높아질수록 비행기의 공기 속도가 증가하고 pitch attitude가 낮아짐을 나타낼 수 있다. 소리가 낮아지면 비행기의 pitch attitude가 증가하고 속도가 감소할 가능성이 있다.
• 순항 상태의 엔진 소리는 상승 상태와 다르며 하강 상태와도 다르다. fixed-pitch propeller 비행기의 경우 pitch attitude가 증가하였을 때 엔진 소리가 감소한다. 반면 pitch attitude가 감소하였을 때 엔진 소리가 증가한다.
• 선회 도중 조종사는 선회의 결과로 발생한 하중으로 인해 좌석 쪽으로 힘을 받는다. 선회할 때 증가한 G force는 하강에서의 pull up과 동일하게 느껴진다. 그리고 선회로부터 다시 수평으로 돌아올 때 감소한 G force는 상승에서 nose를 낮추는 것과 동일하게 느껴진다.
실제 “감각”의 근원은 조종사에게 매우 중요하다. 이러한 실제 느낌은 가속도(단순히 속도가 얼마나 빠르게 변화하는가)의 결과이다. 가속도는 속도의 크기와 방향이 얼마나 빠르게 변화하는가를 나타낸다. 이러한 가속도는 비행 중 비행기와 승객에게 힘을 가한다. 조종사는 좌석에 가해지는 압력 변화를 통해 수직력을, 혹은 비행기가 slip이나 skid 할 경우 좌석에서 좌우로 밀리는 수평력을 감지할 수 있다. 이러한 힘은 조종사가 인지할 수 있어야만 유용해진다. 비행기에 대한 뛰어난 “감각”을 가진 재주 좋은 조종사는 심지어 작은 가속도도 감지할 수 있다.
교관은 소리, 진동, 그리고 힘을 인지하고 반응하는 것과 단순히 이것들은 알아차리는 것 사이의 차이를 가르쳐야 한다. 이러한 이해의 증가는 비행기에 대한 “감각”을 발달시키는데 기여한다. 비행 훈련 초기에 비행에 대한 “감각”을 발달시킨 조종사는 더 어려운 훈련 도중 어려움을 덜 겪을 것이다.
교관은 초급 조종사에게 이러한 느낌을 인식하도록 지도해야 하고, 이것들의 의미와 다양한 비행 조건과의 관계에 대한 인식을 교육해야 한다. 이를 효율적으로 하기 위해, 교관은 소리, 진동, 힘을 인지하고 반응하는 것과, 단순히 이것들을 알아차리는 것의 차이점을 반드시 확실히 이해하여야 한다. 비행 교육의 초기에 항공기에 대한 “느낌”을 발달시킨 조종사는 비행 교육을 나아가게 하는데 큰 어려움이 없을 것이다.
비행기의 자세는 특정 비행기의 축과 자연 수평선 사이의 각도 차이로 결정된다. 자연 수평선이 모호하거나 쉽게 확인되지 않을 때는 잘못된 수평선이 발생할 수 있다. 이는 중요한 개념인데, 왜냐하면 조종사는 자연 수평선에 대한 pictorial sense를 발달시켜야 하기 때문이다. pitch attitude는 비행기의 세로축(항공기의 nose부터 tail까지 연장)과 자연 수평선 사이에 형성된 각도이다. Bank attitude는 비행기의 가로축(wingtip부터 wingtip까지 연장)과 자연 수평선 사이에 형성된 각도이다. [그림 3-3A와 3-3B] 비행기의 수직축(yaw)에 대한 각도 차이는 비행기의 진행 방향에 상대적인 자세이다(자연 수평선에 대한 것이 아님).
비행기를 조종할 때 수평선을 기준으로 비행기의 자세를 결정하려면 두 가지 방법 중 하나를 필요로 한다. VMC(visual meteorological conditions)에서 “육안으로” 비행할 경우 조종사는 눈을 통해 비행기의 날개와 cowling을 참조하여 비행기의 자세를 자연 수평선(a visible horizon)에 설정한다. 화이트아웃, 바다 위의 연무, 어두운 바다 위의 어둠 등등으로 인해 자연 수평선이 보이지 않을 경우 이는 안전목적 상 IMC이다. [그림 3-4] IMC에서 비행할 경우, 혹은 시각 참조물을 cross-check 할 경우 조종사는 자연 수평선에 대한 비행기의 자세를 결정하기 위해 계기를 참조함으로써 자세를 제어한다.
비행기 자세 제어는 네 가지 요소로 구성된다. pitch control, bank(roll) control, power control, trim이다.
• Pitch control – 자연 수평선, 혹은 비행기 계기로부터 nose를 올리거나 낮추기 위해 elevator를 사용하여 비행기 가로축을 중심으로 pitch attitude를 제어한다.
• Bank control – 자연 수평선, 혹은 비행기 계기로부터 bank angle을 만들기 위해 ailerons를 사용하여 비행기 세로축을 중심으로 bank attitude를 제어한다.
• Power control – 대부분의 GA(general aviation) airplanes는 throttle에 의해 제어된다. power control은 특정 추력 세팅을 필요로 하는 비행 상황이거나, 혹은 특정 목표를 달성하기 위해 추력 변화가 필요한 비행 상황일 때 사용된다.
• Trim control – 원하는 자세가 만들어진 이후 조종간에 가해지는 압력을 완화하기 위해 사용된다.
Note: Yaw control은 yaw가 발생하는 변화(예를 들어 adverse yaw, 그리고 프로펠러 효과)의 영향을 상쇄하기 위해 사용됨
초보 조종사에게 기본 비행 기동을 소개할 때 “integrated”(혹은 composite) flight instruction을 사용할 것을 권장한다. 이는 원하는 비행 자세와 비행기 성능을 설정 및 유지하기 위해 바깥 참조물과 계기를 사용하는 것이다. 초보 조종사가 이 기술을 사용하면 그들은 더 정확하고 훌륭한 조종 능력을 달성한다. 이러한 비행기 조종 방법은 경험에 의해 습관이 될 수 있으나 초급 조종사는 이 기술을 숙달하기 위해 엄청난 노력을 해야 한다. 장기적인, 안전한, 그리고 효율적인 항공기 조종을 위해 조종사의 visual skills는 충분히 개발되어야 한다. [그림 3-5]
integrated flight instruction의 기본 요소들은 다음과 같다.
• 조종사는 바깥의 자연 수평선을 참조하여 비행기의 자세를 육안으로 제어한다. 조종사 주의의 대략 90%가 바깥 시각 참조물과 공중 항적 확인을 위해 사용되어야 한다. pitch attitude와 bank attitude를 육안으로 평가하는 과정은 자세 정보의 연속적인 흐름으로부터 만들어진다. 만약 원하는 자세로부터 벗어난 것을 조종사가 확인하였다면 원하는 자세로 돌아가기 위해 정교하고, 부드럽고, 정확한 수정을 만들어야 한다. 외부 참조물의 지속적인 육안 점검과 조종사에 의한 즉각적 수정들은 비행기가 원하는 heading, 고도, 비행경로로부터 벗어날 가능성을 최소화한다.
• 비행기의 자세는 계기 참조와 성능 확인을 통해 판별된다. 만약 비행기의 성능 수정이 필요하다고 계기가 지시한다면 필요한 수정을 확인한 다음 자연 수평선을 참조하여 이러한 수정을 정교하고, 부드럽고, 정확하게 적용해야 한다. 이후 계기를 참조하여 비행기의 자세와 성능을 다시 확인한다. 그런 다음 조종사는 자연 수평선을 참조하여 수정된 자세를 유지한다.
• 조종사는 빠르게 계기를 확인하여 비행기의 성능을 점검해야 한다. 조종사 주의의 10% 이상이 조종실 내부에 있어선 안 된다. 조종사는 적절한 계기를 신속하게 분석한 후 즉시 바깥 외부 참조물로 돌아와 비행기 자세를 제어하는 기술을 발달시켜야 한다.
조종사는 자연 수평선에 대한 바깥 외부 참조물, 그리고 해당하는 계기 지시 간의 상관관계에 대해 익히 알아야 한다. 예를 들어 pitch attitude 조정은 자연 수평선에 대한 조종사의 참조점을 몇 인치 움직이게 할 수 있다. 그러나 이는 비행기 자세계의 reference bar를 봤을 경우에는 사소한 움직임이다. 마찬가지로 어떤 bank angle에서 벗어날 때 자연 수평선에 대한 비행기의 wingtips나 cowling을 참조한다면 이는 명백하다. 그러나 비행기 자세계를 통해서는 거의 인지하지 못할 수 있다.
초보 조종사가 보이는 가장 일반적인 실수는 조종실 내부를 보면서 pitch나 bank 수정을 수행하는 것이다. 계기에 fixate 되는 것 또한 초보 조종사의 일반적 실수이다(외부 시각 참조물로 돌아가려는 의식적인 시도가 필요). 처음 몇 시간 동안 교관은 초보 조종사의 기술을 발달시키기 위해, 혹은 비행기 제어를 위해 외부 시각 참조물을 사용하도록 강제함으로써 계기에 fixate 되려는 나쁜 습관을 교정하기 위해 flight instrument covers를 사용할 수 있다.
계기를 참조하는 비행의 복잡성(예를 들어 계기 지연, 그리고 자이로 세차를 포함)에 익숙하지 않은 초보 조종사는 항상 과도한 자세 수정을 하여 결국 “chasing the instruments”를 하게 된다. 그러나 어떤 계기보다도 훨씬 더 큰 자연 수평선을 참조하여 만드는 비행기 자세는 즉각적이고 정확한 지시를 나타낸다. 자연 수평선을 참조하여 비행기 자세가 설정되거나 유지될 수 없다면 현 상황은 실제 비상 상태가 되었으며 integrated flight instruction은 IMC에서 비행하도록 마련된 것이 아님을 초보 조종사는 이해해야 한다.
직진 수평비행은 heading과 고도가 일정하게 유지되는 비행이다. 이 외의 fundamentals는 직진 수평비행으로부터 변형된 것으로 파생된다. 따라서 직진 및 수평을 비행하기 위한 적절하고 효과적인 기술을 만들어야 할 필요성을 이해해야 한다. 직진 수평비행을 수행하는 능력은 반복과 연습의 결과이다. 조종사가 바깥 참조물을 인지하고, 계기를 확인하고, 의도치 않은 약간의 선회∙하강∙상승으로부터 효율적이고∙시기 적절하고∙비례적인 수정을 할 때 높은 수준의 기술이 만들어진다.
직진 수평비행은 비행기의 참조점과 자연 수평선의 관계를 의식적으로 고정하는 것이다. [그림 3-6] 참조점의 선정은 지상에서 수행되어야 한다(참조점은 조종사의 좌석 위치, 높이, 그리고 자세에 따라 달라지기 때문). 조종사가 계기판 너머를 충분히 볼 수 있도록 좌석이 조정된 상태에서 정상적인 방법으로 앉는 것이 중요하다. 이와 동시에 부담 없이 full rudder를 적용할 수 있어야 한다.
교관은 테이프나 마커를 사용하여 windshield나 cowling에 참조선을 만들어 초보 조종사가 시각 참조점을 설정하는데 도움을 줄 수 있다. 수직 참조선은 지상에서 가장 잘 설정된다(예를 들어 비행기가 중심선 위에 있고 초보 조종사가 올바른 위치에 앉아 있을 때). 수평 참조선은 공중에서 가장 잘 설정된다(예를 들어 slow flight, 그리고 순항 상태일 때). 수평 참조점은 항상 수평선에 있기에 고도가 얼마이든지 항상 같다(단, 고도 증가에 따라 수평선까지의 거리는 멀어질 것이다). 다양한 pitch attitude 조건으로 인해 여러 가지 수평 참조선이 존재한다. 그러나 이러한 참조선은 일반적으로 초보 조종사가 비행기를 기동하는 동안 언제 어디를 봐야 하는지 이해하기 전까지만 필요하다.
Straight Flight
일정한 방향이나 heading을 유지하는 것은 비행기의 wingtips와 자연 수평선의 관계를 육안으로 확인함으로써 이루어진다. 비행기의 양 쪽 wingtips는 수평이어야 하며, 고익기인지 저익기인지에 따라 자연 수평선으로부터 동일하게 위나 아래에 있어야 한다. 필요한 bank 수정은 조종사의 coordinate 한 aileron과 rudder의 사용으로 만들어진다. [그림 3-7] 날개가 bank지면 비행기가 선회한다는 것을 조종사는 이해하여야 한다. 직진 비행의 목표는 조그마한 편차를 감지하고 수정하는 것이므로 미세 수정이 필요하다. bank attitude 정보는 또한 자세계(수평선에 대한 비행기의 날개 자세를 나타냄)와 heading indicator(비행기가 원하는 heading을 벗어났는지 나타냄)의 빠른 스캔을 통해서도 얻을 수 있다.
원하는 수정 방향으로 aileron이나 rudder를 개별적으로 가하여 직진 비행을 유지하는 것이 가능하다. 그러나 ailerons와 rudder를 개별적으로 사용하는 연습은 올바르지 않으며 정교한 비행기 조종을 어렵게 만든다. 정확한 bank 움직임을 위해서는 aileron과 rudder가 coordinate 되어야 한다. 비행기가 올바르게 trim 되었고 공기는 smooth 하다면 직진 수평 비행 도중 조종간 압력이 거의 필요하지 않는다. 따라서 조종사는 불필요하게 조종간을 움직이는 습관을 형성해선 안 된다. 조종사는 수정이 필요한 시점을 인지하는 방법, 그리고 이후 정교하고∙부드럽고∙정확한 조종 대응을 하는 법을 배워야 한다.
조종사는 한 쪽 방향을 계속하여 바라보려는 경향이 있을 수 있다. 조종사의 좌석 위치가 좌측이기 때문에 일반적으로 좌측을 바라보는데, 그 결과 그쪽 방향으로 주의가 집중된다. 이는 조종사가 관찰해야 하는 것으로부터 제한된 각도가 발생할 뿐만 아니라 그쪽 방향을 향해 무의식적으로 조종간 압력을 가한다. 비행기의 자세가 정확한지 확인하기 위해, 그리고 안전한 비행을 위한 다른 요소들을 확인하기 위해 끊임없이 비행기 바깥을 스캔하는 것이 중요하다(한쪽 방향에 고정되지 않고). 양쪽 wingtips를 계속 확인하는 것은 날개 수평을 위한 좋은 확인 방법 외에도 다른 장점이 있다. 이는 다른 항적, 지형, 그리고 날씨의 영향을 확인하게 해주며 전반적인 상황 인식을 유지하게 해준다.
직진 비행은 선을 따라 비행하게 만든다. 외부 참조를 위해 조종사는 전방의 어떤 지점과 정렬된 수평선의 한 지점을 선택한다. 만약 그 두 지점이 일직선으로 유지된다면 비행기는 그 두 지점에 의해 만들어진 선을 따라갈 것이다. 조종사는 또한 VFR 도중 나침반이나 magnetic direction indicator가 향하는 지점을 훑어보고 이를 따라감으로써 경로를 유지할 수 있다. 수면 위, 혹은 눈이 덮인 표면 위를 비행할 경우에는 지표면의 지점을 의존해서는 안 된다. 이러한 상황에서 조종사는 magnetic heading 지시를 의존해야 한다.
Level Flight
비행기를 수평 비행으로 조종하는 방법을 배울 때 조종간을 손바닥으로 꽉 쥐지 말고 손가락으로 가볍게 쥐는 것을 배우는 것이 중요하다. 조종사는 원하는 결과를 만들어낼 정도의 압력만을 조종간에 가해야 한다. 조종사는 자세의 움직임을 만들어내는 조종간 압력과 참조점의 움직임을 연관시키는 것을 배워야 한다. 그 결과 미세한 수정을 위해 과도하게 계기나 바깥 참조물을 확인하지 않고 조종간에 가해지는 압력의 양과 방향을 통해 비행기 자세의 변화를 조절할 수 있는 능력을 개발할 수 있다.
수평 비행을 위한 pitch attitude는 먼저 자리에 올바르게 앉고, 비행기 nose 전방에 놓인 참조점을 선정하고, 자연 수평선에 대한 그 참조점을 고정된 위치에 유지함으로써 얻어진다. [그림 3-8] pitch attitude가 정확한지 판단하기 위해 자연 수평선에 대한 참조점을 계기와 비교하는 것이 attitude flying의 원칙이다. 만약 원하는 고도에서 벗어나는 경향이 있는 경우 pitch attitude를 자연 수평선에 대해 재조정 해야 한다. 이후 고도가 수정되었거나 유지되는지 확인하기 위해 계기를 crosscheck 해야 한다. 수평 비행 기동에서 “increase the back pressure”, 혹은 “increase pitch attitude”라는 용어는 자연 수평선에 대한 비행기의 nose를 상승키라는 의미이다. 그리고 “decreasing the pitch attitude”, 혹은 “decrease pitch attitude”라는 용어는 자연 수평선에 대해 nose를 낮추라는 의미이다. 조종사의 주요 참조물은 자연 수평선이다.
실제로 직진 비행 도중 출력 설정이 일정하다면 비행기의 속도 또한 일정하게 유지된다. 엔진 출력 증감을 통한 의도적인 속도 변화는 비행기 속도 변화에 따른 직진 수평비행을 유지하는 훈련을 제공한다. flaps, landing gear, 그리고 그 외의 항력 생산 장치(예를 들어 spoilers)를 올리고 내리는 것 또한 pitching moments를 발생시킬 수 있다. 다양한 외장의 영향에 노출하는 것이 특정 airplane checkout에서 다루어져야 한다.
Common Errors
초보 조종사의 일반적 실수는 비행기의 nose만 보고 날개 수평을 유지하려는 것이다. nose의 짧은 수평 참조선은 수평으로부터 약간 벗어나는 것을 눈에 띄지 않게 만들 수 있다. 그러나 조종사가 wingtips를 참조한다면 수평 비행으로부터 벗어나는 것을 쉽게 인지할 수 있다. 따라서 level bank attitude를 유지하기 위한 주요 참조물은 wingtips가 되어야 한다. 이 기술은 또한 비행기의 한 쪽 날개가 낮은 상태에서 heading 오차 수정을 위해 반대쪽 rudder를 가할 가능성을 없애는데 도움을 준다. 한 쪽 날개가 낮은 상태에서 이를 보상하기 위해 반대쪽 rudder를 가하는 나쁜 습관을 지닌 조종사는 다른 비행 기동을 숙달하는데 어려움을 겪을 것이다.
일반적인 오류는 다음을 포함한다:
1. 자세를 만들기 위한 pitch와 bank 참조점이 부적절함.
2. 미리 선정해둔 참조점의 위치를 잊어버림.
3. 자연 수평선을 사용하지 않고 계기를 사용하여 항공기 자세를 만들고 수정함.
4. attitude flying의 원칙을 고수하지 않고 계기를 “Chase”함
5. 조종간에 정확하고 부드러운 압력을 가하지 않고 기계적으로 당기거나 밀음.
6. 다른 항적, 날씨, 그리고 지형 영향 확인을 위한 조종실 바깥 확인을 하지 않음.
7. 조종간을 손바닥으로 꽉 쥐어 손과 손가락의 감각이 둔화됨.
8. 비행기를 과조작함.
9. 습관적으로 한쪽 날개를 낮추고 비행하거나, 혹은 rudder만 사용하여 방향 제어를 유지함.
trim 조종면은 조종사가 가해야하는 일정한 조종간 압력을 상쇄한다. 예를 들어 elevator trim은 소형 비행기에서 사용되는 일반적인 trim이다. 이는 특정한 pitch attitude를 유지하기 위해 조종사가 가해야 하는 압력을 상쇄하는데 사용된다. [그림 3-9] 그 결과 조종사는 다른 업무에 집중할 수 있다.
낮은 출력과속도, 그리고 비용 제한으로 인해 모든 소형 비행기가 완전한 세트의 trim(조종실에서 조절이 가능한 elevator trim, rudder trim, 그리고 aileron trim)을 가지고 있지는 않다. 대부분의 소형 비행기들은 조종실에서 조절이 가능한 elevator trim만을 장비한다. 비행기의 출력, 무게, 그리고 복잡성이 증가함에 따라 조종실에서 조절이 가능한 rudder trim과aileron trim이 있을 수 있다.
다수의 trim 축이 존재하는 비행기의 경우 rudder, elevator 그리고 aileron의 순서로 trim이 수행되어야 한다. 허나 속도가 변화할 때 rudder와 aileron을 계속해서 trim 하려 하면 불필요한 조종사 업무와 주의 산만이 발생한다. 속도가 변화할 때 rudder를 trim 하려는 것은 프로펠러 비행기에서 실용적이지 못하다. 왜냐하면 비행기에는 프로펠러 좌선회경향을 보정하는 기능이 내장되어있기 때문이다. 올바른 trim 절차는 다음과 같다. 일정한 airspeed와 pitch attitude를 만든 후 aileron 압력을 가하여 날개 수평을 유지한다. 그리고 이때 rudder 압력을 trim 한다. 그런 다음 aileron 압력을 완화하기 위해 aileron trim을 조정한다.
올바르게 비행기를 trim 하는 것은 훌륭한 조종 기술을 나타낸다. 조종사가 느끼는 조종간 압력은 비행 자세의 변화를 위해 의도적으로 조종력을 가한 결과여야 한다(비행기가 가하는 압력의 결과여서는 안 됨). trim을 조절하여 비행기를 조작하려는 경향은 trim과 관련된 일반적인 실수이다. trim으로 비행기를 조종하려는 경향은 심지어 숙련된 조종사들 사이에서도 나타나는 일반적인 실수이다. 먼저 원하는 비행 자세를 설정하고 이를 적절한 조종간 압력으로 유지한다. 그런 다음 조종간 압력을 가하지 않고도 원하는 자세가 유지될 수 있도록 조종간 압력을 trim 한다.
선회는 조종사가 aileron을 사용하여 원하는 선회 방향으로 날개를 bank지게 함으로서 시작된다. left aileron 조종간 압력은 조종사로부터 왼쪽 날개를 낮아지게 만든다. right aileron 조종간 압력은 조종사로부터 오른쪽 날개를 낮아지게 만든다. 다시 말해 왼쪽으로 선회하려면 조종간을 왼쪽으로 하여 왼쪽 날개를 낮춘다. 오른쪽으로 선회하려면 조종간을 오른쪽으로 하여 오른쪽 날개를 낮춘다. bank angle 및 비행기 설계에 따라 일정 bank angle에서 비행기는 aileron 압력을 풀어도 계속 선회할 것이다. 그 순서는 다음과 같을 수 있다:
1. 비행기를 bank지게 만든다. 그리고 손실된 수직 양력 성분을 보상하기 위해 충분한 출력을 적용하거나, 혹은 pitch를 상승시킨다.
2. bank를 멈추기 위해 조종간 압력을 풀고 원하는 bank angle을 유지한다.
3. 반대쪽을 향해 조종간(aileron)을 움직여 비행기를 수평으로 되돌린다.
4. 수평 비행을 위해 aileron 압력을 푼다. [그림 3-10]
선회는 다음의 결과이다:
• ailerons는 날개를 bank지게 만든다. 그리고 주어진 속도에 따른 선회율을 결정한다. bank로 인해 양력은 수직 및 수평 성분으로 나뉜다. 양력의 수평 성분은 bank진 방향을 향해 비행기를 움직이게 만든다.
• elevator는 조종사를 기준으로 비행기의 nose를 위아래로 움직이게 한다. 만약 조종사가 출력을 보충하진 않았으나 충분한 속도 여유가 있다면 조종사는 현재 고도를 유지하기 위해 pitch를 약간 증가시켜야 한다. 이는 선회로 인해 감소한 날개 양력을 대체하기 위함이다.
• 비행기의 vertical fin은 양력을 생산하지 않는다. vertical fin은 안정화를 위한 표면이며 비행기가 직진할 경우에는 양력을 발생하지 않는다. vertical fin의 목적은 비행기의 뒤쪽 끝이 앞쪽 끝의 뒤편에서 유지되는 것이다.
• throttle은 추력을 제공한다. 이는 속도 제어, 그리고 선회 반경 변화에 사용될 수 있다.
• 조종사는 rudder를 사용하여 날개의 차등한 양력, 그리고 엔진/프로펠러에 의해 발생하는 모든 adverse yaw를 상쇄한다. rudder는 비행기를 선회시키지 않는다. rudder는 coordinated flight를 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 비행기에 내재한 가로 안정성이 날개를 천천히 수평으로 만들 것이다.
• Medium turns - bank angle이 대략 20도에서 45도 사이일 때. medium bank에서는 비행기기에 내재한 가로 안정성이 날개를 수평으로 되돌려놓지 않는다. 그 결과 조종사가 유지하는 조종간 압력 없이도 비행기는 일정한 bank angle을 유지하려는 경향이 있다. 조종사는 bank 유지를 위해 aileron 압력을 풀어주어야 한다.
• Steep turns - bank angle이 대략 45도 이상일 때. 비행기의 overbanking을 막기 위해 반대쪽 aileron 압력을 주지 않는다면 비행기는 계속하여 bank 방향으로 진행한다. 반대쪽으로 가해야 하는 aileron 압력의 양은 다양한 요인에 따라 달라진다(예를 들어 bank angle, 그리고 속도).
비행기가 직진 수평 비행을 할 때 전체 양력은 날개와 지구에 수직으로 작용한다. 비행기가 선회를 하면 전체 양력은 두 성분(수직 및 수평)의 결과가 된다. [그림 3-11] 수직 양력 성분은 지구에 수직으로 작용하여 중력에 대응한다. 수평 양력 성분은 지구 표면에 평행하게 작용하여 원심력에 대응한다. 이 두 양력 성분은 서로 직각으로 작용하여 결과적으로 발생하는 총 양력이 비행기의 banked wing에 수직으로 작용하게 만든다. 비행기를 선회시키는 것은 수평 양력 성분이지 rudder가 아니다.
일정한 고도에서 일정한 속도로 선회를 하려면 선회를 할 때 elevator에 back pressure를 증가시켜서 날개의 받음각을 증가시켜야 한다. 그리고 증가한 항력으로 인한 속도 손실을 보상하기 위해 출력을 증가시켜야 한다. 이는 전체 양력이 수직 및 수평 성분으로 나뉘었기 때문에 필요하다. 고도 유지를 위해선 수평 비행을 위한 수직 양력 성분이 weight와 균형이 되도록, 그리고 총 양력이 load factor와 균형이 되도록 증가해야 한다(왜냐하면 총 양력은 날개에 수직으로 작용하기 때문).
선회 도중 rudder의 목적은 coordination을 위함이다. 양력이 증가하면 항력도 증가한다. 조종사가 비행기를 bank지게 하기 위해 ailerons를 조작할 경우 상승 날개의 양력과 항력은 둘 다 증가하고 하강 날개의 양력과 항력은 둘 다 감소한다. [그림 3-12] 이러한 상승 날개의 항력 증가와 하강 날개의 항력 감소는 비행기를 선회 반대 방향으로 yaw 하게 만든다. 이러한 adverse yaw를 보상하기 위해 원하는 선회 방향으로 aileron을 적용함과 동시에 rudder 압력을 적용해야 한다. 이러한 행동은 coordinated turn을 만들기 위해 필요하다. coordinated flight는 비행기 조종에 있어 중요한 부분이다. 조종사가 특정한 uncoordinated flight를 유지할 경우 문제가 발생할 수 있으며 이는 스핀의 가능성을 만들어낸다. 이는 특히 낮은 고도에서 운영할 때(예를 들어 공항 장주 패턴) 위험하다.
uncoordinated flight 도중 조종사는 선회의 바깥이나 안쪽을 향해 옆으로 밀리는 느낌을 받을 수 있다. [그림 3-13] skid는 조종사가 선회의 바깥쪽을 향해 밀리는 느낌을 받을 때고 slip은 선회의 안쪽을 향해 밀리는 느낌을 받을 때다. skid나 slip을 느끼는 능력은 시간이 지남에 따라 발달한다. 또한 비행의 “감각”이 발달함에 따라 조종사는 계기를 과도하게 의존하지 않고도 slip이나 skid에 매우 민감하게 반응할 것이다.
Turn Radius
속도, bank, 그리고 선회 반경 사이의 관계를 이해하려면 특정한 true airspeed에서의 선회율이 양력의 수평 성분에 따라 달라진다는 점을 알아야 한다. 양력의 수평 성분은 bank의 양에 비례하여 달라진다. 그러므로 특정한 속도에서의 선회율은 bank angle의 증가에 따라 증가한다. 반면에 특정한 bank angle에서 더 높은 속도로 선회할 경우 관성이 더 커진다. 이는 선회에 필요한 양력의 수평 성분을 더 커지게 만들어 선회율을 느리게 만든다. [그림 3-14] 따라서 특정한 bank angle에서 높은 속도일 경우 비행기의 선회율이 느려지기 때문에 선회 반경을 더 크게 만든다.
선회 반경이 작아질수록 안쪽 날개의 속도와 바깥쪽 날개의 속도 사이에 엄청난 차이가 발생한다. 같은 시간 동안 바깥쪽 날개가 안쪽 날개보다 더 긴 경로를 이동한다.
따라서 바깥쪽 날개가 안쪽 날개보다 더 빠른 속도로 움직이며 그 결과 더 많은 양력을 생산한다. 이는 overbanking tendency를 발생시킨다. 원하는 bank angle에 도달하면 반대쪽 aileron을 적용하여 overbanking tendency를 제어해야 한다. [그림 3-15] 바깥쪽 날개가 양력을 더 생산하기 때문에 항력 또한 더 많이 생산한다. 항력으로 인해 steep turns 도중 약간의 slip이 발생한다. 이는 rudder를 통해 수정되어야 한다.
Establishing a Turn
대부분의 light single-engine airplanes에서 엔진 cowling의 위 표면은 상당히 평평하다. 자연 수평선에 대한 cowling의 수평 표면은 bank angle의 초기 설정을 위한 적절한 지표를 제공한다. [그림 3-16] 이후 조종사는 정확한 bank angle이 만들어졌는지 확인하기 위해 계기를 cross-check 하여야 한다. 자세계 정보는 수평선에 대한 날개의 각도를 나타낸다.
조종사가 앉는 자세는 바깥 시각 참조물의 판단에 영향을 미치기에 중요하다. 일반적인 문제는 조종사가 수평선으로부터 수직 자세를 유지하기 위해 선회 반대쪽으로 몸을 기울일 수 있다는 것이다. 조종사가 시각 참조물의 사용법을 제대로 배우려면 이를 즉시 수정해야 한다. [그림 3-17]
대부분의 항공기가 좌우 복좌식이기 때문에 조종사는 비행기의 세로축(비행기가 roll 하는 축)에 앉아 있지 않는다. 조종사는 일반적으로 세로축의 약간 왼쪽에 앉는다. 시차오차(parallax error)로 인해 좌선회를 할 경우에는 비행기의 nose가 올라가는 것처럼 보이게 하며(조종사가 세로축에 비해 낮아지기 때문) 우선회를 할 경우에는 비행기의 nose가 내려가는 것처럼 보인다(조종사가 세로축에 비해 높아지기 때문). [그림 3-18]
초보 조종사는 많은 aileron 및 rudder 조종 입력을 사용해선 안 된다. 조종 입력이 많으면 빠른 선회율이 만들어지기 때문에 조종사가 판단 및 수정할 시간이 거의 없기 때문이다, 필요한 pitch 및 bank 수정을 정확히 완료하는데 충분한 시간을 제공한다.
선회를 시작할 때 고려해야 할 몇 가지 추가 사항들은 다음과 같다:
• bank가 시작되기 전에 비행기의 nose가 움직이기 시작했다면 rudder가 너무 이르게 적용된 것이다.
• nose가 돌아가기 전에 bank가 시작되거나, 혹은 nose가 반대 방향으로 움직였다면 rudder가 너무 늦게 적용된 것이다.
• bank가 시작될 때 nose가 위나 아래로 움직였다면 과도하거나 불충분한 elevator back pressure가 적용된 것이다.
bank가 만들어진 이후에는 ailerons와 rudder에 적용되는 모든 조종간 압력을 완화하거나 조절할 수 있다. 이는 설정된 bank angle에 따라 비행기에 내재한 안정성, 혹은 overbanking tendencies를 보상하기 위함이다. 적절한 aileron 압력을 적용하여 비행기를 원하는 bank angle로 유지해야 한다. 만약 원하는 bank angle이 shallow라면 조종사는 bank 방향으로 약간의 aileron 압력을 유지해야 한다(yaw effects를 보상하기 위한 rudder 포함). medium bank angle의 경우 ailerons와 rudder 압력을 풀어야 한다. steep bank angle은 bank가 가팔라지는 것을 막기 위한 반대 방향 aileron과 rudder를 필요로 한다.
고도를 유지하려면 양력의 수직 성분이 유지되어야 하므로 elevator back pressure를 풀어선 안 된다. 선회도중 조종사는 자연 수평선을 참조하고, 다른 항적을 확인하고, 성능을 확인하기 위해 종종 계기를 cross-check 해야 한다. 속도의 감소는 항력 증가의 결과이다(일반적으로 shallow bank angle에서는 상당하지 않음). 더 가파른 선회에서는 속도 유지를 위해 추가적인 출력이 필요할 수 있다. 선회 도중 고도가 유지되지 못한다면 자연 수평선으로부터 pitch 자세를 수정해야 한다. 그리고 성능을 확인하기 위해 계기들을 cross-check 해야 한다.
Steep turns는 정확하고, 부드럽고, 시기적절한 조종간 입력을 필요로 한다. ailerons로 bank angle을 일정하게 유지하는 동안 pitch attitude를 미세 수정한다. 그러나 steep turns 도중 조종사가 nose를 과도하게 낮춰 매우 짧은 시간 내에 상당한 고도 손실을 만드는 것은 흔한 일이다. 회복 절차는 다음과 같다. 먼저 반대 방향으로 coordinate한 aileron과 rudder를 적용하여 bank angle을 줄여준다. 그 이후 elevator back pressure를 증가하여 pitch attitude를 증가시킨다. elevator만을 사용하여 과도하게 낮은 nose와 steep bank 상태를 회복하려고 한다면 bank는 더 가팔라지며 비행기에 불필요한 응력을 가한다. 항력 증가를 보상하기 위해 출력을 적절히 적용함으로써 steep turn 성능을 개선할 수 있다. steep turn의 목적, 그리고 조종간에 드는 힘의 정도에 따라 elevator back pressure(bank angle이 30도를 지나면서 점점 증가)를 trim 하는 것은 선회 도중 조종사에게 도움이 될 수 있다.
bank가 적용되어 있는 한 비행기 계속하여 선회하기 때문에 원하는 heading에 도달하기 전에 선회로부터 rollout을 시작해야 한다. 원하는 heading에서 rollout 하기 위해 필요한 lead 양은 선회하는데 사용된 bank의 양에 따라 달라진다. rule of thumb는 bank angle의 절반을 lead로 사용하는 것이다. 예를 들어 bank가 30도이면 15도에서 rollout lead를 잡는다. 선회로부터의 rollout은 조종간이 반대 방향으로 적용된다는 점을 제외하곤 roll-in과 유사하다. aileron과 rudder는 rollout 방향, 혹은 높은 날개 쪽으로 적용된다. bank angle이 감소하면 고도를 유지하기 위해 elevator pressure를 풀어야 한다. 날개가 수평이 되면 조종간 압력을 부드럽게 풀어주어 비행기가 직진 수평비행으로 돌아오도록 해야 한다. trim이 사용되었다면(예를 들어 steep turn 도중) trim이 조정되기 전까지는 forward elevator pressure가 필요할 수 있다. rollout이 완료되는 동안 바깥 시각 참조물에 집중한다. 그리고 날개가 수평이 되었으며 선회가 멈추었는지를 확인하기 위해 계기를 점검한다.
elevator와 ailerons는 하나의 조종간에 있기 때문에 의도하는 압력만을 의도하는 조종간에 적용하는 연습이 필요하다. 예를 들어 초보 조종사는 bank만 가하려 했을 때 pitch도 의도치 않게 가할 가능성이 있다. 이러한 교차 결합(cross-coupling)은 조종간 설계에 의해 감소할 수 있다 그러나 연습만이 부드럽고, 정교하고, 정확한 조종간 입력을 위한 적절한 방법이다. 예를 들어 우측으로 선회할 때 하강하는 것과 좌측으로 선회할 때 상승하는 것은 stick controls에서 일반적이다. 왜냐하면 팔은 팔꿈치 관절로부터 돌려는 경향이 있기 때문에 조종사가 조심하지 않을 경우 부수적인 포물선 움직임을 만들어내기 때문이다. 마찬가지로 nose를 낮추면 우선회, 그리고 nose를 높이면 좌선회가 발생하는 경향이 있다. 이러한 동작은 오른손으로 stick을 움직이는 조종사에게 적용될 것이다. control wheel이 장비된 비행기에서는 조종간의 위치와 조종사의 좌석에 따라 이러한 의도치 않은 동작이 덜 발생할 수 있다. 조종사는 상승, 하강, 좌선회, 혹은 우선회에서 수평선을 따라 nose가 위치해야 하는 올바른 광경을 유지해야 하며 원치 않은 움직임을 구분해야 한다.
수평 선회의 일반적인 실수:
1. 선회 방향에 다른 항적이 있는지 적절히 확인하지 못함.
2. 선회 도중 상승하거나 하강함.
3. 원하는 bank angle을 일정하게 유지하지 못함.
4. 계기만을 참조하여 선회를 수행하려 시도함.
5. 선회 반대 방향으로 몸을 기울임.
6. 비행기에 대한 감각이 부족함(그 증거로 계기 참조 없이는 slips나 skids를 감지하지 못함)
7. 비행기의 nose만을 참조하여 일정한 bank angle을 유지하려 함.
8. 비행기가 bank지는 것을 막기 위하여 skidding flat turns를 수행함.
