항공기 조종의 원리

■ 항공기 조종의 원리

 

지금 이순간에도 지구상에 수많은 활주로에서 많은 항공기들이 쉴새없이 뜨고 내리고 있다. 항공기는 2차원상을 이동하는 지상교통수단들과는 다르다.

무엇이 다를까? 항공기는 "고도 몇 피트이다!!"란 말을 쓰는 것이다.

지상교통수단과는 달리 항공기는 3차원상을 이동하므로 "고도"를 갖는다. 즉, 위치에너지를 갖는 것이다.위치에너지를 갖고 있다는 것은 곧 아래로 내던져질 수 있다. 따라서, 항공기의 조종에 임할 때는 지상교통수단을 운용할 때보다 더 신경을 쓸 필요가 있는 것이다. 항공기가 하늘을 날기전까지 점검이라든지, 시동절차 등의 까다로운 절차를 거쳐야 하지만, 독자들이 지루해할지도 모르니 Taxing(지상활주)시 간단한 유의점만 언급하고, Airborne(공중에 뜬 상태)에서 설명을 시작할까한다.

지상활주시 조심해야 할 것은 바람이 불어오는 방향이다. 바람이 앞쪽에서 불어오거나(정풍), 뒷쪽에서 불어오는 경우(배풍)보다, 옆쪽에서 불어오거나(Cross Wind), 대각선으로 불어오는(Quartering headwind) 경우에 더 조심해야 한다. 바람 방향에 대한 대처방향엔 간단한 원칙이 있다. 두 가지만 알면 된다.전방 시계 180°범위 내에서는(앞쪽으로) 불어오는 바람은 불어오는 쪽으로 에일러론을 눕혀주면 된다.

즉, 1. 왼쪽에서 불어올 때 ⇒ 에일러론을 왼쪽으로

2. 오른쪽에서 불어올 때 ⇒ 에일러론을 오른쪽으로 반대로 뒷쪽에서 불어오는 바람에는 반대로 적용하면 된다.

1. 뒷쪽에서 왼쪽으로 치우쳐 바람이 불어올 때 ⇒ 에일러론 오른쪽으로

2. 뒷쪽에서 오른쪽으로 치우쳐 바람이 불어올 때 ⇒ 에일러론 왼쪽으로 

 

 

<< Primary Maneuvers>> - 기본 기동

직선수평비행

사람이 태어나면 똑바로 걷는 것부터 연습한다. 똑바로 걷지 못하면 더 복잡한 움직임(도약을 한다든지 타원을 돌면서 뛴다든지)은 불가능하다. 항공기의 조종도 마찬가지다. 그러니까, 항공기가 고도를 유지하면서 똑바로 균형을 맞추고 가는 법부터 배워보자

* Level flight: Level flight란 상승중이거나 하강자세에서 수평비행으로 전환하는 기동을 말한다. 한마디로 고도를 일정하게 유지하는 것이라고 할 수 있다. 일정한 속도로 일정한 고도를 유지하면서 직선으로 비행하는 것은 처음 조종간을 잡은 사람에게는 보기처럼 쉬운 일이 아니다.

* Straight-level flight : 그럼 일정 고도를 유지하면서 직선으로 비행하는 요령은 무엇일까?

 

우선, 일정한 고도를 유지하기 위해 수평선이나 외부참조물을 기준으로 항공기 자세를 조절한다. 이것을 시계비행이라고 한다. 아래 그림에서 Reference Point라고 쓰여 있는 점이 바로 참조점이다. 더 자세히 수평을 유지하는 방법을 말하자면 수평비행에서 날개는 수평선과 나란히 하고, 비행경로는 지표면과 평행하게 한다. 날개 끝을 참조점(항공기를 수평에 맞추기 위한 가상의 기준점·지상에 물체)에 맞춘다. 즉, 날개 끝과 항공기 날개 끝의 간격이 양쪽 날개가 같도록 항공기 자세를 유지시키면 균형을 잡고, 수평비행하고 있다고 볼 수 있다.이런 기초적인 비행을 VFR(시계비행)이라고 할 수 있는데, 비행을 하는데 는 바깥의 지평선이나 주위환경으로 항공기의 자세를 눈으로 직접 확인하면서 비행하는 VFR과 항공기에 탑재된 계기(Attitude Indicator, Alimeter, Vertical Speed Indicator, Heading Indicator 등)를 이용해서 하는 IFR(계기비행 - 야간이나 시정이 안 좋을 때 그리고, 교통이 혼잡한 큰 공항, 장거리 비행에서 많이 사용)

 

 

 

비행기의 3축운동

지상에서는 2차원 운동이 이루어지지만 공중에서는 3차원운동이 이루어지기 때문에 비행기는 아래와 같은 3개의 축(Axis)을 중심으로 움직이게 되어 있다.

선회나 상승, 하강 등의 다른 기동을 다루기 전에 우선 독자들이 3축운동에 대해서 이해를 해야 한다.

가. 가로축 운동(Pitching)

비행기의 앞부분이 가로축(Lateral Axis)를 중심으로 올라가고 내려가는 운동을 "키놀이(Pitching)"라하고, 이러한 운동을 조종할 수 있는 것은 비행기 뒷부분의 수평꼬리날개에 붙어 있는 승강키(Elevator)라고 하는 조종면이다. 다시 말해서 비행기의 가로축을 중심으로 뒷부분이 내려가면 비행기는 앞부분이 치켜들게(Nose Up)되고 뒷부분이 올라가면 앞부분이 숙여지는(Nose Down)효과가 생기는 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

아래에 붙어있는 그림이 직선수평비행시의 창밖의 풍경과 자세계(Attitude Indicator)의 모습이다. 모든 작용하는 힘이 그러하듯, 그 크기(moment)는 힘×팔길이(Arm)인데 비행기에서도 이러한 원리는 항상 적용된다. 비행기의 외부 구조적 특성에 따라 가로축으로부터 수평꼬리날개까지는 그 길이가 길기 때문에 비록 키놀이를 조종하는 조종면의 면적이 적더라도 비행기의 조종효과는 크게 나타나는 것이다. 또한 승강키의 작동은 조종간을 당겨 승강키를 위로 올리게 함으로써 이루어지는데 이때, 수평꼬리날개의 받음각(Angle of attack)이 작아지면서 양력이 감소되어 꼬리날개 부분이 내려가게 되어 결국, 비행기 기수는 올라가게 된다. 반대로 조종간을 앞으로 밀면 이와 반대되는 현상이 나타난다.

   

세로축 운동(Rolling)

세로축(Longitudinal Axis)을 중심으로 비행기가 움직이는 것을 "옆놀이(Rolling)"라하고 이러한 운동을 조종하는 것은 주 날개의 양 끝 부분에 붙어있는 도움날개(Aileron)라고 하는 조종면이다. 도움날개의 작동은 조종간을 좌우로 젖힘으로써 이루어진다. 조종간을 왼쪽으로 눕히면 왼쪽 도움날개는 올라가고 오른쪽 도움날개는 내려가서 결과적으로 왼쪽 날개보다 오른쪽 날개의 받음각이 커지고 양력이 크게 발생되어 조종실내의 자세계를 통하여 그 Bank의 크기가 나타나게끔 되어있다. 또한 조종효과는 왼쪽과 오른쪽 도움날개가 동시에 반대로 작동되기 때문에 조종간 움직이는 양에 따른 효과가 크게 나타난다.

 

수직축 운동(Yawing)

수직축(Vertical Axis)을 중심으로 비행기의 기수가 오른쪽, 왼쪽으로 움직이는 운동을 "빗놀이(Yawing)"라하고, 이러한 운동을 조종하는 것은 수직꼬리날개에 붙어있는 방향키(Rudder)이며 이는 조종석내의 페달로써 작동된다. 왼쪽 페달을 밟으면 방향키는 왼쪽으로 빗겨져 수직꼬리날개 전체에서 오른쪽으로 힘(양력)이 발생되어 비행기의 기수는 왼쪽으로 돌아가고 오른쪽 페달을 밟으면 이와 반대되는 현상이 일어난다. 

 

★ 이륙 및 착륙의 간략한 설명. 

가. 이륙(Take off)

활주로에서 비행기가 동력을 최대로 하여 추진력을 얻으면 비행기는 점차로 가속된다. 속도가 Vr(Rotation Speed)에 이르면 조종간을 사용하여 비행기의 Pitch자세를 들어줌으로써 주 날개의 받음각(Angle of attack)을 증가시켜준다. 이와 같이 자세변경을 시켜주고 난 후에 속도가 증가되어 VIo(Lift off speed)에 이르면 비행기 주 날개에서 발생하는 양력이 비행기 중량을 초과하여 비행기는 부양하게 된다. 이륙속도 Vt(Take off speed)라 함은 비행기가 부양되어 35ft(Jet기는 50ft)까지 도달했을 때의 속도를 말한다. 이상과 같은 절차에 따라 정상적인 이륙이 이루어지지만 실제로 경항공기 학생조종사들은 속도계를 정확히 보지 못하기도 하고 자세변경 정도를 정확히 파악하지 못함으로써 강제부양이 이루어지는 경우가 종종 발생하게 된다. 이륙이 완료되면 상승(Climb)을 하게 되는데 상승에는 크게 두 가지로 나누어 정속상승(Constant Speed Climb)과 정률상승(Constant Rate Climb)이 있으며 최대상승 각도로 상승 할 수 있는 속도를 Vx(Best Angle of Climb Speed)라 하고 최대상승률 속도를 Vy(Best Rate of Climb Speed)라 한다. 비행기는 Pitch자세에 따라 속도가 변하기 때문에 과도하게 상승자세를 높혀 High Pitch자세를 만들면, 속도가 점점 줄어 Vs(Stall Speed)에 이르고, 비행기는 실속에 들어가 많은 고도손실을 가져온다. 이러한 실속을 사전에 예방하거나 회복시키지 못하면 중대한 국면에 처하게 된다. 따라서 이륙 및 상승시에는 정확한 상승속도와 이에 따른 상승자세를 유지해야 한다.

 

나. 상승 및 강하

만약, 수평자세에서 Pitch Up하면 받음각이 증가하여 초기에는 상승을 하게된다. 그러나. 자세변경에 따른 비행경로가 안정되어 비행기가 상승경로에 놓이게 되면 증가되었던 받음각은 줄어들고 비행기 무게성분 중 비행경로에 평행하게 작용하는 항력이 발생되어 결과적으로 비행기 속도가 감속하게 된다. 따라서 비행기가 상승을 하기 위해서는 더욱 많은 출력이 요구되는데, 비행기 성능에 해당하는 상승속도가 주어지고, 이에 따른 상승자세를 파악, 유지하기 위하여 조종사는 비행기가 가상수평선과 이루는 자세와 계기판내 자세계, 승강계를 참조하여 상승조작을 하는 것이다. 이와는 반대로 수평비행중 Pitch만 Down시키면 받음각이 감소되어 비행기는 결국 강하하게 된다. 하지만 비행기가 강하자세로 강하함에 따라 비행경로가 안정하게 되면, 받음각은 다시 증가하고 비행기 속도는 비행기 무게성분중 비행경로에 평행하게 작용하는 수평분력에 의하여 증가하게 된다. 따라서 일정속도로 강하하려면 출력을 감소시켜야 한다. 또한 강하할 경우에도 마찬가지로, 가상수평선 혹은 외부참조에 의한 비행자세를 유지하도록 하고 계기판내 자세계, 속도계, 승강계 등을 참고로 하여 정확한 강하조작을 하게 된다.

 

다. 선회

비행기가 공중에서 방향을 전환하기 위한 기본조작이 선회이다. 비행기 주 날개의 양쪽 끝 부분에 부착된 도움날개(Aileron)를 사용하여 경사를 주면 비행기에 작용하는 양력은 안쪽으로 작용하는 수평성분의 힘으로 나누어진다.

그림에서 나타나는 바와 같이 선회가 이루어지도록 하는 수평성분의 힘(Horizontal Component Force)은 경사각이 심할수록 커지며 양력(Lift)의 수직성분은 경사각이 심할수록 작아지게 되어 선회중의 비행기는 고도를 손실하게 된다. 이러한 수직성분 양력(Vertical Component Lift)의 감소현상은 비행기의 받음각을 증가시켜 줌으로써 다시 회복될 수 있다. 선회중 안쪽으로 작용하는 수평분력과 이에 상응하는 원심력이 일치하여야만 균형있는 선회가 이루어진다. 다시 말해서, 선회율에 해당하는 경사각이 주어져야만 수평분력, 구심력과 원심력이 일치하게 되는 것이다.

이것은 조종석 계기판의 선회경사계(Turn&Slip Indicater)가 그 정도를 알려주게 된다. 만약, 수평분력보다 원심력이 큰 경우에는 "외활(Skidding)"현상이 일어나며 선회경사계의 Ball은 선회 안쪽으로 벗어나게 된다. 이와 반대로 수평분력이 원심력보다 큰 경우에 비행기에는 선회경로보다 안쪽으로 쏠리는 "내활(Slipping)"현상이 일어나고 선회경사계의 Ball은 선회 바깥쪽으로 밀려나가게 된다.

 

 

라. 착륙

빠른 속도로 비행하는 비행기를 안전하게 착륙시키는 일이란 쉬운 일이 아니다. 또한 착륙시 비행기의 속도가 크면 클수록 이에 비례하여 더욱 긴 활주로가 필요하게 되고 이러한 사항은 이미 비행기 운항에 관한 제한사항이 되어 버렸다.

이러한 문제들은 해결하기 위해서 고양력장치(High-Lift Device)가 개발되어 최종접근속도(Final Approach Speed)를 줄일 수 있게 되었고 보다 원만하게 착륙을 할 수 있도록 해주었다. 특히, 경비행기의 경우 최종접근단계에서 조종사의 시계측정이 완전하다고 판단되면 Throttle을 Idle시켜 최종접근속도로 조종한 후 일정한 강하속도를 유지하면서 활주로를 접근하게 된다.

 

 

 

이 단계에서 무엇보다 중요한 것은 일정한 강하각을 유지하며 속도를 일정하게 유지하는 일인데 이는 그때 그때의 기상조건에 따라 침하율을 고려하여 Throttle Idle 시기를 결정하는 매우 중요한 일이다. 특히 바람이 부는 경우에는 최종접근(Final Approach)도중에 바람이 부는 아래쪽으로 비행기가 흘러가게 된다.

이와 같은 편류수정(Drift Control)방법으로는 'Crabbing&Method'와 'Wing Low Method'를 사용한다. 이는 그 명칭에서 알 수 있는 것처럼 풍상측 날개를 낮추어 편류되려는 힘을 상쇄시키고, 경사각에 따라 기수가 돌아가려는 힘을 반대편 페달로써 견제하여 비행기 기축을 항상 활주로 중앙선에 일치하여 놓아야 하는 것이다.

이상과 같은 최종접근이 이루어지면 마지막으로 남는 것은 접지단계이다. 최종접근에서 비행기가 활주로로 충분히 진입하면 첫 번째 자세변경이 이루어진다. 이는 강하자세에서 서서히 수평자세로까지 변경시켜 주는 것을 말하며, 이때부터 속도가 감속되면서 침하가 이루어진다. 침하가 이루어지면 조종사는 비행기 자세를 변경시켜 받음각을 크게 하여 줌으로써 그 속도에서 얻을 수 있는 양력을 증가시켜 침하량을 줄여 비행기가 활주로 상에 낙착되는 것을 막아주어야 한다. 그러나 비행기 총 중량이 큰 경우에는 Power Idle 상태로 정상적인 접근을 할 수 없기 때문에 Power on Approach를 하려 최종속도를 유지해야 한다.