비행성능과 마력, 상승률

2012 포스팅 자료실 2012.11.28 21:14

등속수평비행성능과 상승비행

 

 

 

 

출처 : 항공우주학개론 4개정판 중

 

등속수평비행성능

 

항공기의 가장 간단한 비행 형태는 일정한 고도와 속도로 비행하는 등속수평비행이다. 이 때는 항공기에 작용하는 힘들이 서로 평형을 이루어 추력과 항력이 서로 같고 무게와 양력이 서로 같다.

 

필요마력

 

등속수평비행에서 정적성능을 해석하려면 필요마력과 이용마력을 이해해야한다. 마력은 힘이 작용하여 시간당 하는 일의 양을 나타내는데 힘에 의한 일의 양은 힘에 거리를 곱하면 얻어진다. 한편 마력은 일률이므로 힘에 속도를 곱하면 계산된다.

 

항공기가 일정한 속도를 유지하며 공중을 날기 위해서는 항력을 이겨내기 위한 추력이 필요하다. 이와 같이 어떤 속도를 유지하기 위해 필요한 추력을 그 속도에서의 필요추력(Thrust Required)이라 한다. 필요추력 이상의 힘이 작용하지 않으면 그 비행상태를 지속적으로 유지할 수 없다. 필요추력은 속도에 따라 달라지는데 만약 어떤 비행속도를 유지하기를 원하더라도 엔진에서 필요추력 만큼의 추력을 발생시키지 못하면 그 속도를 유지할 수 없다. 따라서 필요추력과 엔진에서 낼 수 있는 추력을 서로 비교함으로써 성능을 결정할 수 있다.

 

분사추진기관을 장착한 항공기에서는 엔진의 추력이 속도에 따라 거의 일정하게 유지되므로 필요추력과 비교하기 쉽다. 그러나 왕복기관이나 터보축과 같이 출력이 추력으로 직접 나오지 않는 엔진을 장착한 항공기의 경우는 속도에 따라 마력이 일정하므로 필요추력을 필요마력(Power Required)으로 환산하여 비교하는 것이 편리하다. 필요마력은 필요추력에 전진속도를 곱하고 단위환산을 하여 얻어진다.

 

필요마력은 실속속도 이상에서 속도의 상승에 비례하며 밀도에 따라서도 변하므로 고도에 따라 달라진다. 특정고도에서도 필요마력이 최소가 되는 속도가 존재하는데 속도가 아주 작을 때는 양력이 커야 하고 양력에 대한 항력의 비율, 즉 양항비가 작아지는 속도가 되기 때문에 속도가 감소하지만 오히려 필요마력이 증가하는 현상이 생긴다. 필요마력이 최소가 되는 속도는 '양력계수 * 루트(양력계수) / 항력계수' 가 최대일 때이다.

 

이용마력

 

항공기에 장착된 동력장치의 출력이 전부 추진력으로 사용되지는 않는다. 제트 항공기의 경우는 흡입구나 덕트를 지나면서 생기는 손실도 있으며 프로펠러 항공기는 프로펠러 효율도 있다. 또한 동력축에 같이 연결된 발전기나 압축기 등에서 소모되는 동력도 있기 때문이다. 따라서, 추진력으로서 비행에 이용될 수 있는 기관의 동력을 이용마력(Power Available) 이라고 하며 기관에 따라 달라진다.

 

왕복기관의 특성은 축의 마력이 거의 일정한 반면 제트 엔진은 추력이 거의 일정하다. 따라서 왕복기관을 장착한 항공기의 이용마력은 속도에 따라 거의 일정한 그래프로 나타난다. 제트 엔진을 장착한 항공기는 추력이 속도에 따라 일정하므로 이용마력으로 환산하면 속도가 곱해져 속도에 따라 직선으로 증가하는 그래프로 나타난다. 고도가 증가하면 밀도가 떨어지고 흡입구의 공기량이 줄어들기 때문에 왕복기관과 제트 엔진 모두 출력이 저하한다.

 

제트기는 저속에서 이용마력과 필요마력의 차가 적고 프로펠러기는 저속에서 그 차가 크다. 비행속도에서 필요마력과 이용마력의 차를 잉여마력(Excess Poewr)또는 여유마력이라 한다. 여유마력이 있으면 현재의 비행상태에서 더 가속 하던가 고도를 더 높일 수 있으므로 그래프에서 최대 비행성능을 구할 수 있다.

 

수평최대속도

 

등속수평비행에서의 최대속도는 이용마력 곡선과 필요마력 곡선의 교점을 이루는 속도가 된다. 이 속도보다 빠른 속도에서는 여유마력이 없으므로 더 이상의 가속을 할 수 없어 최대속도가 이루어진다.

 

 

상승비행

 

상승비행을 할 때 항공기는 위치 에너지를 얻게 되는데 이 위치 에너지는 여유마력으로부터 얻는다. 상승비행에서의 비행성능은 최대 상승률, 상승각, 상승한도 등이 있다.

 

상승율

 

상승비행을 할 때, 추력은 항력뿐만 아니라 상승각에 따른 중력 성분도 함께 극복해야 한다. 상승율(Rate of Climb, R/C)은 속도의 수직성분을 말한다. 관습상 상승율은 분당 상승거리로 나타내어 ft/min의 단위를 사용한다.

 

한편 수평 가속을 하지 않을 때의 상승률은 여유마력을 항공기 중량으로 나눈 값과 같아진다. 여유마력과 필요마력의 차이가 있으면 언제나 그 비행 고도보다 더 높은 고도로 상승할 수 있다. 고도에 따라 여유마력이 차이가 생기므로 해면고도에서 여유마력이 가장 크게 되는 속도에서 항공기의 상승율은 최대가 되며 이 때의 비행속도를 최대 상승속도라 한다. 상승비행에서의 상승각은 수평속도 성분과 수직속도, 즉 상승속도와의 사이각과 같다. 항공기의 상승각은 여유마력이 클수록 커진다.

 

상승한도

 

비행고도가 높아지면 공기밀도가 떨어지면서 이용마력이 감소하고 여유마력도 감소한다. 여유마력이 점차 감소하여 결국 영이 되면 상승율도 영이 되는데 이 고도를 절대상승한도(Absolute Ceiling)라고 부른다. 그러나 절대상승한도에 도달하려면 이론적으로 무한대의 시간이 걸리므로 항공기의 성능을 절대상승한도로 표시하면 실제로 측정할 수가 없으므로 확인하는 방법이 없다. 실제 측정 가능한 상승한도를 정하여 사용하는데 상승율이 100 ft/min가 되는 고도를 실용상승한도(Service Ceiling)이라 하며 상승율이 500 ft/min 가 되는 고도를 운용상승한도(Operating Ceiling)라 한다.

 

여러 가지 고도에 대한 항공기의 여유마력을 구하고 이 여유마력을 중량으로 나누면 고도에 따른 상승율이 되는데 이 상승율을 그래프로 그리고 이 곡선에서 상승한도의 정의와 같아지는 고도를 찾으면 실용상승한도와 운용상승한도를 구할 수 있다.

 

 

출처 : 항공우주학개론