항공기 안정성 - 정안정성, 동안정성

2012 포스팅 자료실 2012.11.30 11:11

항공기의 안정성

트림, 정안정성, 동안정성

 

 

 

출처 : 항공우주학 개론 중..

 

"발전없는 사람에겐 난독증이 있다."

 

트림상태

 

안정성과 조종성을 이해하려면 먼저 평형상태의 개념을 알고 있어야 한다. 물체가 평형상태에 있다고 하면 정지해 있거나 속도의 변화가 없는 상태로 운동을 하고 있는 것을 말한다. 평형상태에 있는 물체의 예로 정지한 물체나 가속도가 없는 상태에서 일정한 속도로 운동하고 있는 물체를 들 수 있다. 날고 있는 항공기에서 평형상타라고 한다면 수평 등속비행하고 있는 상태를 말한다. 항공기에 작용하는 공기력은 항공기와 비행경로 사이의 각도에 의하여 결정되는데 이 공기력 중의 수직성분은 항공기에 작용하는 중력과 같고 수평성분은 추진력과 같아야 일정한 고도와 속도를 유지한다. 역학적인 평형상태를 항공기에서는 '트림(Trim)' 상태라고 말한다. 항공기가 일정한 고도와 속도를 유지하며 각운동 없이 날고 있는 상태가 트림상태이다.

 

조종사의 입장에서는 조종간에 걸리는 힘으로 비행상태를 느끼므로 이러한 설명은 타당하지 않다. 비행 중에 조종사는 평형 여부를 항공기에 작용하는 힘의 크기보다는 조종간에 걸리는 힘인 조종력으로 판단하게 된다. 조종간을 자유로이 놓아두었을 때, 즉 조종간에 힘이 걸리지 않은 상태에서 어떤 속도가 유지되었으면 조종간에 힘을 주어 약간 뒤로 당긴 상태로 하게 되면 그 전의 속도보다 다소 느린 속도가 유지된다. 조종사는 두 가지 속도에 대한 트림상태를 조종간에 걸리는 힘으로 느끼는 것이다. 조종간에 힘을 준채로 계속해서 비행하자면 조종간을 놓을 때마다 비행상태가 바뀌므로 조종사가 큰 불편을 느낄 것이다. 그래서 조종사가 원하는 어떤 속도에서든 항공기가 평형상태에 있으면 조종간에 힘이 걸리지 않도록 만들어주는 장치가 필요하게 되는데 이를 트림조절장치라고 부른다.

 

트림조절장치는 항공기마다 다른 형태로 되어 있는데 유압조종계통을 채용한 항공기는 조종간 꼭대기에 엄지손가락으로 조작하는 스위치가 설치되어 있어 이를 누르면 서보 모터가 작동되면서 조종간에 걸리는 힘이 영이 되는 상태로 만들어 준다. 유압조종계통 없이 인력으로 조종되는 경비행기에서는 조종면에 트림 탭(Trim Tab)이라는 장치가 설치되어 공기력에 의한 트림조절을 한다. 조종사는 트림 탭과 선으로 연결되어 있는 탭 핸들을 돌려 트림을 맞춘다. 이 경우에는 트림이라는 말이 조종간에 걸리는 힘을 영으로 만든다는 뜻으로 사용된다.

 

가속도 없이 평형상태를 이루고 있거나 조종간에 작용하는 힘이 영이 되도록 맞추었거나 항공기에 작용하는 힘과 모멘트가 영이 되어 트림상태를 이루기는 마찬가지며 특히 조종사 입장에서의 트림은 조종간에 작용하는 힘이 영이라는 조건이 더 추가된 것이다.

 

정안정성

 

안정성(安定性, Stability)이란 항공기가 평형상태를 유지하고 있다가 어떤 교란(Disturbance)을 받아 평형상태에서 약간 벗어난 경우에 원래의 평형 비행상태로 되돌아가려는 경향성을 가지면 안정하다고 하며, 원래의 평형상태에서 더 벗어나는 상태로 가려는 경향성을 가지면 불안정하다고 한다. 안정성에 대한 이와 같은 설명은 개념적으로 두 가지 의미를 갖는다. 하나는 시간의 개념을 포함시키지 않고 단지 평형상태에서 벗어난 직후 다시 원래의 평형상태로 가려는 초기경향만을 보는 정안정성이고, 다른 하나는 시간의 개념을 포함하여 얼마나 빨리 원래의 평형상태에 도달하는지도 함께 고려하는 동안정성이다.

 

안으로 오목한 그릇에 구슬이 담겨있다면 평형상태는 구슬이 밑바닥에서 정치하고 있는 상태이다. 만약 외부의 힘이 주어져서 구슬의 위치가 바뀐다면 외부 힘이 없어졌을 때 원래의 바닥으로 돌아가려는 초기 경향을 가지고 있다. 이는 정적으로 안정함을 나타낸다. 시간이 경과하면서 구슬이 굴러 바닥으로 가지만 바닥에서 바로 정지하지 않고 조금 높이 갔다가 다시 정지하여 바닥으로 향하는 운동을 반복하면서 올라가는 높이가 점점 줄어들며 결국은 바닥에 정지할 것이다. 이와 같이 시간에 따라 진폭이 달라지며 원래의 상태로 돌아가는 전체 과정에 초점을 맞추면 동안정성이 된다. 이 경우는 정적으로도 안정하고 동적으로도 안정하다. 반면에 위로 볼록한 그릇에 구슬이 얹혀 있다가 약간의 교란에 의해 그 위치에서 벗어나면 구슬은 바로 굴러 떨어질 것이다. 즉 원래의 평형상태에서 더욱 멀어지는 방향으로 운동이 일어나려는 초기 경향과 함께 시간이 경과하면서 점점 더 크게 벗어난다. 이는 정적으로 불안정하며 동적으로도 불안정하다고 볼 수 있다.  

 

대부분의 항공기는 수직면에 대하여 대칭을 이루고 있다. 형상의 대칭성 때문에 운동이 일어나더라도 다른 축에 영향을 거의 미치지 않는 특성이 생긴다. 예를 들어 피치 운동이 일어날 때는 롤이나 요에 영향을 거의 미치지 않는다. 그리고 롤이나 요 운동을 할 때도 피치운동에는 거의 영향을 미치지 않는다. 이와 같은 특성에 의해 항공기의 운동을 세로운동(Longitudinal Motion) 또는 종운동과 가로운동(Lateral and Directional Motion) 또는 횡운동의 두 가지로 나누어 해석한다. 세로운동에는 전진방향과 수직방향의 속도, 피치 운동이 관련되며 가로운동에는 옆미끄럼 운동, 롤 및 요 운동이 관련된다. 따라서 안정성이나 조종성 해석에서는 세로운동에서의 안정성과 가로 운동에서의 안정성을 분리하여 취급한다.

 

정적 세로안정성에서 가장 중요한 요소가 받음각 안정성이다. 돌풍을 만났을 때와 같이 의도하지 않던 받음각 증가에 의해서 전체 항공기에 기수내림 피칭 모멘트가 발생되면 안정하다고 말한다. 왜냐하면 항공기는 피치가 감소하여 받음각이 줄어들면서 원래의 트림 자세에 접근하려는 경향성을 갖기 때문이다. 항공기의 받음각이 증가하면 수평꼬리날개의 받음각도 같이 증가함으로써 기수내림 모멘트를 만들므로 수평꼬리날개는 안정성을 위해서 쓰여진다.

 

받음각 안정성에서 중요한 역할을 하는 또 다른 요소가 무게중심의 위치다. 만약 짐을 뒤쪽에 취우치게 실어 무게중심이 뒤에 가면 수평꼬리날개의 역할이 줄어들어 안정성이 떨어지며 반대로 앞으로 이동하면 너무 안정성이 커져서 조종간을 최대로 움직여도 원하는 자세를 유지하지 못할 때가 생긴다. 이 때문에 무게중심 이동의 전방한계와 후방한계가 조작설명서(Flight Manual)에 명시되어 있다.

 

트림 받음각으로 비행하고 있다가 외부 영향에 의해 받음각이 커졌다면 그 받음각에서 피칭 모멘트 계수가 음으로 나타나면 다시 원래 상태로 돌아가려는 경향이 생기므로 받음각에 따른 피칭모멘트 계수의 기울기가 음으로 나타나는 항공기라야 안정하다. 따라서 정적 세로안정성은 받음각에 따른 피칭모멘트 계수의 기울기인 dCm/da 의 무호로 결정된다.

 

정적 세로안정성에 영향을 미치는 항공기의 형상요소는 날개, 꼬리날개, 동체와 낫셀(Nacelle) 등이다. 날개만의 안정성은 날개의 공력중심(Aerodynamic Center, ac)과 무게중심과의 위치관계로 결정된다. 예를 들어 공력중심이 무게중심보다 앞에 있으면 받음각이 커졌을 때 양력이 증가하고 받음각이 더 커지는 방향으로 피칭 모멘트가 생기므로 불안정하다.

 

반면에 꼬리날개의 공력중심은 무게중심보다 훨씬 뒤에 있으므로 받음각이 증가하면 큰 날개의 내리흐름각(Downwash Angle) 만큼 감소된 받음각이 작용하여 기수를 숙이는 피칭 모멘트를 발생한다. 따라서 꼬리날개는 언제나 안정한 역할을 한다. 꼬리날개의 면적이 넓을수록, 무게중심에서 더욱 멀리 떨어질수록 안정한 효과는 더 커진다. 수평꼬리날개는 세로 안정성에서 가장 중요한 역할을 하므로 수평안정판(Horizontal Stabilizer) 또는 안정판(Stabilizer)이라 한다.

 

동체는 언제나 불안정한 요소로 작용하며 나셀은 장착위치에 따라 안정하기도 하고 불안정하기도 하다. 그러나 전체 안정성에 미치는 영향은 적다.

 

실험을 통해 날개와 동체에 의한 안정성은 약간 불안정하지만 꼬리날개의 역할에 의하여 전체 항공기의 안정성은 유지되는 것을 알 수 있다.

 

항공기의 대칭면을 벗어난 가로방향 안정성 중에서 세로방향과 아주 유사한 것이 정적 방향안정성이다. 화살이 목표된 곳을 향해 날아가기 위해 방향안정성을 가져야 하는 것처럼 항공기도 마찬가지다. 이 목적을 위하여 수직꼬리날개가 사용된다. 수직꼬리날개는 마치 풍향계와 같은 작동으로 기수를 바람 바향으로 향하도록 만든다. 바람이 항공기의 정면으로 불어 들어오지 않는 상태를 옆미끄럼각(Sideslip Angle)이 있다고 말하는데 항공기가 공기에 대하여 게걸음으로 움직이는 것과 같으므로 바람직하지 않은 상태이다. 양의 옆미끄럼각에 의해서 수직꼬리날개에 받음각이 생기고 왼쪽방향으로 양력이 발생한다. 수직꼬리날개의 양력은 기수를 시계방향으로 돌리는 요잉 모멘트를 발생하므로 옆미끄럼각을 줄이는 방향이다. 따라서 수직꼬리날개는 옆미끄럼각에 대해서 안정한 특성을 갖는다. 수직꼬리날개는 방향 안정성에서 가장 중요한 역할을 하므로 수직안정판(Vertical Stabilizer)이라고도 한다.

 

롤 각도 또는 경사각은 대표적으로 불안정한 요소이다. 경사각이 생기면 이를 원상으로 돌려 줄 공기역학적 힘이 존재하지 않기 때문에 정적으로 불안정하다.

 

동안정성

 

정적 세로안정성에서의 받음각 안정성은 정안정성의 개념인데 만약 돌풍이 불어 받음각이 커진 후 시간에 따른 변화를 관찰하면 우선 정안정성에 의하여 기수를 숙이는 피칭 모멘트가 발생된다. 발생된 피칭 모멘트에 의해 기수를 숙이는 운동이 일어나 원래의 자세로 되지만 계속 운동이 일어나면 원래의 자세에서 더 기수를 숙이는 자세가 되었다가 다시 기수를 드는 운동이 일어나며 이러한 진동이 여러 번 반복되며 진폭이 점점 줄어들어 결국 원래의 자세로 돌아간다. 세로면에서의 진동은 두 가지 진동이 함께 포함되어 있는데 조종사가 거의 느끼지 못할 정도로 빠른 주파수에 빠르게 진폭이 감쇠하는 '단주기 운동(Short Period Motion)'과 피치의 변화가 서서히 일어나며 진폭의 감쇄율도 아주 느려 조종간을 움직이지 않는다면 수 분 동안이나 진동이 남아 있는 '장주기 운동(Phugoid Motion)'이다.

 

영국의 항공공학 선구자인 란체스터는 라이트 형제가 최초의 동력비행을 성공시킬 즈음에 모형 글라이더를 가지고 실험하던 중 이와 같은 긴 주기의 운동을 최초로 감지하고 이와 같은 진동에 이름을 붙이기 위해 적당한 단어를 찾다가 그리스어에 어원을 둔 '장주기(Phugoid)'라는 이름을 붙이게 되었다.

 

장주기 운동은 조종사에게 속도와 고도 사이의 에너지 교환으로 나타난다. 기수가 들리면서 고도가 높아지고 동시에 속도가 줄어든다. 속도가 줄어들면서 양력이 항공기 무게보다 작아지고 하강률이 생겨나 고도가 줄어들며 위치 에너지가 운동 에너지로 환원되어 속도가 증가한다. 속도가 증가하면 다시 양력이 회복되고 상승율이 생기면서 운동 에너지가 위치 에너지로 변환되어 같은 과정이 반복된다.

 

정안정성이 보장되더라도 단주기 운동이나 장주기 운동에서 감쇠가 느려 교란을 받은 후 오랜 시간동안 진동이 지속되고 있거나, 간혹 나타나는 현상이지만 장주기 운동의 진폭이 점점 커진다면 조종하기에 어려움을 겪게 될 것이다. 따라서 임무 수행능률이 중요한 군용 항공기에서는 비행성 요구사항이라는 항목으로 시간에 따른 감쇠의 정도를 규정하고 있다.

 

측풍이 불어 기수가 돌아간 경우를 가정해 보자. 측풍이라는 외부 요인이 사라지면 돌아간 기수가 다시 원상으로 복귀되는데 피치 운동에서와 마찬가지로 원래의 방향을 지나쳐 반대방향으로 기수가 돌아갔다가 다시 원상으로 돌아오는 운동이 반복되면서 그 진폭이 점점 줄어든다. 그러나 이 운동만 일어나는 것이 아니고 기수가 좌우로 흔들리는 요잉 운동이 일어나면서 롤링 운동을 야기시켜 롤링과 요잉 운동이 같은 주기로 일어나 마치 스케이트를 타고 가는 것 같이 보인다. 이를 '더치롤(Dutch roll)' 이라고 부른다. 더치롤의 진동주기는 대체로 3초 내지 8초 정도이다.

 

일단 날개에 경사각이 생기면 시간이 지남에 따라 항공기는 서서히 선회하면서 하강하는데 경사각이 약간씩 커지거나 약간씩 줄어든다. 그러나 그 진행정도가 아주 느려 원래 경사각의 두배가 되는데 걸리는 시간이 수 분에 달한다. 이 운동을 '나선강하(Spiral Dive)'라고 부른다. 시간이 지남에 따라 경사각이 증가하면 불안정한 나선강하이고 경사각이 조금씩이라도 감소하면 안정한 나선강하이다.

 

단순화시켜 생각한다면 경사각이 있을 때 중력이 기울어진 한쪽 날개 쪽으로 약간 쏠리기 때문에 옆미끄럼각이 생기게된다. 날개가 수평에서 약간 쳐들려 올라간 형태로 부착된 것을 상반각이라고 하는데 상반각이 있으면 옆미끄럼이 일어날 때 바람을 향하고 있는 날개의 받음각이 커지고 반대쪽의 날개는 받음각이 작아져 경사각을 줄이려는 롤링 모멘트가 생긴다. 이와 같은 상반각효과(Dihedral Effect)는 동안정성에 기여한다. 적절하게 설계된 상반각에 의한 효과는 나선강하를 약간 안정하게 바꾸지만 상반각 효과가 너무 크면 더치롤에서 불안정할 수 있다.

 

 

 

 

항공기의 형상 중에서 상반각 효과에 가장 큰 기여를 하는 요소가 기하학적 상반각이지만 다른 요소들도 작용한다. 특히 동체와 날개의 위치 관계가 중요하다. 날개가 동체 위에 붙어있는 고익기는 그런 형상 자체가 큰 상반각 효과를 내기 때문에 별도의 기하학적 상반각을 주지 않거나 그 효과를 줄이기 위하여 도리어 하반각을 준다. 반면에 동체의 아래에 날개가 붙어있는 저익기에서는 상반각효과를 기대할 수 없어 기하학적 상반각을 크게 준다.

 

항공기의 동적 운동을 요약하면 세로 운동에서는 단주기 운동과 장주기 운동으로 구성되며 가로방향 운동에서는 더치롤과 나선운동 및 순수한 롤 운동으로 구성된다.