항공기는 이륙-순항-착륙의 과정에서 승객의 안전과 정시 운행, 경제적 효율성을 최대한 보장하며 운항해야 한다. 그러기 위해서는 여러 가지 힘, 기상 현상, 기계적 특성 등에 주의해야 한다. (항공기에 관한 배경지식이 없을 때 [항공우주과학] 항공기의 기초를 먼저 읽으면 더욱 좋습니다.)
이륙
1. 이륙이란? 이륙은 항공기가 지상에서 공중으로 비행하는 과정을 말한다. 이륙 절차는 그라운드 롤(지상활주) -> 회전 -> 전환 -> 상승이다.
지상활주
지상에서 비행에 필요한 힘을 얻기 위해 가속하는 구간이다. 이 과정에서 속도가 이륙결심속도(V1)보다 빨라지면 이륙 중지할 수 없고 반드시 이륙해야 한다.
회전
항공기의 속도가 이륙전환속도(Vr)에 다다를 때 조정간을 당겨 양력을 상승시키는 구간이다.
전환
항공기가 지면에서 부양하고 상승 자세를 갖추기까지의 곡선 비행 구간을 뜻한다. 이때 활주로에서 이탈하여 장애물고도(약10.7m)까지의 속도를 V(lof)라고 한다.
상승
항공기가 상승 자세를 갖추고 직선으로 상승 비행하는 구간이다. 항공기가 실속하지 않고 상승할 수 있는 안전이륙속도(V2)가 전환과 상승 단계를 구분 짓는다.
2. 이륙 시 기상의 영향
기온
온도가 높아지면 공기 밀도가 낮아져서 엔진의 출력이 감소한다. -> 이륙 거리 증가
날씨(비)
항공기의 무게를 증가시키고 뒤쪽에 충격을 가하기 때문에 항력이 커지고 양력이 작아진다. -> 이륙 거리 증가
바람(배풍)
맞바람이 불면 속도를 감소시킨다. -> 이륙 거리 증가
바람(측풍)
옆에서 불어오는 바람은 항공기를 활주로의 중심 바깥으로부터 밀어낸다. -> 러더와 에일러론 조작
3. 이륙 시항공기 특성의 영향
플랩
이륙 시 플랩을 펼치면 양력이 증가한다. -> 이륙 거리 감소
속도
항공기의 고도가 일정하다고 가정하면 양력과 중력은 같다. 이때 양력은 유체(공기)의 압력이므로 양력(L) = (1/2)ρV^2 + ρgh이고 양력은 속도의 제곱에 비례한다. 즉 속도가 빠르면 양력이 커진다. -> 이륙 거리 감소 (이륙 시 항공기의 속도에 따른 이륙거리 : $S = \frac{v^2}{2a}$)
중량
중량이 증가하면 이륙에 필요한 양력과 이륙전환속도(Vr)에 도달하기 위한 거리가 증가한다. -> 이륙 거리 증가(중량의 제곱에 비례하여 증가)
받음각
받음각이 증가하면 속력과 양력이 증가한다. 그런데 받음각이 너무 커지면 양력이 오히려 감소하는데 이것은 흐름의 박리 때문이다. 흐름의 박리는 날개 뒤쪽의 공기가 흐르지 못하는 공간이 커서 날개의 앞뒤로 공기의 흐름이 급격하게 변할 때 발생하는 공기의 소용돌이이다. 이는 항력을 증가시키고 양력을 잃게 하는데 이것이 실속이다. -> 이륙 거리 감소(실속하지 않을 때)
4. 이륙 시기타 주의 사항
실속
실속은 항공기의 양력이 급감하고 항력이 급증하여 추락하는 현상이다. 실속하지 않기 위한 최소 속도를 실속 속도라고 하며 안전이륙속도(V2)는 실속 속도의 1.2배 정도 되어야 한다. 또한 받음각이 지나치게 커지면 안 된다.
소음
항공기는 공기와 마찰하면서 생기는 공기역학적 소음과 엔진에서 발생하는 엔진 소음을 수반한다. 주변 환경에 미치는 엔진 소음을 줄이기 위해 엔진의 블레이드 숫자와 회전 속도를 조절하고 흡음재를 장착하며 민가 주변에서 소음 저감 이륙절차인 NADP를 적용한다.
iii)항공기 중량과 이륙거리의 관계 $2as = v^2 - v_{0}^2$ $S = \frac{v^2}{2a}$ 이고 서로 다른 항공기에 대하여 비례관계를 세우면 $\frac{S_2}{S_1}=(\frac{v_{2}}{v_{1}})^2(\frac{a_1}{a_2})$와 같다. 이때 $v\propto\sqrt{W}$ $a\propto\frac{1}{W}$이기 때문에 $\frac{S_2}{S_1} = (\frac{W_2}{W_1})^2$이다.
순항
1. 순항 비행이란? 항공기는 이륙한 후 대부분의 시간을 상승 추력을 순항 추력으로 바꾸어 수평으로 비행한다. 이 과정을 레벨 오프라고 한다. 레벨 오프한 뒤 항공기는 큰 조종 없이 일정하게 비행하는데 이를 트림(Trim)이라고 한다. 다만 러더, 엔진 출력 등을 조절해서 균형을 잃지 않게 하는 트림 잡기(take trim)을 해줘야 한다.
2. 순항 시 기상의 영향
대기순환
북반구에서는 서쪽으로 운항할 때 북태평양 항공로를 이용하여 편서풍과 제트기류의 도움을 받고 동쪽으로 운항할 때는 편서풍의 도움을 받지 못하는 대신 구름과 난기류가 적은 북극항공로를 이용한다.
청천난류
맑은 하늘에 생기는 난기류로 주변 공기가 파도치듯 교란되는 현상이다. 레이더에 잡히지 않기에 언제 닥칠지 예측하기 어렵다.
구름
난기류, 벼락 등을 동반하고 비행기 외부에 착빙(얼음이 생기는 현상)이 생길 수 있어서 까다롭다.
3. 순항 시 항공기 특성의 영향
속도
항공기가 공기를 가르며 나아가기 전에 분자와 충돌하는 데 속도가 마하(음속)보다 커지면 그 충격이 커져서 조파항력이 발생한다. 특히 음속은 온도가 낮아지면 그 속도가 상대적으로 감소하기 때문에 항공기의 속도가 비교적 커지고 충격이 발생할 수 있다. 그래서 고도를 높일 때는 이 점에 유의해야 하며 비행기의 앞부분을 뾰족하게 만들어서 충격을 덜 받게 한다.
중량
항공기의 중량은 운항할 때 소모하는 연료로 인해 계속 가벼워져서 무게중심을 유지하기 위해 기수를 천천히 내려주어야 한다.
양항비
양향비는 양력을 항력으로 나눈 값으로 공기역학적 효율의 척도이다. 수평 운항 시, 양력은 중력과 같기 때문에 양항비는 주로 항력에 의해 좌우된다. 특히 항력은 양력에 따라 발생하는 유도 항력과 공기 저항에 따라 발생하는 유해 항력으로 구분한다. 이 둘은 각각 속도 제곱의 반비례하고 비례하는데 그래프로 표현하면 다음과 같다. 이때 유도 항력과 유해 항력이 같을 때 최대 양항비를 가지며 더 멀리 비행할 수 있다.
자동 조종 장치
피드백 제어 시스템에 전자항법VOR, 편류 오차 시스템, GNSS, 인공위성 등을 이용해서 여러가지 방식으로 항공기 조종을 돕고 있다.
4. 순항 시기타 주의 사항
추력 상실
엔진의 추력이 상실되었을 때 이론적으로 추력은 0이므로 항력을 극복하기 위해 강하 비행을 해야 한다. 이때 활공각은 최대 양항비일 때 최소 활공각을 갖는다.($\frac{D}{L}=\frac{W\sin\theta}{W\cos\theta}= \tan\theta$) 이때 활공 속도는 실속 속도보다 커야 되며 최대양항비를 가지고 최소강하율(적은 고도의 변화로 얼마나 멀리가는가)을 만족해야 한다. 또한 추력 상실로 인한 추락을 대비하기 위해 직선 경로가 아닌 주변 공항 주위를 지그재그로 운항하는 경로를 가진다.
경제성
항공기가 운항하는 데 있어서 경제성을 매우 중요하다.특히 인천에서 LA까지의 석윳값은 1억이 넘을 만큼 연료 비용이 많이 들기 때문에 경제 순항을 한다. 경제 순항이란 일정량의 연료로 비행할 수 있는 최대 거리 속도보다 3~5% 빠르게 운항하는 것이다. 이는 비행시간을 줄이면서 항속 거리의 손실이 크지 않은 정도이다. 반면에 인건비도 고려해야 한다. 인건비가 비싸고 연료비가 상대적으로 싸다면 고도를 높여 빠르게 비행하고 인건비를 아껴야 한다.
선회
1. 선회 비행이란?
선회 비행은 항공기의 진행 방향을 바꾸기 위해 에일러론과 러더를 조작하여 비행하는 것이다. 선회 중 고도의 변화에 따라 상승 선회, 수평 선회, 강하 선회로 분류하며 힘의 균형이 안정적인가에 따라 균형 선회와 불균형 선회로 분류한다.
2. 선회 시 기상의 영향
바람
바람의 세기와 방향에 따라 러더와 에일러론을 적절히 조종해야 한다.
3. 선회 시 항공기 특성의 영향
속도
선회 비행 시 수평 속도 성분이 cosθ에 비례하여 감소한다. 즉 실속 속도가 1/cosθ에 비례하여 증가한다는 것이다. 그러므로 증속 없이 선회해서는 안 된다.
비행 포위 선도
이 그래프는 속도에 따른 하중계수를 표현한 것이다. 추가로 하중계수가 너무 커지면 비행기의 구조에 무리가 가므로(날개가 부러지는 등) 일정 값에서 수평선으로 표현된다. 또한 코너속도를 가지는 기동점에서는 최대 하중계수를 가지면서 속도가 최소인 위치로 가장 작은 회전반경을 가진다.
하중계수
선회 비행 시 비행기는 기존의 무게보다 더 큰 무게를 감당해야 하는데 이를 표현하는 것이 하중계수다. 하중계수(n) = 양력(L)/무게(중력)이고 경사각에 따라 유효 양력(=W)이 바뀌므로 n = 1/cosθ로 쓸 수 있다. 이에 따라 경사각이 60도이면 항공기의 무게는 2배가 되고 추락하지 않기 위해서는 2배의 양력이 필요하다.
i)속도와 회전반경의 관계 구심력 $F$에 대하여 $F=m\frac{v^2}{R}=L\cos\theta$이고 무게에 대하여 $W=mg=L\cos\theta$ 이다. 위 식을 $R$에 대하여 정리하면 $R=\frac{v^2}{g\tan\theta}$ 이다. 이때 하중계수를 이용하면 $\tan\theta = \sqrt{n^2-1}$ $R = \frac{v^2}{g\sqrt{n^2-1}}$로 정리할 수 있다.
착륙
*접지속도는 V(TD)입니다.
1. 착륙이란? 착륙은 비행기가 공중에서 땅으로 접지하고 완전히 정지하기까지의 과정을 말한다. 착륙 절차는 접근 -> 플레어 -> 접지 -> 디로테이션이다.
접근
항공기는 먼저 착륙하기 위해 고도를 낮춘다. 이때는 사이클로이드 곡선 경로를 따른다. 사이클로이드 곡선은 가장 짧은 강하 시간을 가지는 경로로 직선으로 움직이는 원 위의 한 점에 대한 자취로 정의된다. 한편 충분히 고도를 낮춘 뒤에는 착륙 장치(바퀴)를 내리고 플랩을 작동한다. 플랩은 양력을 증가시켜 저속에서도 실속하지 않고 고도를 내려 접근할 수 있다.
플레어
접지하기 전 엔진의 추력을 낮추고 기수를 올려 부드러운 착륙을 준비한다.(플레어 속도 = 접근 속도의 95%)
접지
지면과 닿는 과정으로 속도를 늦춰 충격을 줄이고 뒷바퀴부터 접지시킨다.
디로테이션
후방의 주착륙장치 접지 후 전방 착륙 장치를 접지시키는 과정이다. 여기서 빠르게 접지할 경우 과도한 하중이 실리지만 착륙거리를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
지상 활주
디로테이션이 끝나고 지상에서 완전히 정지하기까지의 과정이다. 스포일러와 브레이크를 작동한다. 이에 더해 엔진 리버스 레버, 엔진 중간 부분을 개방하여 공기를 경사된 방향으로 배출해서 엔진 추력을 역방향으로 전환한다.
2. 착륙 시 기상의 영향
바람
뒤에서 불어오는 배풍의 경우 착륙거리가 늘어나며 측풍이 불면 착륙방향을 비틀거나 비행기 기수를 기울여야 한다.(크랩 착륙과 윙로 착륙)
고도
착륙하고자 하는 공항의 고도가 높으면 착륙 거리가 줄어든다.
밀도
착륙하고자 하는 지역 대기의 밀도가 낮으면 착륙 거리가 줄어든다.
구름
구름의 양이 많고 지면 혹은 수면과의 수직 거리가 가깝다면 조종사가 시야를 확보하기 어려워 착륙에 주의가 필요하다. (안개도 마찬가지다.)
3. 착륙 시 항공기 특성의 영향
하중
항공기가 무거우면 그것을 떠받치는 양력을 키우기 위해서 받음각이 커지고 자연스레 강하각이 작아진다. 또한 착륙 허용 중량은 이륙 허용 중량보다 낮은데 그 이유는 착륙할 때의 실속이나 충격을 최소화하기 위해서이다.
바퀴
착륙 장치의 바퀴는 항공기의 하중을 버티기 위해 특수 소재로 제작된다. 바퀴의 위치와 개수는 항공기의 특성에 따라 상이하다.(큰 항공기일수록 여러 개의 바퀴를 부착하여 하중을 분산한다.)
4. 착륙 시 기타 주의사항
강하율
강하율은 단위 거리당 감소한 고도의 비율이다. 이것은 속도에 영향을 받는다. 속도가 크면 강하율이 낮고 더불어 조종사의 시야도 좁아진다. 반면 속도가 작으면 강하율이 높고 비상 시 재이륙이 어렵다.
역승강타 효과
승강타(엘리베이터)를 조작할 때 기체가 비정상적으로 움직여서 착륙할 때 예상보다 저고도인 현상이다.
지면 효과
지면이 날개에 생기는 유도항력을 감소시켜 양력이 증가하고 항력이 감소한다.
테일스트라이크
착륙할 때 동체의 뒷부분이 지면에 긁히는 현상이다. 접지할 때 기수를 너무 올리면 발생한다.
사이드슬립
항공기에 작용하는 구심력이 클 때 바람이 불어오는 쪽으로 발생하는 미끄럼이다. 측풍 착륙할 때 의도적으로 발생시키는 사례가 있다.
iii)지상활주거리(접지 후) $a=\frac{dV}{dt}=\frac{dS}{dt}\frac{dV}{dS}=V\frac{dV}{dS}$이고 이것을 정리하면 $dS=\frac{VdV}{a}$이다. $a=\frac{g}{W}F$라 할 때 위 식을 적분하면 $S=\frac{1}{a}\int_{V_{TD}}^{0} V \text{d}V$ $S=\frac{WV^2_{TD}}{2gF}$이다.
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