항공기의 안전성(stability)

항공기의 축

항공기의 축은 3가지로 구분 짓는다.
가로축(lateral axis) 세로축(longitudinal axis) 수직축(vertical axis)

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가로축(LATERAL AXIS)

가로축(lateral axis)에 대한 운동은 pitching by ellevator / 가로축(lateral axis)에 대한 안정성은 longitudinal stability이다.
pitching은 horizontal stabilizer에 있는 elevator 조작으로 이루여지며, elevator 조작에 따른 chord line의 변화로 AOA가 변화되어 lift 의 증감에 따라 pitching 현상이 이루어진다.

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세로축(LONGITUDINAL AXIS)

세로축(longitudinal axis)에 대한 운동은 rolling by aileron /세로축(longitudinal axis)의 대한 안정성은 lateral stability이다. rolling은 aileron 조작에 의해 이루어지며 , 선회하는 방향의 aileron이 올라가고(CHORD LINE 변화에 따른AOA감소) , 반대방향의 aileron이 내려가면서(AOA증가) 양 날개의 lift 차이에 의한 rolling 현상이 이루어진다.

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수직축(VERTICAL AXIS)

수직축(vertical axis)에 대한 운동은 yawing by rudder / 수직축(vertical axis)에 대한 안정성은 directional stability이다.
*항공기의 운동은 무게중심(center of gravity)를 기준으로 이루어진다.
*moment = weight x arm

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세로 안정성(longitudinal stability)

세로안정성(longitudinal stability)란 가로축(lateral axis)에 대한 안정성이다.
위 그림에서와 같이 horizontal stabilizer(수평안정판)가 항공기 nose 와 상반되는 aerodynamic force를 발생시켜 세로 안정성을 부여한다.

forward cg 일수록 longitudinal stability가 좋아진다. 더욱 긴 arm의 값때문에 moment가 더 크게 발생하기 때문이다.
반대로 aft cg 는 작은 moment 때문에 longitudinal stability가 낮다. 세로안정성(longitudinal stability)의 영향을 미치는 요소는 4가지이다.
1. cg와 cp의 위치 상관관계
2. horizontal stabilizer의 위치와 크기
3. thrust line ( 추력선 )
4. canard wing ( 카나드 윙 )


a. cp(center of pressure)와 cg(center of gravity)의 위치 .
cp가 cg보다 뒤에 위치하여야 세로 안정성이 확보된다.
cp가 cg보다 앞에 있다면 , 받음각(AOA)이 증가함에 따라 cp는 앞으로 이동하므로 받음각(AOA)이 더 커지려고 하는 피치 모먼트가 발생하기 때문에 세로 안정성이 떨어진다. b.수평 안정판의 위치 와 면적 .
horizontal stabilizer(수평안정판)이 클수록 , cg에서 거리가 멀수록 moment가 크게 발생함으로써 longitudinal stability(세로 안정성)이 증가한다.
세로안정성에서 가장 중요한 요소가 horizontal stabilizer이다.
수평안정판은 항공기 날개 에어포일과 상반되게 역 캠버 형태를 가진다.
이로 인해 수평안정판(horizontal stabilizer)에서는 tail down force가 발생하여 pitch up moment 가 생기고 CG가 CP보다 앞에 있으므로 pitch down moment가 생성되어 이 두 moment가 균형을 이뤄 longitudinal stability를 가지는 것이다.

c. 항공기 속도 .
pitch up 상태로 인해 항공기 속도가 감소하면 수평안정판(longitudinal stability)의 tail down force가 감소하여 pitch up moment가 약해져 pitch down 하게 되어 수평자세로 돌아오게 된다. pitch down상태에서 항공기 속도가 빨라지는 경우에는 tail down force가 증가하여 pitch up 하게 되어 수평자세로 돌아오게 된다. d. 추력 .
추력이 증가하면 내리흐름(downwash)의 증가로 horizontal stabilizer의 tail down force 가 증가하여 pitch up moment를 발생시킨다. 추력이 감소하면 내리흐름(downwash)의 감소로 tail down force도 감소하여 pitch down moment를 발생시킨다. e. 추력선(thrust line) . ( 1. 추력증가에 따른 tail down force의 증가 2. 추력 증가시 cg와 추력선의 상하 위치 상관관계에 따른 pitch moment )
추력선이 cg보다 아래에 있다면 추력증가 시 pitch up moment 발생하고 ( 추력 증가에 따른 tail down force 의 증가로 nose up + below cg thrust line 으로 인한 nose up 으로 세로안정성 bad )
추력선이 cg의 위치와 같다면 추력에 따른 pitch moment는 발생하지 않는다.
추력선이 cg보다 위에 있다면 추력증가 시 pitch down moment가 발생한다. ( 추력 증가에 따른 tail down force 증가로 nose up + above cg thrust line 으로 nose down 으로 세로 안정성 good )

ref. 조종사 표준교재 2.4.2 , PM2 41p -60p , jeppesen ppm3-25~30

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가로 안정성(lateral stability)

가로 안정성(lateral stability)이란 logitudinal axis(세로축)에 대한 안정성이다. 즉, roll 안정성이라고 한다.
가로 안정성을 증가 시키는 요소는 다음과 같다.
1. 상반각(dihedral)
2. 후퇴각(sweep back)
3. high & low wing(고익 저익)
4. 용골효과(keel effect)
5.무게분포(weight distribution) 이 있다.



a.상반각(dihedral)

상반각은 가로 안정성을 부여하는 요인 중 비중이 크다. 날개의 상반각을 주어 의도치 않은 roll 현상이 발생했을 시 , 다시 roll out 하게 안정성을 부여한다. 상반각(dihedral)이란 날개뿌리보다 날개 끝이 위에 위치하는 각도를 칭하는 것.

사진에서와 같이 의도치 않은 roll 현상이 발생 했을때 , 기울여진 쪽 날개의 받음각(AOA)이 더 크므로 다시 ROLL LEVEL 하게 된다. 이처럼 상반각을 이용하여 lateral stability를 가질 수 있다.



b.후퇴각(sweep back) 과 고익기(high wing) , 저익기 (low wing)

후퇴각(sweep back)은 lateral stability(수평안정성)을 좋게 한다.
대략 10도의 후퇴각은 1도의 상반각의 효과를 가져온다.
후퇴익 항공기가 roll 하게 되면 아래로 내려간 쪽의 날개는 상대풍이 더 수직인 각도로 날개 전면에 작용하게 되고 , 그로인해 더 많은 양력이 생성되어 roll out 하게 된다.

고익기(high wing)는 저익기(low wing)에 비해 약 5도의 상반각 효과를 더 가져온다.
그래서 고익기 항공기가 하반각 날개를 장착하게 된다 할지라도 lateral stability를 취할 수 있다. ex.mc douglas C-17

ref. pm2 49p , phak 5-18

c.keel effect(용골효과)

고익기(high wing)에서 나타나는 특성으로 weather vane effect 라고도 한다.
배의 keel과 마찬가지로 이 용골효과는 항공기에도 적용된다. 항공기의 CG 위쪽부분이 keel area 이다. 배를 거꾸로 뒤집어 놓은 모양이라고 생각해봐도 된다.
항공기가 한쪽 방향으로 slip 하였을때 , keel area가 넓을 수록 수평안정성이 확보된다. 이러한 복원력이 생성되는 구역이 keel area인 것이다. 상대풍이 keel area에 부딫히며 복원력이 생성되어 다시 평형상태를 유지한다.
keel effect는 진자의 운동과 마찬가지로 용골의 위치에 따른 중력의 영향 과 용골의 무게중심에 의해 원래 상태로 돌아오려는 복원력을 형성한다.

ref. 조종사 표준교재 2.4.3 , jeppesen ppm 3-32

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방향안정성(directional stability)

방향안정성이란 항공기의 vertical axis(수직축)에 대한 안정성이다.
1. 수직안정판 2. 후퇴익 3. DORSAL FIN 4. SPOILER AFTER LANDING 5. weather vane effect 이 5가지가 방향 안정성에 기여한다.
방향안정성에 가장 큰 역할을 하는 것은 vertical stabilizer (수직 안정판) 이다 .
이 수직안정판(vertical stabilizer) 이 항공기의 기수를 다시 원래대로 복구시키려는 yawing moment를 만들어 낸다.
초기단계에서 항공기가 좌측 혹은 우측으로 기수가 변경되었을 때 수직안정판의 한면( 왼쪽기수변경에서는 오른쪽 면)
이 약간의 받음각이 형성되어져 yawing moment를 만들어 다시 원래대로 복구되어진다.
수직안정판(vertical stabilizer)가 뒤 쪽에 위치할 수록 , 면의 크기가 클 수록 방향안정성은 증대된다.

위 그림과 같이 후퇴익(swept wing) 또한 방향 안정성(directional stability)에 기여한다.
상대풍의 영향을 받는 양쪽날개의 면적 차이 때문에 양력(lift)가 서로 달라지게 되고 , 양력(lift)가 달라짐에 따라 유도항력(induced drag)도 달라지게 되어 결과적으로 틀어진 기수를 원래대로 복구 시키는 yawing moment를 발생시켜 방향안정성에 기여하게 된다.
* 후퇴익은 플랩의 효과를 감소시킨다.

ref. 조종사표준교재 32p-33p , jeppesen ppm 3-36-37

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수평안정성과 방향안정성의 상호작용


수평안정성과 방향안정성의 상호작용으로 인해 일어나는 현상은 두가지가 있다.
바로 dutch roll 과 spiral instability

더치롤 현상은 항공기에서 자연스럽게 발생하는 현상이다. 항공기가 한쪽 방향으로 롤링하는 중 다른쪽 방향으로 요잉이 일어나는 이러한 일련의 과정이 위상차이를 가지며 나타는 현상이다. 이 현상은 수평선에 8자모양을 그리는 형상으로 나타난다.

더치롤 현상은 상반각의 효과가 방향안정성보다 클때 두드러진다.

기전을 설명하자면 오른쪽으로 롤링이 발생할시 오른쪽으로 사이드 슬립이 발생 - 상반각의 효과로 인해 오른쪽 날개에서 lift가 더 크게 발생하고 항력도 더 크게 발생함 - 오른쪽 날개의 lift가 커짐에 따라 항공기는 roll out을 하려함 - 이시점에서 vertical stabilizer에서는 오른쪽으로 양력이 발생하여 기수를 왼쪽으로 향하게 하려는 moment 발생 - 꼬리날개가 기수를 정렬하려고 할때 , 항공기는 다시 왼쪽으로 roll 발생 - 여기서부터는 위의 일련의 과정들이 반복함에 따라 8자를 그리며 더치롤이 지속되어진다.

기본적으로 항공기는 dutch roll 경향보다 spiral instability 를 더 크게 가지는것이 바람직하여 이토록 설계한다.
yaw damper 기능을 이용하여 duchroll의 현상을 방지하며 자이로와 가속계 (gyroscope 와 accelerator)를 이용한다.

나선불안정성(spiral instability)는 정적 방향안정성이 수평안정성보다 강할때 나타나는 특성이다.
항공기가 sideslip이 발생했을때 강한 정적 방향안정성이 항공기 기수를 변화된 상대풍에 맞추어 정렬하려고
지속되는 yaw moment를 발생함으로써 또한 yawing에 따른 roll현상이 점진적으로 강화되어 나선 불안정성이 생기는 것이다. 만약 수평안정성이 정적 방향안정성보다 크거나 비슷하다면 이러한 나선 불안정성은 줄어들게 된다.

ref.https://www.boldmethod.com/learn-to-fly/aerodynamics/dutch-roll/ , 조종사표준교재 33p , jeppesen ppm 3-36

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정적안정성 동적안정성

정적안정성(static stability)란 간단하게 비행중 어떠한 외부요인으로 유지되는 상태가 깨졌을 때 다시 원래대로 돌아오려는 초기의 성질을 말한다.

동적안정성(dynamic stability)란 시간을 조건으로 하여 단위 시간내에 원래의 상태로 돌아오려는 경향성을 나타내는 안정성이다.

ref.조종사 표준교재 27p , jeppesen ppm 3-23