STABILITY (항공기 안정성)

항공기의 안정성은 항공기의 초기 반응성과 대기 (WIND GUST, 대기열) 에 의해 움직이는 경향으로 2가지 STAGE 가 있다.
STATIC STABILITY : 초기 반응 (INITIAL RESPONSE)
DYNAMIC STABILITY : 나중 반응 (SUBSEQUENT BEHAVIOR)

항공기 조종성에 영향을 미치는 요소로 안정성에 대해 알아본다.

STABILITY

STATIC STABILITY

항공기가 만약 TRIMMED 된 상태로 되돌아가려고 한다면, 이것은 POSITIVE STATIC STABILITY 거나 STATICALLY STABLE 상태이고, 접시안에 찻잔과 같을 것이다 (figure 2-1).
만약 항공기가 NEUTRAL STATIC STABILITY 를 가지고 있다면, 평평한 곳이 있는 Marble 처럼 새로운 조건으로 머물러고 할 것이다. (figure
2-2). 만약 항공기가 NEGATIVE STATIC STABILITY 를 가지고 있다면, 항공기는 불안정 할것 이고, 방해를 받았을 때, 불룩한 접시에 marble이 있는 것 처럼 그 상태를 벗어나게 될 것이다. (figure 2-3).

DYNAMIC STABILITY

DYNAMIC STABILITY는 방해를 받은 이후의 경향이다. 항공기는 많은 외부의 힘에 영향을 받는다.
순항을 할 때, 균형이 맞춰진 상태이다. 항공기가 방해를 받을 때, 힘이 변화 하여 경향이 결정 된다.
항공기가 DYNAMIC STABLE 하게 되면 진동이 빠르게 줄여지게 될 것 이다.

Stability and Maneuverability

POSITIVE STABILITY 를 가지고 있는 항공기는 운항 고도가 맞춰 졌을 때 (TRIMMED) 고도가 잘 유지 되기 때문에 UNSTABLIE 항공기 보다 쉽게 비행 할 수 있다.
STABILITY 는 대단한 것이 아니지만, MANEUVERING 을 위해 적은 힘으로 비행을 하기 위해 필요 하다.
불안정한 항공기 운항시 수정조작이 지속적으로 필요 하다. 안정적인 항공기는 거의 손을 놓고도 비행 할 수 있고, 운항을 위해 매우 수정 조작만 필요로 한다.
항공기 제작을 위해서 디자이너는 항공기의 사용 목적에 맞게 안정성과 조종성을 고려 해야만 한다. 예를 들어 승객 운송 항고기는 더 안정성이 있어야 하고, 전투기는 조종성이 더 좋아야 한다.
항공기의 안정성에서는 각 축 (AXES)들이 중요 하다.

Airplane Equilibrium

항공기의 평형 상태는 모든 항공기의 힘과 MOMENT 가 ZERO 인 상황이다. 이 상태는 항공기가 직진으로 일정한 속도로 비행 하고 있음을 뜻한다. 항공기가 잘 TRIM 된 상태라면, PITCH, ROLL, YAW 의 MOMENT 가 ZERO 이다.
항공기에는 4가지 힘 (LIFT, WEIGHT, THRUST, DRAG) 이 작용 한다.
항공기가 STRAIGHT AND LEVEL FLIGHT (직선 순항) 일 때 항공기에 작용하는 힘은 평형 상태이고, 반대로 작용 하는 힘이 모두 동일 같아서 항공기에 작용 하는 힘이 ZERO 인 상태 이다.
LIFT = WEIGHT, THRUST = DRAG
일반적으로 WEIGHT + LIFT 가 DRAG + TRUST 보다 크다. 예를 들어 LIFT + WEIGHT 가 2000 LBS 일 때, THRUST + DRAG 는 200 LBS 이다. (이때, LIFT/DRAG 비율은 2,00%00 = 10:1). WEIGHT 는 연료를 소모함에 따라 감소하게 되고 필요 LIFT 역시 줄어들게 된다. THRUST 와 DRAG 는 ANGLE OF ATTACK 과 AIRSPEED 에 따라 달라지기만 한다.

Pitching Moments

LIFT 가 작용하는 위치는 CP (CENTER OF PRESSURE) 를 통과 하고, WEIGHT 가 작용하는 지점은 CG (CENTER OF GRAVITY) 를 통과 한다. 항공기에 승객이나 짐, 연료가 실렸을 때, CG 의 위치가 정해진다. 일반적으로 승객은 움직이지 않고, 짐들도 묶여 있고 연료만 소모하게 된다. CP 의 위치는 ANGLE OF ATTACK (AIRSPEED) 에 의해서만 변하게 된다.
대부분의 환경에서 CP 와 CG 는 같은 위치가 아니다. NOSE DOWN PITCHING MOMENT 는 LIFT 가 WEIGHT 뒤에 있는 상태 이다. (CP 가 CG 뒤), NOSE UP PITCHING MOMENT 는 CP 가 CG 앞에 있는 상태 이다.
THRUST 가 작용 하는 LINE 과 DRAG 가 작용하는 LINE 도 다르다. NOSE UP PITCHING MOMENT 를 만들어 내기 위해서 DRAG 는 THRUST 보다 뒤에 있어야 하고, NOSE DOWN PITCHING MOMENT 를 만들기 위해서는 THRUST LINE 밑에 DRAG 가 작용 하는 LINE 이 있어야 한다.
LEVEL FLIGHT (직전 비행) 에서는 두개의 힘들이 평형을 이루어 NOSE UP 이나 DOWN 상황을 만들지 않는다.


Ideally, the lines of action of the two couples are designed to be as shown in figure
2-9. With this arrangement the
THRUST-DRAG 가 NOSE UP PITCHING MOMENT 를 만들고, LIFT-WEIGHT NOSE DOWN PITCHING MOMENT 의 영향을 거의 없게 만든다. 그러면 ELEVATOR의 조작이 적거나 TRIM 이 거의 필요가 없다.
LIFT-WEIGHT 가 NOSE DOWN PITCHING MOMENT, THRUST-DRAG NOSE UP PITCHING MOMENT 가 서로 균형을 이룬다.
만약 ENGINE FAILURE 이후, THRUST 가 없어진다면, THRUST-DRAG 의 NOSE UP MOMENT 가 약해져 LIFT-WEIGHT 에 의해 항공기는 조종사의 어떠한 조작 없이 NOSE DOWN 이 되고 비행 속도의 감소 없이 활강 (GLIDE) 자세가 된다.
드문상황이지만 MOMENT 의 합이 ZERO 가 된다.
이 힘들은 HORIZONTAL STABILIZER 와 ELEVATOR 에 의해 만들어 진다.

The Horizontal Stabilizer

HORIZONTAL STABILIZER 는 LIFT-WEIGHT, DRAG-THRUST 의 PITCHING MOMENT 를 상쇄 시킬 수 있다.
AIRFOIL 모양으로 ANGLE OF ATTACK 에 의해 AERODYNAMIC FORCE 를 만든다.
LIFT 는 조종사에 의해 UPWARD 또는 DOWNWARD 로 작용 할 수 있다. 왜냐하면 HORIZONTAL STABILIZER 는 보통 대칭적인 모양을 하고 있기 때문이다.
항공기에 작용 하는 MOMENT 가 NOSE-DOWN 이면, HORIZONTAL STABILIZER 는 항공기 TAIL 에서 아래쪽으로 힘이 작용 하게 된다. NOSE UP MOMENT 를 만들어 NOSE-DOWN MOMENT 와 균형을 이루게 만든다.
왜나하면 HORIZONTAL STABILIZER 는 CG 과 거리가 있고 MOMENT ARM 이 꽤 길다. 따라서 HORIZONTAL STABILIZER 는 조금의 힘만 있어도 큰 효과를 나타낼 수 있다. 결과적으로
대부분의 항공기는 순항 속도에 가장 효율적으로 디자인 되어 있다.
디자인에 의하여 순항 하는 동안 LIFT-WEIGHT, DRAG-THRUST 가 거의 평형을 이루고, HORIZONTAL STABILIZER 는 균형을 맞추기 위해 적은 힘만 필요하게 된다.
일반적으로 항공기의 CP (CENTER OF PRESSURE) 는 CG의 앞쪽에 있어서 HORIZONTAL STABILIZER 는 아래쪽으로 약간의 힘을 만들어 낸다.
항공기 POWER SETTING 이 바뀜에 따라, PITCH 가 변한다. 왜냐하면 HORIZONTAL STABILIZER 위를 지나는 SLIPSTREAM 의 속도가 변하기 때문이다. POWER 가 줄어들었을 때, HORIZONTAL STABILIZER 위를 지나는 SLIPSTREAM 은 약해지고, 아래로 향하는 힘 (DOWNWARD FORCE) 이 약해져 NOSE DOWN PITCH 가 된다. 반대로 POWER 가 증가하면 SLIPSTREAM 이 빨라져 HORIZONTAL STABILIZER의 영향이 커지고, 아래로 향하는 힘이 커져 NOSE UP PITCH 가 된다. 그러므로 POWER 가 바뀌면 다시 TRIM 을 맞춰 주어야 한다.

Angular Movement

항공기의 3축은 CG 를 통과 하고 서로 수직 이다.
LONGITUDINAL AXIS (세로축) 은 CG 를 앞에서 뒤쪽으로 통과 하고 축을 기준으로 ROLL 이 생긴다.
LONGITUDINAL AXIS 주변의 STABILITY 를 LATERAL STABILITY 라고 한다.
LATERAL AXIS 는 CG 를 옆으로 통과 한다. 이 축을 기준으로 생기는 움직임을 PITCHING 이라고 한다. (NOSE UP, NOSE DOWN). 이축 기준으로의 STABILITY 는 LONGITUDINAL STABILITY 라고 한다.
VERTICAL AXIS 는 CG 를 위에서 아래로 통과 하고 다른 두 축과 수직을 이룬다. 이 축 이준으로의 움직임은 YAWING 이라고 하고 DIRECTIONAL STABILITY 라고 한다.

Longitudinal Stability

LONGITUDINAL STABILITY 는 LATERAL AXIS 를 기준으로 하는 항공기의 PITCHING 이다
항공기가 안정적 이라면 어떠한 방해를 받더라도 같은 자세로 자연스럽게 되돌아 오려고 할것 이다. 따라서 LONGITUDINALLY STABLE 하면 PITCH 조작이 쉬워진다. LONGITUDINAL STABILITY 은 CG 의 위치와 HORIZONTAL STABILIZER 의 크기로 결정 된다.
항공기가 돌풍(GUST) 에 의해 방해 받아 자세가 바뀌게 되오 기수가 들리게 되면 ANGLE OF ATTACK 이 커지게 된다. 이것이 HORIZONTAL STABILIZER 가 위로 향하는 힘을 만들거아 아래로 향하는 힘을 축소 시킨다. 이렇게 되면 CG 를 기준으로 하여 AERODYNAMIC FORCE 를 증가 시키고 NOSE DOWN MOMENT 를 만들게 된다. 그래서 항공기는 다시 원래의 TRIM 된 저세로 돌아가게 된다.

figure 2-17 . 2-18,
다트(DART) 와 날라가는 화살이 좋은 예시가 된다. 꼬리의 깃털이나 날개가 항공기의 HORIZONTAL STABILIZER 처럼 작용 하여 LONGITUDINAL STABILITY 를 유지 하도록 해준다.

The CG and Longitudinal Stability

항공기의 LONGITUDINAL STABILITY 는 HORIZONTAL STABILIZER 의 크기와 CG 와의 거리로 결정이 된다. 조종사는 CG 의 위치에 따라 많은 조종이 필요 하다. CG 가 앞으로 움직이면 HORIZONTAL STABILIZER 의 MOMENT ARM 이 최대가 되어 지랫대 효과 (LEVERAGE EFFECT) 가 최대가 되고 HORIZONTAL STABILITY 가 최대가 된다. CG의 위치는 제한이 있기 때문에 안전한 비행을 위해서 허용된 CG 범위 안에 위치 하여야 한다. 만약 CG 가 허용 범위 보다 더 뒤쪽에 위치 하게 되면 HORIZONTAL STABILIZER 와의 MOMENT 가 매우 작아져 PITCH 가 충분하게 움직이지 못하고 심한 경우 조종이 불가능 할 수도 있다.
CG 가 허용 범위 보다 더 앞쪽에 위치 하면 착륙을 위해 저속에서 FLARE 시 NOSE 가 무거운 상태가 되어 ELEVATOR 는 충분한 성능을 발휘 하지 못하게 된다

Design Considerations

TAILPLANE 의 형상은 LONGITUDINAL STABILITY 에 매우 중요하다. HORIZONTAL STABILIZER (수평꼬리날개), CG로 부터의 거리, ASPECT RATIO (날개의 가로세로비), ANGLE OF INCIDENCE(입사각), LONGITUDINAL DIHEDRAL(상반각) 이 항공기 제작시 고려 된다. 디자인의 목적은 긴 MOMENT ARM 을 통해 항공기 자체의 회복력을 만들어 LONGITUDINAL 안정성을 만들어 내기 위함이다. 날개가 높은 ANGLE OF ATTACK 일때, HORIZONTAL STABILIZER 의 역할을 방해하거나 TURBULENT 한 공기가 흐르게 할것 이다. 따라서 LONGGITUNIAL STABILITY 가 감소 하게 된다.
* LONGITUDINAL DIHEDRAL (상반각) 은 ANGLE OF INCIDENCE (입사각) 과 다르다. 입사각은 일반적으로 HORIZONTAL STABILIZER 의 ANGLE OF INCIDENCE 보다 작다.

Directional Stability

항공기의 방향 안정성 (Directional stability) 은 VERTICAL AXIS 를 축으로 하여 YAWING 이 방해 받을 때 회복하는 자연적인 경향성이다. 이 현상은 WEATHERVANE (풍향계) 와 같이 항공기 NOSE 가 바람이 불어오는쪽으로 향하는 현상 이다.
만약 항공기가 직선 운항을 하고 있는 도중 TURBULENCE 나 어떠한 컨트롤에 의해서 방해를 받는다면, 항공기 NOSE 나 TAIL 이 한쪽으로 밀려 YAWED 될것 이다. 그 이후 항공기는 다시 원래의 방향 (직진) 으로 되돌아 온다.
RELATIVE WIND (상대풍)가 항공기의 SIDE SURFACES, KEEL SURFACES(용골) 을 부딫치면서 항공기는 옆으로 움직인다.
VERTICAL STABILIZER (수직꼬리날개, 수직안정판) 은 대칭적인 AIRFOIL 이다. 이것이 RELATIVE AIRFLOW 와 ANGLE OF ATTACK 을 가진 상태가 되고, 이것이 옆으로 움직이는 AERODYNAMIC FORCE 를 만들어 CG와 연계되어 항공기를 원래의 위치로(직진) 으로 위치하게 만든다.
CG 의 위치와 VERTICAL STABILIZER (FIN) 의 크기가 DIRECTIONAL STABILITY 를 결정 한다. 큰 VERTICAL STABILIZER 면적과 KEEL SURFACE AREA 가 CG 뒤에 있으면 MOMENT ARM 이 커져서 DIRECTIONAL STABILITY 가 커진다. 그러므로 CG 가 앞에 있을 수록, DIRECTIONAL STABILITY 가 좋아진다.
항공기가 TURBULENCE 를 만나면 YAWING EFFECT 의 결과로 POWER를 조절 해야 한다. SLIPSTREAM 이 VERTICAL STABILIZER 를 지나가면서 초래하는 변화 때문에 RUDDER 사용 량도 많아질 수 있다.

Lateral Stability

LATERAL STABILITY 는 항공기가 측면안정성에 어떠한 방해를 받을 때, 조종사의 어떠한 조작 없이 회복하는 항공기의 능력이다. (LONGITUDIANL AXIS 를 축으로 하여 ROLLING 할 때)

Wing Dihedral

날개는 동체에 날개 끝쪽이 위쪽을 향하고 있는 상반각 형태를 가지고 있다면 항공기에 LATERAL STABILITY 에 도움을 줄 수 있다. 항공기의 ROLL 이 방해를 받는 다면, LIFT 가 증가 하여 항공기를 옆으로 미끄러지게 한다. (SIDESLIP)
SIDESLIP 은 RELATIVE AIRFLOW 에 의해, 약간 위쪽을 향하고 옆으로 향하는 요소들 떄문에 SIDEWAY 와 DOWNDARD 움직임이 합쳐진 형태이다.
figure 2-23.