[항공기기술]항공기의 방향전환에 모든것

일전에 저에게 질문하신 분에게 충분한답변을 못해드린것같아서 공부좀하고 자료좀찾아서 이렇게 올려봅니다. 덕분에 저도 지식이 좀늘었네요^^ 비행기는 어떻게 방향을 바꿀까요? 2차원으로 운동하는 자동차는 핸들을 통해 방향을 조종하게 되지만,

비행기의 경우에는 3차원 으로 운동을 하게 되기 때문에,

역학적으로도 매우 복잡한 운동 메케니즘을 가지고 있습니다.

비행기의 운동을 수학에서 이야기하는 X, Y, Z 축과,

공학에서 이야기하는 Moment의 개념을 통해 간단히 소개하면,

X축에 해당하는 힘이 Rolling Moment,

Y축에 해당하는 힘이 Pitching Moment,

Z축에 해당하는 힘을 Yawing Moment 라고 합니다.

각 Moment 에 의해 발생되는 운동은 다음 그림과 같습니다.

각 축과 관련된 역학적인 내용은 다음에 다시 다루도록 하고, 이번 포스트에서는 only Z축과 관련된 Yawing 운동에 관해 알아볼려고 합니다. Yawing 운동은 쉽게 자동차에서의 좌회전, 우회전과 같습니다. 비행기의 좌,우 방향 전환은 크게 세가지 방법으로 할수 있는데, 첫번째 방법은 Yawing 운동과 관련된 비행기의 기관인 바로 다음 사진에 보이는 수직꼬리 날개의 Rudder 에 의한 방법입니다.

조종석에서 Ruddrer를 구동하는 장치는 아래 사진에서 원형안에 빨갛게 표시된 Rudder Pedal 입니다. 이 페달은 Rudder 뿐만 아니라 Brake Pedal 의 기능도 해주고 있는데, 페달의 윗면을 밟아주면 브레이크가 되고,아랫면을 밟아 주면 러더가 됩니다.
왼쪽 Rudder Pedal 을 밟아주면 수직꼬리날개의 Rudder는 왼쪽으로 움직이며, 이 때문에 수직꼬리날개의 오른쪽의 압력이 왼쪽에 비해 상대적으로 낮아져서 고압(왼쪽)에서 저압(오른쪽)으로 밀어내는 힘이 발생됩니다. 이에 수직꼬리 날개는 오른쪽으로 움직이게 되고, 비행기의 기수는 좌회전을 하게 됩니다. 반대로 오른쪽 Rudder Pedal을 밟으면 우회전을 하게 됩니다.

단, Rudder에 의한 방향 전환을 위해서는 비행기가 일정 속도 이상으로 빠르게 비행하고 있어야 합니다. Rudder의 특성을 가장 잘 볼수 있는 것이 바로 Crab Landing 입니다. 크랩 착륙은 비행기가 착륙시에 측풍이 불어서 활주로에 일직선으로 정렬이 불가능할때, 측풍을 고려해서 활주로와는 약간 비스듬하게 접근한후, Touch- down 전에 Rudder 를 차서 기수를 활주로와 일직선으로 정렬한후, 착륙하는 방법입니다. 김포공항에서는 흔히 볼수 있는 장면인데요. 아래는 크랩 착륙 사진입니다. 기수방향과 활주로 방향에 차이가 나는것을 볼수 있습니다.

Rudder에 의한 비행기의 방향 전환은

일정 수준 이상의 속도에서만 가능합니다.

실제로 현대의 여객기 같이 동체 길이가 매우 길고 큰 비행기의 경우에는
Taxing 과 같이 비행기의 속도가 매우 느린 상태

(들은바로 여객기는 규정상 Taxing 중 20 knot>를 넘을수 없다함)

에서는 Rudder만으로 방향 전환을 하기에는 한계가 있습니다.

비행기가 방향 전환시 특히 Taxing중 사용하는 것이,

바로 Tiller 라는 것입니다.

다음 사진은 A300-600의 Tiller 입니다.

핸들과 모양이 많이 비슷하지요? 실제로 민항의 대형여객기에는 대부분 이런 틸러가 기장석 또는 부기장석까지도 설치가 되어있습니다. Tiller를 좌 또는 우로 끝까지 돌리면 Nose-gear 가 65도 틀어집니다. 미세한 방향보정은 Rudder 를 이용하고, 그 외의 회전은 Tiller 를 이용합니다. 그리고 일단 비행기가 Runway 에 정렬한 후에 이륙 활주 중에는 Tiller 를 사용하지 않습니다. 이륙중에 일정속도 이상이 되면, 수직꼬리날개에 달린 러더가 움직임에 따라 방향조정이 가능하기 때문이지요.. 아래 사진은 B777기에서 부기장이 Tiller를 이용하여 Taxing중인 모습입니다. 좀 어두어서 잘보이지는 않는데, 오른쪽손으로 잡고 있는 것이 Tiller 입니다.

다음 사진들은 각 기종별 Tiller의 모습입니다. B747 Tiller 도 찾아봤는데, Airliners.net을 다 뒤져봐도 없더군요.--::

방향전환의 세번째 방법 은 제가 개인적으로 생각하는건데, 엔진의 추력을 이용한 것입니다. 엔진의 추력비를 다르게해서 좌우로 회전하는법 그러나 실제로는 엔진에 무리가 많이 가므로 쓰이지 않을것 같습니다. 예전에 한 영화에서 비행기가 벼락을 맞고 고장이나서 통제불능일때, 관제사의 인도에 따라 엔진의 추력비를 조절해서 좌우로 회전한 다음 안전히 착륙하는 것을 보았는데, 어디까지나 영화니까요.^^ 여기까지 비행기의 지상및 비행중에 방향 전환에 대해서 알아봤습니다. 여기서는 좌,우 Yawing운동에 한정했지만, 실제 비행기는 3차원으로 비행하기 때문에 Rolling, Pitching, Yawing 운동이 복합적으로 합쳐져서 운동하는 경우가 대부분입니다.