안정성과 제어(Stability and Control)

  항공기는 비행경로를 유지하고 여러 외부 교란으로부터 회복하기 위해 충분한 안정성을 갖추어야 한다. 항공기의 조종성이 좋다는 것은 항공기가 조종 장치의 움직임에 쉽게 그리고 신속히 반응한다는 것을 의미한다. 3개의 조종면은 3개의 축 각각에 대해 항공기를 조종하는 데 사용된다. 항공기의 조종면을 움직이는 것은 항공기의 표면 위를 지나는 공기의 흐름을 변경하기 위한 것이다. 다시 말하면, 이것은 수평 비행하는 항공기를 안정적으로 유지하기 위해 작용하는 힘의 균형에 변화를 일으키는 것이다.

  항공기의 안정성 측면에서 세 가지 용어인 안정성(stability), 기동성(maneuverability), 조종성(controllability)을 검토해 보자. 안정성은 항공기를 직선 수평비행 경로로 비행하게 하는 특성이다. 기동성은 예정된 비행경로를 용이하게 비행하게 하는 항공기의 특성이다. 조종성은 항공기가 운항하는 동안 조종사의 명령에 대한 항공기의 반응성을 나타낸 것이다.

 

1) 정 안정성(Static Stability)

  항공기는 항공기에 작용하는 모든 힘과 모멘트의 합이 0일 때 평형상태를 이룬다. 평형상태에 있는 항공기는 가속이 없고 안정된 상황이 지속된다. 돌풍 또는 조종 입력 등이 평형 상태를 교란(disturbance)하게 하 항공기는 모멘트 혹은 힘의 불균형으로 가속하게 된다. 정 안정성(static stability)의 세 가지 형태는 평형 상태에서 어떤 교란이 발생할 때 이에 대한 움직임의 특성에 의해 규정된다. 양(positive)의 정 안정성은 교란된 물체가 평형상태로 되돌아오려는 경향이 있을 때 존재한다. 반면에 음(negative)의 정 안정성 또는 정적 불안정은 교란된 물체가 교란의 방향으로 지속하려는 경향이 있을 때 존재한다. 중립(neutral)의 정 안정성은 교란된 물체가 어떠한 경향도 없이 교란의 방향에서 평형 상태로 남아 있지도 않을 때 존재한다.

 

2) 동 안정성(Dynamic Stability)

  동 안정성(dynamic stability)은 시간이 흐름에 따른 운동의 변화를 분석한 것이다. 만약 물체가 평형 상태에서 교란된 결과에 의해 초래된 운동이 있을 때 시간 이력(time history)이 물체의 동적 안정을 규정한다. 물체의 진폭이 시간 흐름에 따라 감소한다면 양의 동 안정성이라고 한다. 반면에 운동의 진폭이 시간 흐름에 따라 증가한다면 물체는 동적 불안정(dynamic instability)을 갖고 있다. 어떠한 항공기라도 정 안정성과 동 안정성의 요구도를 증명해야 한다. 만약 항공기가 정적 불안정과 빠른 비율의 동적 불안정을 갖고 설계된다면, 그 항공기는 비행하기 어렵다.

 

3) 세로 안정성(Longitudinal Stability)

  항공기가 상대 바람에 대하여 일정한 받음각을 유지하려는 경향성을 갖고 있을 때 세로 안정성(longitudinal stability)을 갖는다고 말한다. 즉, 항공기의 기수를 급격히 강하시키거나, 급격히 들어 올리거나, 실속하려는 경향이 없는 상태를 세로 안정성을 갖는다고 한다. 세로 안정성은 피치 운동을 나타내고, 수평 안정판(horizontal stabilizer)은 세로 안정성을 조종하는 1차 조종면이다. 수평 안정판의 작용은 항공기의 속도와 받음각에 따른다.

 

4) 방향 안정성(Directional Stability)

  수직축(vertical axis)에 대한 안정성은 방향 안정성(directional stability)으로 정의한다. 항공기는 직선 수평비행에 있을 때 항공기에서 조종사가 조종 장치에서 손과 발을 떼더라도 항공기의 비행 방향 진로를 유지하도록 설계되어야 한다. 만약 항공기가 미끄러짐으로부터 자동으로 복귀된다면 방향 균형을 위해 잘 설계된 것이다. 수직 조종면(vertical stabilizer)은 방향 안정성을 조종하는 1차 조종면이고, 방향 안정성은 대형 등지느러미(dorsal fin), 긴 동체, 후퇴익(sweptback wing)을 사용하여 개선할 수 있다.

 

5) 가로 안정성(Lateral Stability)

  항공기의 세로축에 대한 운동은 횡 운동(lateral motion) 또는 롤링(rolling) 운동이다. 이러한 운동으로부터 원래의 자세로 되돌아가려는 경향을 가로 안정성(lateral stability)이라고 정의한다.

 

6) 더치 롤(Dutch Roll)

  더치롤(dutch roll)은 요와 롤의 이상 조합으로 이루어진 항공기의 운동이다. 더치롤 안정성(dutch roll stability)은 요 댐퍼(yaw damper)의 장착으로 인해 인위적으로 증대될 수 있다.