CG의 영향과 Forward CG 가 비행기의 Stability 를 증가시키는 이유

 

1. Stability (안정성) 이란?

PHAK Glossary

쉽게 말하면 어떤 외부적인 방해가 있었을 때 다시 원래 상태로 돌아 오려고 하는 성질.

모든 비행기는 stability 를 가지게 설계되어 졌다.

2. CG가 어떤 영향을?

정의의 동상 Justitia 누나이다. 이 누나가 저울(무게 1이라고 하자)을 들고 있다.

왼쪽에 무게추 1의 물건을 놓고, 오른쪽에 무게추 1의 물건을 올려 놓았다. 저울은 수평을 유지할 것이고 저 누나(Justitia) 는 1(저울) + 2(무게추) = 3의 무게만큼의 힘만 주면 된다. 그런데 만약 어떤 일이 생겨서 왼쪽 저울을 좀 더 멀리 두었다 하자. 무게는 여전히 1이다. 그 때 저울은 아마 왼쪽으로 기울게 될 것이다. 왜냐하면

M=rF 이다

거리가 멀어지니 자연스레 모멘트도 커지게 된다. 그러니 오른쪽에 무게를 더 두어야 한다. 무게추 1을 더 주어 무게 2가 되었다고 하면 저 누나는 4만큼의 힘을 주어야 한다. 1의 무게를 더 줘야 하게 되었다. 그래야 저 저울은 그 위치에 그대로 평행하게 있을 거니깐

Straight and level flight 에서 CG의 변화는 필요 Lift 를 증감 시킬 수 있다.

Lift 를 증가시키기 위해 AOA(Angle of Attack) 는 커지게 되며 Lift 가 증가하므로 Drag 가 증가하게 된다.

AOA 의 증가로 Stall speed 는 증가할 것이며 Cruise speed 는 감소할 것이다.

3. CG의 변화가 왜 Stability 에 영향을?

If the CG is located near the forward or aft limit of the approved CG range, a slight loss of longitudinal stability may be noticeable, but stabilator (or elevator) effectiveness is still adequate to control the airplane during all approved maneuvers.

(요약, CG limit 안에 들어 있으면 pitch를 적당하게 움직일 수 있다)

(Jepp 3-27)

위에 내용을 참고로 CG limit 안에 있다는 가정하에

FAA Weight and Balance

Stability 는 외부의 방해가 있을 경우 그것을 원래대로 돌리려는 성질이다.

쉽게 돌리면 안정성이 높을 것이고 어렵게 돌리면 안정성이 낮을 것이다.

이제 예를 들면

상승기류를 맞는다

→ 기수가 들린다

→ AOA 가 커져 Airspeed 가 줄어들게 된다

→ Lift(Tail down force) 가 줄어들게 된다

※여기서 Lift 라 함은 Tail down force 또한 포함이다 (아래 참조)

→ Tail down force와 함께 CG방향으로 누르게 되니 기수가 내려간다

→ Pitch 가 내려가니 Airspeed 를 얻게 된다

→ 다시 속도를 얻는다. 이 때 속도는 Trimmed airspeed 이다.

→ 기존 비행하던 상태로 돌아간다

이게 Stability 인데 만약 CG가 뒤로 가게 되어 있으면 Moment 가 작아 기수를 누르는 힘도 작을 것이며

CG 부터 Tail down force의 중심점까지 거리도 짧아지게 되니 Tail down force 의 힘도 줄어들게 되어 기수는 FWD CG 때보다 늦게 돌아올 것이다. 그러다 보니 Stability 는 줄어든다

※Tail Down Force 란 ?

가장 간단하게 배우길

Lift 는 베르누의의 정리와 뉴턴 3법칙에 의해 기체를 뛰우는 힘이라 배웠다.

만약 Wing의 Lift와 CG만 있다고 가정하였을 때

CL 과 CG의 위치가 같지 않은 이상 비행기는 앞으로 고꾸라질 것이다

그래서 앞으로 기울어 지려는 비행기를 뒤에서 눌러 줄 수 있는 방법이 있는데 그게 Tail down force 이다.

방법은 간단하다.

Wing을 위아래로 뒤집어서 뒤에 붙혀 놓으면 Lift 가 아래를 향할 것이고 그게 Tail down force이다.

Tail down force 가 커지면 커질 수록 필요한 Lift 도 커지게 될 것이고

4. 추가

Stability 가 높다고 하여 좋은 것은 아니다.

여객기는 승객들의 편안함을 위해 Stability 가 높지만

전투기는 빠른 조종을 위하여 Stability 가 낮고 Controllability 가 높다

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