(Cessna172S ✈) Principles of Flight - Weight, Load factor, Maneuvering Speed

안녕하세요.

하고싶은게 비행✈ 인 사람입니다. 

 

Wake turbelence (Wingtip vortices) 와 Ground effect 는 좀 이해가 되셨나요?

직접 겪어보지 않으면 이해하기는 많이 어렵습니다. 

 

 

 

 

 

특히 Ground effect 도 상업조종사 과정에서

Power off 180 로 작은 Pitch 변화가 얼마나 큰지

속도 1 변화가 얼마나 큰지

그러기 위해 Ground effect 속으로 들어가는게 얼마나 중요한지를

직접 겪어야 그나마 저런 것들이 좀 와닿기 시작합니다. 

 

 

오늘 이야기 할 것은 Weight, Load factor, Maneuvering Speed (Va) 입니다

 

II. Technical Subject Areas

Task D : Principles of Flight

References : FAA-H-8083-3 (PTS) , FAA-H-8083-25 (PHAK)

Objective : To determine that the applicant exhibits instructional knowledge of the elements of principles of flight by describing : 

 

1. Airfoil design characteristics.

2. Airplane stability and controllability.

3. Turning tendency (Torque effect)

4. Load factors in airplane design.

5. Wingtip vortices and precautions to be taken.

 

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1. Weight

1) Weight 란?

 

일단 말 그대로 비행기의 무게를 이야기 합니다. 

(Weight. The force exerted by an aircraft from the pull of
gravity.)

 

저번에 것과 이어 말한다면

Lift > Weight 가 된다면 상승가속도를 만들어 내

비행기는 상승할 수 있다고 하였죠.

 

이 Weight 는 항상 지구의 중심으로 향하게 되어 있습니다. 그리고 계산이 편하게 우리는

CG라고 표현하는 Center of Gravity 를 사용하게 됩니다. 

 

2) CG란?

 

> PHAK G-6

Center of gravity (CG). The point at which an airplane 
would balance if it were possible to suspend it at that point. 
It is the mass center of the airplane, or the theoretical point 
at which the entire weight of the airplane is assumed to 
be concentrated.  The location depends on the distribution of 
weight in the airplane.

 

CG 는 쉽게 말하면 시소탈 때 중간에 있는 그 삼각형 대를 말합니다. 

거기를 중심으로 시소는 평행하게 매달릴 수 있겠죠.

 

땅 위에 있을 때는 비행기는 모든 하중에

Wheel 이 받게 됩니다.

Center of gravity 를 중심으로 해서 말이죠. 

 

Weight 에 대한 내용은 이게 전부 입니다. 

땅 위에서는 말이죠. 

 

그럼 하늘에서는 어떻게 될까요? 

 

2. Load Factor

1) Load Facor 란?

 

일단 비행기는 땅에서 뜨는 순간 모든 무게부하는 Wing 이 짊어지게 됩니다. 

마치 턱걸이 할 때 턱벌이바에 사람이 매달리면 그 턱걸이바가 우리 무게를 지탱하는 것과 같습니다 

 

> PHAK G-18

Load factor. The ratio of a specified load to the total weight
of the aircraft. The specified load is expressed in terms of
any of the following: aerodynamic forces, inertial forces, or
ground or water reactions.

 

턱걸이바에 매달린채로 앞 뒤로 왔다 갔다 하거나 뱅글뱅글 돌거나 하면 어떻게 될까요? 

그 힘의 변화만큼 턱벌이 바는 지탱하는 힘이 커져서 

아래로 미끌려 내려오지 않고 그 위치를 유지할 수 있습니다. 

 

비행에서 배우는

Load factor 도 이런 느낌으로 이야기 할 수 있습니다. 

 

2) 용어

 

일단 새로운 용어가 나옵니다

 

- Total Lift : 비행기가 만들어 내는 양력

1) Vertical component of lift : 양력을 구성하는 지구 중력으로의 방향의 반대방향, 즉 위를 보게 하는 힘

2) Horizontal component of lift : 지구 표면과 수평되는 방향, 즉 옆으로를 향하는 힘

- Resultant of Load (Load factor) : 아래 두 힘의 함 

1) Weight : 지구 중심으로 가려는 힘

2) Centrifugal force : 원심력 - 회전하는 중에 밖으로 나가려는 힘

> PHAK G-6

Centrifugal force. 

An outward force that opposes centripetal 
force, resulting from the effect of inertia during a turn.

 

 

이렇게 되어 있습니다. 

 

3) Load Factor 는 언제 생기는가?

 

일단 비행기의 4 forces 는 

Lift, Weight, Thrust, Drag 이나 

Thrust 와 Drag 는 빼고 이야기 할게요. 

 

Lift = Weight 일 때 비행기는 고도를 유지하게 됩니다.

(또는, Stabilized Climb/ Descend 를 하게 됩니다)

 

그런데 만약 Turn 을 하게 된다면? 

위로 향하던 힘은 기울어지게 됩니다. (삼각함수를 하실 줄 안다면 편해요)

기울어 지면서 Horizontal Lift 는 0에서 점점 커지게 되고

Vertical Lift 는 1에서 점점 줄어들기 시작합니다. 

이와 마찬가지로 Total Lift 와 반대되는 성분이 하나 더 나옵니다. 

Resultant of Load (힘의 중량) - Load Factor 라고 부르는 자 입니다.

 

Vertical Lift 가 줄어든다는 말은 

Lift < Weight 가 된다는 말이며 현재의 상태로는 고도유지를 할 수 없다는 말이고

Descend 을 시작하게 된다는 말입니다. 

 

(Vertical) Lift = Weight 를 맞춰주기 위해서는

Total Lift 를 크게 만들어야만 합니다. 

그러기 위해서는 속도를 더 빠르게 하거나 AOA 를 크게 만들어 주게 되죠. 

(Transition) 이렇게 되면 Centrifugal Force 가 커지게 됩니다. 

그리고 이 Centrifugal Force 와 Weight 의 합이 Load factor 가 되게 됩니다. 

 

 

 

 

공중에서는 모든 무게가 날개에 매달린다고 하였습니다. 

이런 무게를 G (The universal Gravitational Constant) 값으로 표현할 수 있습니다. 

삼각함수를 쓰면 쉬운데

만약 60' 비행기가 기울어 졌을 때

Cos(60) = 0.5 가 되어 

Vertical Lift 는 기본값의 1/2 가 되어 있습니다. 

이 Vertical Lift 를 다시 1로 만들기 위해서 우리는

2의 힘을 가해

2 * Cos(60) = 1 로 만들게 되는 것이죠. 

그리고 이렇게 G값은 2가 되는 것입니다. 

또, 이 말은

비행기의 날개는 평소 지탱하던 무게의 2배를 지탱하게 되었다 라는 말이고

만약 비행기의 날개가 지탱하던 무게가 2,000 lbs 이었다면 

이 때는 4,000 lbs 를 지탱한다는 말이 됩니다. 

 

이것을 조금 정리해 보면

Bank 가 커질수록 고도유지를 위해 줘야하는 G값은 커지고

또 이것은 날개가 지탱하는 무게가 늘어난 다는 것이며

약간의 상식으로 너무 많은 무게를 짊어지게 되면

날개가 매달고 있던 부분이 부숴져 버릴 수 있다는 말입니다. 

 

 

4) Categories

 

그렇게 때문에 우리는 

비행기를 설계할 때 Maximum safe loag fact라는 것으로

몇가지의 Category 와 그에 맞는 G값설정을 해 두었습니다. 

 

1)Normal Category : 3.8 Gs ~ - 1.52 Gs

2) Utility Category : 4.4 Gs ~ -1.76 Gs

3) Acrobatic Category : 6.0 Gs ~ -3.0 Gs

 

가 됩니다. 

 

추가로 

양의 값으로는 크고 음의 값으로는 작냐? 라고 궁금해 할 수도 있는데

이것은 지상 몇 층에 사느냐 지하 몇 층에 사느냐와 비슷합니다. 

기본적으로 1G값을 유지하고 있습니다.

1G를 기준으로 양으로는 2.8 Gs, 음으로는 2.52 Gs 만큼의

안전범위를 가집니다.

비슷하죠? 

 

 

위 도표는

G 값과 속도에 따른 기체의 가동범위(?) 를 보여줍니다. 

어느 구간에서는 Structural Damage 를 줄 수 도 있고 

Structural Failure 를 줄 수 도 있죠. 

 

 

 

 

3. Maneuvering Speed (Va)

(참고로 위 그래프는 Cessna 172 의 Utility Graph 와 맞다고 봅니다)

 

1) Va 란

 

Va 란 비행기의 G값이 증가하여도 Structural Damage 를 입지 않는 속도를 이야기 합니다. 

그리고 이 말은 제가 Va 이하로만 비행한다면

Turbulence, Gust, 갑작스런 컨트롤 등에도 비행기는 Structural Damage 를 입지 않는다는 말입니다. 

 

2) Vg diagram

 

위의 그래프를 읽을 줄 알아야하는데, 

두 가지 경우를 보겠습니다. 

 

속도 100 일때와 160 일때  (1G 에서 100과 160에 Point)

일반적으로 비행할 때는 아무런 문제가 없습니다. 

그런데 제가 갑자기 앞에 Terrain 을 보고 급하게 Back pressure 를 주어 

5의 Gs 값을 만들었다고 해 보겠습니다. 

그러면 그래프에서 점은 위로 올라 가게 되어 

속도 100 일 때는 빨간 선에 걸리게 되고 (Accelerated Stall) 

속도 160 일 때는 주황색 구간인 Structural Damage 구간에 걸립니다. 

이 말은

속도 100일때는 Accelerated Stall 에 걸리게 되어 Structural damage 를 겪지 않게 되는 것이고

속도 160 일 때는 Structural damage 를 받을 수 있게 되어버리는 것이죠. 

 

Va 값 미만으로 비행할 때는 Stall 에 걸리게 하여 Structural damage 를 입지 않게 합니다. 

 

3) Va 계산

 

그리고 이 Va값은 비행 전 Performance chart 를 작성 할 때 적게 됩니다. 

 

Cassna 172s 모델을 기준

2,550 lbs 에서 105 kts 입니다

 

Est. Landing Distance 값을 기준으로 (2,400 이라 가정)

105 * √(2,400/2,550) = 101.9

가 되게 됩니다 

 

 

4) 살짝 헷갈리는 Va개념 잡기

 

무게가 커질 수록 Va 값은 커지게 됩니다

그 이유를 초반에 헷갈릴 수 있는데

이유는 간단합니다

일단 Va는 Stall 과 관련이 있어요. 

(Stall speed 는 Stall 에 걸리게 되는 속도죠)

무거운 비행기는 보통 AOA 가 가벼운 비행기에 비해 큽니다. 

이 말은 Critical AOA 에 더 가깝다는 말입니다. 

이 말은 더 빨리 Stall 에 걸린다는 말이죠. 

(Stall 속도를 생각할 때는 0에서 올라간다 라고 생각하지 말고

높은 속도에서 Stall speed 로 내려온다고 생각하면 편합니다

예를 들어 무거운 비행기의 Stall 속도는 105 이고 

가벼운 비행기에서 Stall 속도는 100일 때

둘 다 110 KIAS 로 비행 중입니다. 

무거운 비행기에서는 5 KIAS 만 떨어뜨리면 Stall 에 걸리고

가벼운 비행기에서는 100 KIAS 를 더 떨어뜨려야 Stall 에 걸리게 되죠)

 

그러니 왜 무거운 비행기인데 더 빨리 비행을 해도 안전해요? 

이런 개념이 아니라 

무거운 비행기는 더 빠른 속도에서 Stall 이 걸리기 때문에 그런 것입니다. 

 

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마지막 정리

1. Weight 는 지구 중심으로 생기는 비행기의 힘

2. Load factor 는 Weight 와 Centrifual Force 의 합

3. Bank 를 줄 때 Vertical Lift 를 잃고 그 만큼 Total Lift 를 증가시켜야 함

4. 이 때 Load Factor는 증가하고 이 G는 기체의 데미지를 줄 수 있음

5. Va 는 기체가 Stall 에 빠지게 하여 데미지의 위험으로 부터 벗어나게 함.

6. Weight 는 항상 일정합니다. Weight 를 줄이는 방법은 비행기내에서 물건을 던지거나

 기름을 줄이는 방법밖에 없습니다.

 

안비즐비 하세요~ 

 

 

 

잘하고 계시고

좋은 결과 나올 거에요.

항상 열심히 하시는거 알고 있어요.