(Cessna172S ✈) Principles of Flight - Stability, Maneuverability, Controllability

안녕하세요.

하고싶은게 비행✈ 인 사람입니다. 

 

오늘은 Principles of Flight 의 마지막인 

Stability, Maneuverability, Controllability 에 대해서 알아보고자 합니다.

 

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.

1. 간단한 정의부터

> PHAK 

1) Stability. The inherent quality of an airplane to correct for 
conditions that may disturb its equilibrium, and to return 
or to continue on the original flight path. It is primarily an 
airplane design characteristic.

 

Stability 는 외부의 힘이 가해졌을 때 원래의 비행상태로 돌아가려고 하는

성질입니다. 한글로 해도 비행기가 안정되어있다. 라고 생각하면 됩니다. 

한 발로 서 있으면 누가 쳤을 때 넘어가기 쉬운데

양 발로 살짝 넓게 서 있으면 흔들려도 다시 원래대로 자리를 잡게 되죠. 

 

 

2) Controllability. A measure of the response of an aircraft
relative to the pilot’s flight control inputs.

 

 Controllability 는 힘을 주었을 때 바로바로 움직이냐 하는 것입니다. 

 자동차 핸들을 꺾으면 쉽게 그에 따라서 자동차는 돌아가게 되죠.

 

3) Maneuverability. Ability of an aircraft to change directions
along a flight path and withstand the stresses imposed upon it.

 

Maneuverability 는 얼마나 잘 기동 되느냐 하는 것을 이야기 합니다. 

 

2)와 3)은 살짝 헷갈릴 수가 있는데

망치를 생각하면 됩니다

망치 대가리를 잡고 좌우로 움직이면 잘 움직여 집니다. Controllability 가 좋은 것입니다. 

망치 나무 부분을 잡으면 일단 무겁고 한 번 움직이기는 어려운데 움직이면 확확 돌아가죠?

Maneuverability 가 좋은 것입니다. 

 

보통 Controllability 와 Stability 는 같이 가게 되고 Maneuverability 는 반대로 가게 됩니다.

 

2. Airplane Axes

비행기는 CG를 축으로 하여

① Logitudinal Axis (Roll, Ailerons 로 움직임)

② Lateral Axis (Pitch, Elevators 로 움직임)

③ Vertical Axis (Yaw, Rudder 로 움직임)

아 있습니다. 

 

그리고 이 세 개의 Stability 를 알려고 합니다. 

 

3. Static stability and Dynamic Stability

1) Static Stability : the initial tendency an aircraft displays when disturbed

① Positive Static Stability : Initial Tendency to Return to Original State of Equilibrium

② Neutral Static Stability : Initial Tendency to Remain in a New condition

③ Negative Static Stability : Initial Tendency to Continue Away from the Original State

라는 것입니다. 위의 그림과 같이 말이죠. 

 

우리 주변에서 일어나는 것이라면..

 

다리로 밀면서 뒤로 의자를 기울여앉을 때

어느 정도 되면 앞으로 돌아오는 정도 (Positive)

기울인 상태로 유지되는 정도 (Neutral)

뒤로 넘어가버리는 정도(Negative) 

가 주변에서 일어나는 예입니다.

 

2) Dynamic Stability : Overtime tendency an aircraft displays when disturbed

① Positive Dynamic Stability : Over time, Object return to the equilibrium state

② Neutral Dynamic Stability : Once displaced, objective neither decreases nor increases in oscillation

③ Negative Dynamic Stability : Over time, object increase in oscillation and become more divergent

 

Static Stability 의 경우

돌아오거나 서거나 넘어지거나 이렇게 멈추는데

Dynamic Stability 는 왔다갔다 하는 것입니다. 

갔다가 다시 와야 하기 때문에

Positive Static Stability 가 깔려 있어야 가능한 것입니다. 

 

4. Longitudinal Stability 

- Pitching stability 를 말합니다. 위에서 본 Lateral Axis 를 기준으로 나오는 것이구요. 

 

비행기는 땅에서는 바퀴에 무게를 싣고 있지만

공중에서는 

날개에 매달려 있다고 표현할 수 있습니다. 

 

비행기는 양력을 만들어 낸다고 했죠?

양력이 만들어 지는 부분이 바로 CP (Center of Pressure ) 또는 CL 이라고 표현하는 점입니다. 

 

CG는 무게중심이고 땅에 있었다면

시소처럼 뾰족한 것으로 들어 올렸을 때 양 쪽의 균형을 유지할 수 있는 지점입니다. 

 

이 두 가지 개념을 가지고 

비행기를 끈으로 한 번 들어볼게요.

 

CL 에서 비행기를 들어 올리고

CG에서 무게를 낮춥니다. 그러면 비행기가 앞으로 쏠려 버리겠네요?

이런 개념으로 해서 Tail Down Force 라는 것이 있습니다.

 

※Tail Down force

: Horizontal Stabilizer 는 Wing 을 상하 반전 시켜놓은 형태입니다. 

Wing 이 위로 Lift 를 만든다고 하면 Horizontal Stabilizer 는 아래쪽으로 Lift 를 만들어 내게 되죠. 

이 아래쪽으로 만들어지는 힘, 그리고 Tail 에 있다고 해서 Tail down force라고 불리우게 되니다.

 

이렇게

①CL : 들어주는 힘

②CG : 내려주는 힘

③Tail Down force : 내려 주는 힘

 

이렇게 세 개가 균형을 맞추게 되면

Longitudinal Stability 는 갖추어지게 됩니다. 

 

 

 

 

이것 처럼 말이죠. 

(시간은 돈입니다)

 

 

위의 세 개가 어떻게 작용 하냐면

Wing 을 통한 Airflow 는 Downwash 가 되어 Horizontal stabilizer 를 향해 가게 됩니다. 

 

만약

Updraft 를 갑자기 맞아

Pitch가 들리게 되면 -> 속도 감소 -> Less downwash -> TDF 감소 -> Nose Down -> 원래의 Pitch 로 돌아감

 

5. Lateral Stability

: Longitudinal axis 를 중심으로 한 Stability 입니다. 

쉽게 말하면 좌우균형이라고 할 수 있겠네요. (좌우 기름탱크 기름 분배를 잘못하면 안 좋아질 수 있어요)

 

1) Lateral Stability 를 좋게 하기 위한 구조

① Keel Effect

야구방망이로 공을 치려고 하면 야구방망이 끝으로 치는 것이 중간으로 치는 것보다 멀리 갑니다.

이것이 Keel Effect 입니다.

그려지지는 않았는데

CP (Center of Pressure) 가 High wing 에서는 위쪽, Low wing 에서는 아래쪽에 있게 됩니다. 

CP 부터 CG 까지의 거리가 멀 수록 더 잘 움직이게 됩니다. 

 

(무게추 같은 느낌이에요)

 

자동차로 가정한다면

땅에 붙어서 가는 낮은 차량은 커브길에서도 안정적으로 돌겠지만

차가 높은 트럭이나 버스는 넘어가버릴 수도 있겠죠.

 

High wing 은 대체적으로 Keel effect 가 크고 Low wing 은 대체적으로 낮거나 없습니다.

 

 

② Dihedral 

날개의 각도를 평행하게 하는 것이 아니라 위로 들어주는 것입니다. 

Lift 공식에 의해서

Low wing 은 더 큰 CL(AOA) 을 가지게 되고 더 큰 Lift 를 가지게 됩니다. 

그렇게 되면 Low 이 더 많은 Lift 를 생성하기 때문에 날개가 올라가게 됩니다.

 

 

 

 

③ Sweepback and wing location

우리가 흔히 아는 날개의 형태입니다. 

뒤로 가 있는 형태죠. 

 

 

Sweep back은 Leading Edge가 뒤로 가 있는 형태를 말합니다. 

Low wing이 될 때 뒤로 기울여져 있던 Leading edge 는 앞쪽으로 오면서 

Relative wind 와 수직에 가까운 쪽으로 움직이게 됩니다. 

(Relative wind 도 원래는 삼각함수가 붙어야 하지 않을까..하는 생각인데)

Relative wind 와 거의 수직이 되는 것도 있으며

동시에 더 많은 면적에서 바람을 맞게 됩니다. 

그렇게 Lift 는 증가하여 상승하게 됩니다

 

6. Directional Stability 

: Vertical Axis 를 중심으로 한 Stability 입니다. 

 

 

① Vertical Stabilizer : Weather vane 과 같은 느낌입니다. 

풍향계 있죠? 바람 불어오는 쪽을 마주보는

② Fuselage and fin for directional stability

비행기는 CG를 중심으로 돌아가게 되어있고

Arm 이 크면 클 수록 Moment (rotating force) 도 커지게 됩니다. 

 

③ Sweepback (minor)

 

위에서 설명한 Sweep back 과 비슷합니다.

Lift 가 생성되게 되면 Drag 도 많이 생성되게 됩니다. 

 

 

안전비행! 

 

 

 

 

잘하고 계시고

좋은 결과 나올 거에요.

항상 열심히 하시는거 알고 있어요.