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장난치기

항공기에 작용하는 힘들

비회원 2011. 4. 26. 10:20

Source : http://user.chol.com/~skidrow6/aircombat/combat8.htm

 

 

매뉴얼에서 기초 비행 원리 부분들이 쉽게 외면당하곤 하지만, 모든 비행의 가장 중요한 핵심이기에 대충 넘어가서는 안될 부분입니다. 물론, 이런 기본 원리를 알아야 하는 이유는 지식을 과시하기 위해서가 아니라, 이러한 기본 원리들을 이해함으로써 비행과 공중전투를 더 잘 해낼 수 있기 때문입니다. 따라서 조종사로서는 물리학 교과서에 나오는 이론을 외우는 것이 아니라 비행에 필요한 만큼의 상식을 몸에 밸 수 있도록 하는 것이 더 필요합니다.

비행 중인 항공기에는 중력, 양력, 추력, 항력의 기본적인 4가지 힘이 항공기에 작용합니다. 우선 4가지 주요한 힘에 대해 설명하겠습니다. 중고등학교 물리학 교과서를 참조하시거나 생각하시면서 보셔도 도움이 되실 것입니다.

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1. 기본적인 4가지 힘

1) 중력(Gravity)
중력은 말 그대로 지구 중력입니다. 모든 물체를 지구중심방향으로 당기는 힘입니다. 비행 중인 물체에도 똑같이 적용됩니다. 중력은 일반적으로 모든 장소에서 거의 일정합니다.

2) 양력(Lift)
양력은 항공기를 하늘에 뜨게 하는 힘입니다. 방향은 날개 표면에 직각방향으로 작용합니다. ,즉 기체가 대각선으로 기울어져있으면 대각선에 직각인 방향으로 작용합니다. 즉, 기체에 뱅크가 주어져 있을 때는 고도를 유지하는 힘이 그만큼 줄어든다는 뜻입니다. 양력의 수직축 상의 힘이 중력보다 클 때에는 고도가 높아지며, 반대로 양력의 수직축 상의 힘이 중력보다 낮을 때는 고도는 낮아집니다.

양력의 발생요인은 2가지로 설명되는데, 그 중 하나는 날개 양면의 공기의 흐름의 차이에 의해서 발생한다는 베르누이의 정리에 의해 설명되기도 하고, 다른 하나는 공기의 흐르는 방향이 날개의 한쪽 면을 밀어내는 힘, 즉 뉴턴 법칙에 의해 설명되기도 합니다. 이 두 가지 이론이 서로 대립하는 경우도 많이 봅니다만, 조종사 핸드북 수준에서는 통상적으로는 두 가지 요인이 복합적으로 작용하여 전체 양력을 이끌어낸다는 것이 현재 통용되는 정설입니다. 고속, 고기동 중의 전투기에서는 날개의 곡선에 의해 발생되는 양력보다도 받음각의 변화에 의해 증가하거나 감소하는 양력의 변화가 더욱 큰 부분을 차지합니다.

이 두 가지 양력 발생은 입으로 종이불기로 흔히 설명이 됩니다.
A4지 같은 종이의 양쪽 귀퉁이를 잡고 입 가까이 댄 뒤, 종이 아래 부분으로 입김을 불면 종이가 뜨겠죠. 이 때 종이가 뜨는 것이 뉴턴의 법칙에 의해서입니다. 그리고, 종이의 윗부분에 바람을 불어도 종이는 역시 위로 뜹니다. 이 것은 베르누이의 정리로 설명이 되는 것이지요. 

양력의 크기는 일정시간에 흐르는 공기의 양에 비례합니다. 즉 속도가 빨라질수록 양력은 증가하며, 공기밀도가 낮은 고공에서 양력은 감소합니다.

3) 추력(Thrust)
추력은 기체를 앞으로 나가게 하는 힘입니다. 추력은 엔진으로부터 얻어지며, 수평비행의 경우에 추력은 비행방향과 대체로 비슷한 방향으로 작용합니다. 엄밀하게 말하자면 기체의 받음각으로 인하여 추력 방향이 진행방향과는 일치하지 않지만, 개략적인 관점으로만 설명드리는 것입니다.

엔진의 출력을 높일 수록 추력이 증가합니다.

4) 항력(Drag)
물리학적으로는, 어떤 물체에 일정한 힘을 계속 가해주면 마찰이 없다고 가정할 때 계속해서 속도가 증가하게 되겠지요. 만약 항공기에도 마찰이 없다고 한다면, 일정한 힘의 엔진 출력을 유지하고 있을 때에는 기체의 속도는 계속해서 높아질 것입니다. 그러나, 비행 중인 기체에는 공기와의 마찰 등의 몇 가지 이유로 인한 저항이 존재하여 기체의 속도가 일정하게 재한받게 됩니다. 이 때 비행기가 앞으로 나아가려는 힘을 막는 저항을 항공 용어로는 항력이라고 말합니다.

주요한 항력에는 크게 2가지 종류가 있는데, 형상 항력과 유도 항력입니다. 그 외에도 다른 종류의 항력이 존재하지만, 편의상 생략합니다. 조종사로서 알아야 할 기본 상식 정도로만 설명하자면, 형상 항력은 기체가 공기와 부딪혀서 생기는 항력이고, 유해 항력은 기체에 양력이 발생할 때 부수적으로 생기는 항력입니다. 위에서 입김으로 종이 불기의 예를 말씀드렸었지요. 입김으로 종이를 불어서 종이를 위로 띄울 때 손에서 종이가 떨어져 나가려고 하는 힘이 유도항력이라고 생각하시면 됩니다. 원리는 시시콜콜 모르셔도 되고 그냥 그런게 있다는 대강의 개념만 알고 계시면 됩니다.
항력의 발생요인을 꼼꼼히 연구할 필요는 그다지 없지만, 항력이 언제 증가하고 언제 감소하는지를 알고 있는 것은 중요합니다. 항력은 공기와 부딪히는 기체의 단면적이 넓을수록 항력이 증가하고, 공기 밀도가 높은 저공에서도 역시 항력이 증가합니다. 양력이 높아지면 항력이 증가한다는 것은 곧, 급기동을 할수록 항력이 커진다는 것을 뜻합니다.

추력과 항력은 속력과 밀접한 관계를 가지고 있습니다. 추력이 항력보다 클 때에는 기체의 속력이 높아지며, 추력이 항력보다 작을 때에는 반대로 속력이 낮아집니다. 단, 이때 항력은 일정시간당 흐르는 공기의 양에 비례한다고 했으므로, 속력이 감소하면 단위 시간에 흐르는 공기의 양도 적어져 항력 역시 줄어들고 반대의 경우도 마찬가지이므로 일정한 추력에서는 추력과 항력의 균형이 맞추어져서, 결과적으로 속력이 일정하게 안정됩니다.

물론 이상의 설명은 비행기가 직선 수평 비행을 하고 있을 때의 이야기이고, 기체의 자세가 바뀌면 이 네 가지 힘의 관계들도 따라서 바뀝니다.
예를 들면, 똑같은 조건에서 기체에 뱅크를 주면 양력의 수직축 양이 그만큼 줄어들어 고도가 떨어지게 됩니다. 이를 보충하기 위해서는 스틱을 당겨서 양력을 높여주어야 하지요. 기체의 뱅크각이 클 수록 고도를 유지하기 위해서는 스틱을 더 많이 당겨주어야 합니다. 또, 기수가 상승 자세를 취하고 있다면 추력 성분이 하늘 쪽을 향하게 되므로 양력과 합산되어 기체의 상승력에 보탬이 되는 대신, 수평 방향의 나아가는 힘이 떨어지고 양력이 기체의 뒤쪽을 향하게 되므로 속력이 떨어집니다. 그리고, 플랩을 내렸을 경우 날개 면적이 넓어지고 날개의 곡선이 심해져 넓어져 양력은 증가하지만 공기와 부딪히는 기체의 단면적도 역시 늘어나기 때문에 항력이 증가하여 속도 감소의 요인이 됩니다. 즉, 항공기를 조종한다는 것은 조종면과 스로틀을 통해 기체의 자세를 변화시킴으로써 이 4가지 힘들의 관계를 바꾸어 원하는 결과를 얻는 과정입니다. 급격한 기동을 하는 공중전시에는 이 힘들의 관계 역시 급격하게 변화하기 때문에, 기본적으로 기체 조종과 힘의 변화를 잘 이해하고 있을수록 그만큼 효과적인 기동의 바탕이 될 수 있습니다. 어떠한 공중전 기동술도 이 4가지 힘의 상관 관계 속에서 모두 설명이 될 수 있습니다.

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이상의 기본적인 힘 이외에, 안정적인 비행에 영향을 끼치는 몇 가지 추가적인 작용들이 있습니다. 이 역시 시시콜콜 하게 세부적으로 알 필요는 그다지 없고, 어떤 현상들이 있고 그 현상들을 어떻게 보정하는가 정도만 알고 있으면 충분합니다. 단, 아예 모르고 있다면 그만큼 부드러운 기체 조종을 하는데 힘이 들지도 모릅니다. 경우에 따라서는 조이스틱의 이상을 의심하기까지도 합니다. 그런 정도까지는 피해야 하겠죠.

2. 기체의 자세를 방해하는 힘

1) 토크(TORQUE)
토크는 프로펠러기에서 엔진이 프로펠러를 돌리는 힘에 의해 그 반작용으로 동체가 프로펠러의 반대 방향으로 돌아가려는 힘을 말합니다. 비행을 하고 있을 때에는 기체가 프로펠러 회전방향의 반대로 롤 하려는 현상을 보이고, 이착륙 시에는 바퀴가 땅에 닿아 있으므로 롤이 되지 않는 대신에 기체가 프로펠러 회전 방향의 반대쪽으로 미끄러져가게 됩니다. 이를 보정해주기 위해서는 기체가 움직이는 것에 따라서 기체가 비행 축을 유지하도록 반대로 롤이나 러더를 쓰면 됩니다. 토크 효과는 기체의 속도가 빠를 때에는 영향이 적지만 속도가 느릴 때에는 상대적으로 영향이 커지고, 엔진의 출력이 높을 때에도 역시 영향이 커집니다. 이렇게 토크 효과가 크게 작용하는 대표적인 상황은 이륙할 때라든지, 착륙접근을 하다 착륙을 취소하고 상승하기 위해 엔진 출력을 높인다든지 하는 경우 등입니다. 일반적인 상태에서 지속적으로 주어지는 토크 효과는 쉽게 보정할 수 있지만, 이렇게 순간적으로 엔진 출력이나 기체 속도가 바뀔 경우에는 토크 효과가 세게 그리고 급작스럽게 생기기 때문에, 조종간으로 이를 순간적으로 대처하기가 쉽지 않습니다. 따라서, 엔진 출력을 크게 올릴 때에는 토크를 미리 예상하면서 부드럽게 스로틀을 조작해야 토크 효과를 부드럽게 제어할 수 있습니다.

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2) P-Factor
비행기는 항상 받음각을 가지고 비행하지요.(앞 챕터 참조) 그런데, 프로펠러 비행기에 받음각이 있으면 프로펠러의 올라가는 날과 내려오는 날이 공기를 가르는 각이 서로 달라집니다. 프로펠러의 날도 하나의 날개이기 때문에 프로펠러의 날의 공기를 가르는 받음각이 차이가 나면 양력의 차이가 발생해서 결국 프로펠러의 좌우의 추력에 차이가 생기게 됩니다. 그러면 비행기가 한쪽으로 요우 현상이 생기게 되지요. 이를 상쇄하려면 반대로 러더를 차주면 됩니다.

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3) 자이로 효과
회전하는 물체에는 관성이 생겨 그 상태를 유지하려고 하게 됩니다. 여기에 힘을 가하면 회전하는 방향으로 90도 직각 방향에 새로운 힘이 작용하게 됩니다.  이를테면, 아래 삽화와 같이 프로펠러가 조종석에서 볼 때 시계방향으로 회전하는 경우 피치를 누른다면(검은색 화살표) 프로펠러의 회전 방향으로 90도 움직인 방향,  즉 좌측 요우 방향의 힘(흰색 화살표)이 생깁니다. 따라서 조종사는 피치를 움직일 때 발생하는 자이로효과를 상쇄하기 위해 그와 반대되는 방향으로 러더를 사용해야 합니다.

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4) 후류
동체 축에 프로펠러가 있으면, 프로펠러를 통과한 공기가 동체를 감싸며 나선형으로 뒤로 흐르게 됩니다. 이 공기가 수직 꼬리날개에 이르면 러더의 한쪽을 미는 효과가 생기게 되지요. 러더를 사용해서 이 힘을 보정할 수 있습니다.

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이상의 5~8번까지의 내용들은 대개 프로펠러 비행기에서 비행기의 자세 유지에 크게 영향을 미치는 것들입니다. 제트기에서도 엔진 터빈이 회전하기 때문에 부분적으로 일정한 효과들이 없지는 않다고 합니다. 하지만, 사실상은 제트기에서는 대개는 거의 무시해도 될 정도입니다. 또 어떤 항목들은 게임의 종류와 설정에 따라서 그 영향이 적거나 없을 수도 있습니다. 그냥 이런게 있기도 하다는 것만 아시면 되고, 실제로 조종에 필요한 알아야 할 점은 프로펠러의 회전의 영향으로 기체가 어느 한쪽으로 롤이나 요우가 되려는 현상이 있고, 조종간을 이용해서 이를 보정해주어야 한다는 정도면 됩니다. 물론 이 여러 가지 현상들은 각자 개별적으로 일어나서 개별적으로 일일이 보정해주는 복잡한 절차를 거쳐야 하는 것이 아니고, 한꺼번에 복합적으로 작용하므로 한꺼번에 보정 조작을 해주면 됩니다.

3. G의 영향

모든 물체의 속력이 변하거나 운동 방향이 변할 때에는 관성이 작용합니다. 다른 말로 표현하면, 가속도가 변할 때 관성이 작용하게 됩니다. 버스를 타고 가다가 급출발을 하거나 급정지를 하면 몸이 확확 쏠리죠. 택시를 타고 가다가 급정차를 하거나 급출발을 하면 버스를 타고 갈 때보다 몸이 더 쏠립니다. 이처럼, 물체의 속도 변화와 운동방향의 변화가 심할수록 관성이 더 크게 작용하게 됩니다. 모든 물체는 지구 중심을 향해 9.8m/sec²의 힘을 받고 있습니다. G 하중이란 관성력의 크기를 이 지구 중력의 값을 단위로 해서 표현하는 것입니다. (즉, G하중이 생기는 원인은 지구 중력 때문이 아니라 관성 때문입니다. 때때로 대기권 밖으로 나가면 중력이 없어지니까 G도 없어진다고 주장하는 분들이 있지만, 지구 중력이 없는 곳에서도 관성력은 있으므로 G하중은 여전히 생깁니다)
버스의 급출발이나 급정지보다 택시의 경우가 더 관성이 심하듯, 롤러코스터에서는 훨씬 몸에 힘을 많이 받게 됩니다. 그리고 롤러코스터보다 훨씬 더 빠르게 움직이는 전투기가 받는 관성력은 상상을 초월할 정도가 되고, 그 안에 탑승하고 있는 조종사의 몸에도 크게 무리가 오게 됩니다. 비행에서는 보통 간단히 G를 받는다고 표현을 합니다.

전투기에 탑승한 조종사의 입장에서는, 속력의 변화에 따라서 앞뒤로 받는 가속보다 급기동시의 비행방향의 변화로 인해 생기는 위아래 방향의 G가 더 많은 악영향을 미칩니다. 이는 또다시 비행 방향이 머리 위쪽을 향해 바뀌어 몸이 눌리게 되는 +G와, 비행 방향이 몸 아래쪽을 향해 바뀌어 몸이 위로 떠오르게 되는 -G로 구분할 수 있습니다. 몸이 관성을 받을 때 몸 속에 있는 피도 역시 관성에 따라 움직이게 되므로, 몸이 아래로 눌리는 +G 상황에서는 피가 몸의 아래쪽으로 쏠리고, 반대로 몸이 위로 들리는 -G 상황에서는 몸 속의 피가 머리 쪽으로 몰리게 됩니다.

높은 +G 상태에서 피가 몸 아래로 쏠리면 머리부분에는 피가 모자라게 됩니다. 대개의 매뉴얼들에서는 시야현상만 가지고 얘기하는데, 그것은 단지 게임상의 화면 묘사를 설명하기 위해서 일부만 설명한 것일 뿐이고 실제로는 뇌에 산소가 부족해짐으로 인해 여러 현상들이 함께 발생합니다. 즉, 시야도 흐려지고, 귀도 평소만큼 안들리고, 생각하는 능력도 떨어집니다. 시야를 조금 더 자세하게 설명하자면, G가 높아질수록 눈에서 피가 빠져나가 시야가 흐려집니다. G를 많이 받을수록 시야폭이 점점 더 좁아지고 이를 터널 시야라고 부릅니다. 그러나 진짜로 터널을 지날 때나 망원경을 들여다보듯이 시야가 구멍뚫린 것처럼 보이는 것이 아니라, 시야폭이 좁아짐과 동시에 전체적인 시야가 함께 흐릿해집니다. 롤러코스터를 타고 있을 때 앞이 보이기는 보이지만 눈에 보이는 화면들을 또렷하게 인식하기 힘들다는 것을 생각하시면 될 것 같습니다.
G가 높아질수록 신체적인 부담과 함께 시야가 점점 흐려져서 나중에는 완전히 앞이 안보이게 됩니다. 이를 블랙아웃(Blackout)이라고 합니다. 보통은 블랙아웃 상황에서도 의식 자체는 아직 살아있습니다. 거기서 더 나아가면, 뇌 속의 피가 모자라 결국 기절상태에 이르게 됩니다. 이를 G-LOC(G-induced Loss Of Consciousness; G로 인한 의식상실)이라고 합니다. 보통을 높은 G를 오래 받고 있으면 점차로 이런 현상들이 생기지만, 순간적으로 G를 갑자기 높여도 조종사의 몸이 이를 견디지 못하고 블랙 아웃이나 G-LOC에 더 쉽게 빠질 수 있습니다.

-G를 받을 때에는, 피가 머리로 몰리기 때문에 눈의 모세혈관의 혈압이 높아집니다. 그래서 앞이 빨갛게 흐려지게 됩니다. 롤러코스터나 바이킹을 탈 때 위로 확 올라가는 것은 몸이 힘들기는 하지만 그런대로 견딜 수 있는 반면, 아래로 확 내려갈 때에는 굉장히 기분이 섬뜩하고 뭐라 말할 수 없는 느낌이 들죠. 이와 같이, 사람은 +G는 상대적으로 더 잘 견딜 수 있지만 -G는 잘 견디지 못합니다. 대체로 인간이 견딜 수 있는 한계가 +G는 9G까지, -G는 -3G까지라고 알려져 있습니다. 그리고 이를 감안해서 기체의 설계도 이루어지게 됩니다. 이러한 이유로, 기수를 확 밀어 내릴 필요가 생기면 그 대신 기체를 반 바퀴 뒤집어서 기수를 당기는 식으로 -G를 피하고 가급적 기체를 +G 방향의 힘을 받게끔 조종하게 됩니다.

G를 견딜 수 있는 한계는 흔히 말하길 +9G~-3G라고 하지만, 실제로는 체력, 컨디션, G를 얼마나 순간적으로 잡아채는가 등등의 여러 요인들에 따라서 달라집니다. 그리고 "견딜 수 있는 한계"라는 것은 어디까지나 정신을 잃지 않는 한계라는 것이며, 그 이내의 영역에서도 조종사에게는 여전히 많은 신체적 부담이 주어지고 있다는 것을 잊어서는 안되겠죠. 롤러코스터의 경우에는 급하게 회전하는 기종이라도 2G를 약간 넘어가고 그 순간도 불과 각기 몇 초 이내로 끝나지만, 전투기에서는 그보다 몇 배 심한 고통을 견디면서 정상적으로 조종과 전투, 무전 교신 등을 해야 합니다. 상대적으로 낮은 G에서도 조종사는 그를 견디기 위해서 여전히 많은 노력을 쏟아야 하고, 체력은 점점 떨어집니다. 물론 G를 받고 있는 중에는 고개를 돌려 주변 상황을 파악하기도 그만큼 더 힘들어집니다. 간혹 시뮬레이션 게임에서의 G 묘사가 지나친게 아닌가 하는 주장도 제기되곤 하지만, 조종사가 온 몸으로 G를 받으면서 비행하는 것에 비하면 모니터 파일럿들은 절대적으로 안락한 상황에서 비행을 하고 있는 셈이지요.

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