비행기의 3축 운동에 관한 이야기

지금 이순간에도 지구상에 수많은 공항의 활주로에서 많은 항공기들이 쉴새 없이 뜨고 내리고 있다. 항공기는 2차원상을 이동하는 지상 교통수단들과는 다르다. 무엇이 다를까? 여러분들이 비행여행을 할 때, 조종사들이 "현재 우리 비행기는 고도 몇 피트입니다!" 란 말을 들어본 경험이 있을 것이다. 지상교통수단과는 달리 항공기는 3차원상을 이동하므로 "고도"를 갖는다. 즉, 위치에너지를 갖는 것이다. 위치에너지를 갖고 있다는 것은 곧 아래로 내던져질 수 있다. 따라서, 항공기의 조종에 임할 때는 지상교통수단을 운용할 때보다 더 신경을 쓸 필요가 있는 것이다.

 

항공기가 하늘을 날기전까지 점검이라든지, 시동절차 등의 까다로운 절차를 거쳐야 하지만, Taxing(지상활주)시 간단한 유의점만 언급하고, Airborne(공중에 뜬 상태)에서 설명을 시작할까한다.

 

지상활주시 조심해야 할 것은 바람이 불어오는 방향이다. 바람이 앞쪽에서 불어오거나(정풍), 뒷쪽에서 불어오는 경우(배풍)보다, 옆쪽에서 불어오거나(Cross Wind), 대각선으로 불어오는(Quartering headwind) 경우에 더 조심해야 한다. 바람 방향에 대한 대처방향엔 간단한 원칙이 있다. 두 가지만 알면 된다. 

 

전방 시계 180°범위 내에서는(앞쪽으로) 불어오는 바람은 불어오는 쪽으로 에일러론을 눕혀주면 된다.

1. 왼쪽에서 불어올 때 ⇒ 에일러론을 왼쪽으로
2. 오른쪽에서 불어올 때 ⇒ 에일러론을 오른쪽으로

 

반대로 뒷쪽에서 불어오는 바람에는 반대로 적용하면 된다.

1. 뒷쪽에서 왼쪽으로 치우쳐 바람이 불어올 때 ⇒ 에일러론 오른쪽으로
2. 뒷쪽에서 오른쪽으로 치우쳐 바람이 불어올 때 ⇒ 에일러론 왼쪽으로

 

■ 비행기의 3축운동 - airplane 3 axes movement

지상에서는 2차원운동이 이루어지지만 공중에서는 3차원운동이 이루어지기 때문에 비행기는 아래와 같은 3개의 축(Axis)을 중심으로 움직이게 되어 있다. 선회나 상승, 하강 등의 다른 기동을 다루기 전에 우선 3축운동에 대해서 이해를 해야한다.

 

가. 가로축 운동(Pitching)

비행기의 앞부분이 가로축(Lateral Axis)를 중심으로 올라가고 내려가는 운동을 "키놀이(Pitching)"라하고, 이러한 운동을 조종할 수 있는 것은 비행기 뒷부분의 수평꼬리날개에 붙어 있는 승강키(Elevator)라고 하는 조종면이다. 다시 말해서 비행기의 가로축을 중심으로 뒷부분이 내려가면 비행기는 앞부분이 치켜들게(Nose Up)되고 뒷부분이 올라가면 앞부분이 숙여지는(Nose Down)효과가 생기는 것이다.

모든 작용하는 힘이 그러하듯, 그 크기(moment)는 힘×팔길이(Arm)인데 비행기에서도 이러한 원리는 항상 적용된다. 비행기의 외부 구조적 특성에 따라 가로축으로부터 수평꼬리날개까지는 그 길이가 길기 때문에 비록 키놀이를 조종하는 조종면의 면적이 적더라도 비행기의 조종효과는 크게 나타나는 것이다. 또한 승강키의 작동은 조종간을 당겨 승강키를 위로 올리게 함으로써 이루어지는데 이때, 수평꼬리날개의 받음각(Angle of attack)이 작아지면서 양력이 감소되어 꼬리날개 부분이 내

려가게 되어 결국, 비행기 기수는 올라가게 된다. 반대로 조종간을 앞으로 밀면 이와 반대되는 현상이 나타난다.

 

나. 세로축 운동(Rolling)

세로축(Longitudinal Axis)을 중심으로 비행기가 움직이는 것을 "옆놀이(Rolling)"라하고 이러한 운동을 조종하는 것은 주 날개의 양 끝 부분에 붙어있는 도움날개(Aileron)라고 하는 조종면이다. 도움날개의 작동은 조종간을 좌우로 젖힘으로써 이루어진다. 조종간을 왼쪽으로 눕히면 왼쪽 도움날개는 올라가고 오른쪽 도움날개는 내려가서 결과적으로 왼쪽 날개보다 오른쪽 날개의 받음각이 커지고 양력이 크게 발생되어 조종실내의 자세계를 통하여 그 Bank의 크기가 나타나게끔 되어있다. 

또한 조종효과는 왼쪽과 오른쪽 도움날개가 동시에 반대로 작동되기 때문에 조종간 움직이는 양에 따른 효과가 크게 나타난다.

 

다. 수직축 운동(Yawing)

수직축(Vertical Axis)을 중심으로 비행기의 기수가 오른쪽, 왼쪽으로 움직이는 운동을 "빗놀이(Yawing)"라하고, 이러한 운동을 조종하는 것은 수직꼬리날개에 붙어있는 방향키(Rudder)이며 이는 조종석내의 페달로써 작동된다. 왼쪽 페달을 밟으면 방향키는 왼쪽으로 빗겨져 수직꼬리날개 전체에서 오른쪽으로 힘(양력)이 발생되어 비행기의 기수는 왼쪽으로 돌아가고 오른쪽 페달을 밟으면 이와 반대되는 현상이 일어난다.