실속(Stall)에 대한 이해

[지바고]

* 실속 (Stall) 에 대한 이해  *

이번에는 실속(Stall)에 대하여 알아 보겠습니다.

먼저 오늘 이야기 하고자 하는 실속을 “스톨(Stall)” 이라 합니다

그러나 경량에서 많이 운용되는 “단거리 이착륙기”를 스톨기라 부르는데 이때의 스톨기는 “STOL” 이라 하며 이는 “Short Take Off and Landing” 의 약어로서 “단거리 이착륙”이란 의미이며 실속의 스톨(Stall)과 발음이 동일하니 혼동하지 않도록 하시기 바랍니다..

참고로 수직이착륙기 예를 들면 미군의 오스프리 같은 기종은 VTOL 기라 하며 이는 “Vertical Take Off and Landing” 의 약자입니다. 그러나 수직이착륙기 중에서 헬리콥터는 수직이착륙을 하긴 하지만 VTOL 기라 하지 않고 “Rotorwing” 즉 회전익기 라 부릅니다.

미 해병대의 VTOL, 오스프리.

자.  이제 본론으로 들어가서..

조종을 배우면서 초기 단계에 가장 많이 듣게 되는 소리는 “실속을 주의해라”, “이런식으로 하면 실속된다” 등등 실속이란 말을 많이 들었을 것입니다

항공기의 날개에 작용하는 힘은 아래와 같이 네가지의 힘이 작용합니다.

1) 중력(Weight) : 물체를 수직 하방으로 당기는(?) 힘.

2) 양력(Lift) : 물체를 위로 떠 올리는 힘.

3) 항력 (Drag) : 양력과는 반대로 앞으로 나아가지 못하게 하는 힘.

4) 추력(Thrust) : 물체를 앞으로 나아가게 하는 힘,

이상과 같은 네가지의 힘이 작용하는데 비행기가 떠오르려면 당연히 양력이 중력보다 커야 하고 앞으로 전진비행을 하려면 추력이 항력보다 커야 합니다.

이를 간력히 요약하면 아래와 같습니다.

양력 > 중력

추력 > 항력

따라서 양력과 항력의 비율을 "양항비"라 하며 양항비가 좋은 날개의 구조가 양력도 많이 발생시킬수 있게됩니다.

비행기를 위로 떠 올리게 하는 양력을 크게 하려면 여러 방법이 있는데 예를 들면

- 날개면적을 크게 하거나

- 받음각을 크게 하거나

- 캠버를 높이 설계하거나

- 추력(속도)이 빠르거나

- 공기밀도가 높거나 등등이 있을 수 있습니다.

여기서 잠시 실속에 대해 알아 보려면 항공기 날개의 명칭에 대한 약간의 이해가 필요합니다.

비행기의 날개는 양력(Lift) 즉 비행기가 뜨게 하는 힘을 발생시키기 위하여 아래 그림과 같이 약간은 구부러져 있으며 이같이 구부러진 모양을 에어포일(Airfoil) 이라 합니다.

위의 에어포일 형태에서 날개 맨 앞부분을 Leading Edge(전연부)라 부르며 날개 끝단을 Trailing edge (후연부) 라 부릅니다.  또한 전연부(Leading Edge) 에서 후연부(Trailing Edge) 까지의 직선 구간을 코드라인(Chord Line) 이라 하며 전연부 바로 뒷부분에서 날개 두께가 제일 두꺼워 지는데 이를 "캠버(Camber)" 가 있다 라고 합니다.

항공역학적으로는 이 에어포일의 형태에 따라 양력 발생의 차이가 크게 나타나므로 에어포일의 형태를 숫자로 표기하는데 이를 NACA 값이라 합니다만 이를 설명하자면 별도의 공간이 필요하므로 기회 있을 때 다시 설명하겠습니다. 

양력 발생에서 가장 중요한 요소인 “받음각(Angle of Attack)”이란 위의 그림에서 날개 앞 부분이 날개 뒷부분 보다 들려져 있는데 이같이 들려진 상태를 “받음각(Angle of Attack)” 이라 합니다.

위의 그림에서 푸른색 부분의 각도가 받음각입니다.

받음각은 줄여서 AOA 라고도 합니다 (Angle of Attack).

이 받음각에 의하여 양력이 발생하게 되는데 이때 받음각이 커지면 커질수록 양력은 증가하지만 일정 각도 이상 즉 임계점 이상이 되면 날개 윗면에 흐르는 공기의 흐름에 와류가 발생하고 따라서 양력은 급격히 감소하여 항력이 증가하고 아래 그림과 같이 실속(Stall) 이 발생하는 것입니다. 

위의 그림에서 받음각이 10도 까지는 공기의 흐름에 변동이 없으나 받음각이 14도 되는 시점부터 날개 상부 뒷부분의 공기 흐름에 와류가 발생하고 20도 지점 부터는 와류가 대단히 커지는 것을 알 수 있습니다.

따라서 위의 그림에서 보듯이 받음각이 커졌을 때 날개 윗면의 공기흐름에 와류가 발생하여 양력이 없어지는 현상을 실속(Stall) 이라 합니다.  또한 당연히 실속이 발생하면 양력이 없어지게 되므로 기체를 부양시키지 못하고 땅으로 떨어지게 됩니다.

쉬운 말로 추락이라고 하죠.

실속의 원인은 여러가지가 있지만 우리 같은 경량항공에서 비행 중 경험할 수 있는 경우를 보자면.

1) 과도한 받음각의 증가.

수평비행을 하다가 상승하기 위하여 기수를 너무 들었을 경우 받음각이 커지고 따라서 위의 그림과 같은 현상에 의해 급격한 항력증가로 실속이 발생하게 됩니다.

수평비행 중에 상승하기 위하여 기수를 급격히 올리면 엔진 힘에 의하여 어느 정도 상승하다가 상승속도가 떨어지며 바로 실속이 걸려 곤두박칠 칩니다.

이럴 경우에는 즉시 기수를 내리고 엔진 파워를 주면 실속에서 벗어날 수 있습니다.

하지만 너무 낮은 고도에서 이런 조작은 위험하므로 연습을 하려면 최소 1천 피트 이상에서 하는 것이 안전합니다.

2) 저속 비행시의 실속

실속 속도란 양력과 추력이 항력과 중력 보다 적어서 주 날개에 실속이 발생하기 시작하는 속도를 실속속도 (Stall Speed)라 합니다.

즉 공중에서 비행 가능한 최저 속도이며 이 실속 속도보다 낮을 경우 당연히 실속에 들어갑니다.

충분한 속도를 확보하지 않으면 예기치 못한 배풍이나 측풍에 의해 실속에 빠질 수 있습니다

3) 수평 선회시의 실속

수평 비행시 실속속도에 근접해서 비행하다가 속도를 높이지 않은 상태로 선회를 하면 날개에 바로 실속이 걸려 추락하게 됩니다.  수평 비행시 실속속도 부근에서 선회시에는 측풍이나 배풍이 불 경우 대단히 위험합니다. 따라서 수평비행시에는 선회를 시작하기 전에 충분한 엔진파워를 주고 안전고도와 안전속도의 유지 그리고 선회각(뱅크)을 45도 이내에서 운용하는 것이 좋겠습니다.

4) 착륙 접근중의 실속

착륙하기 위하여 화이널 어프러치 시 실속에 가까운 속도로 어프러치를 하면 대단히 위험합니다.

실속 속도가 40너트인데 45너트로 접근한다면 기체가 떠있기는 하겠지만 갑자기 측풍이나 배풍이 불면 진대기속도(TAS)가 실속 속도 이하가 되어 그대로 주저 앉게 됩니다. 

또한 실속 속도 부근에서 최종 접근시 활주로의 센터라인에 맟추기 위하여 에일러런을 과도하게 조작하였을 경우 에일러런이 아래 방향으로 내려간 쪽의 날개에 받음각이 커져 실속이 발생합니다.

따라서 이착륙시의 안전속도는 기체 매뉴얼에 나와 있는 실속속도 보다 최소한 30%에서 40% 이상의 속도에서 조작하여야 합니다.

즉 실속 속도가 40너트라 하였을 경우 로테이트 및 어프러치 속도는 30% 에서 40% 이상인 52너트에서 56너트 이상에서 이루어져야 합니다.

5) 이륙시의 실속

이륙하여 최초 선회에 들어 갈 때 실속 속도 보다 더욱 높은 속도에서 선회를 하여야 합니다.

위에서 이야기한 바와 같이 이륙하자 마자 실속 속도를 겨우 벗어났는데 바로 선회를 하면 실속에 들어가 곤두박질로 이어집니다.

특히 이륙 후 Crosswind 구간으로 선회 할 경우 또는 착륙하기 위하여 Base구간으로 선회시에는 대부분 배풍이나 측풍 상태가 되므로 더욱 더 속도에 대한 주의가 필요합니다.

참고로 실속을 예상할 수 가 있는데 실속이 걸리면 기체에 Flutter 라는 진동이 발생합니다.

즉 기체가 부루르 하고 떠는 현상을 느낄 수 있는데 이때는 실속이다 생각하고 당황하지 말고 속도계와 고도계를 확인하며 즉시 파워를 증가시키고 고도가 확보되었다면 기수를 내리고 하강속도를 올려서 실속에서 벗어나는 것이 가장 안전한 방법입니다.

얼마 전 사천의 공군 비행훈련단에 가서 공군의 초등훈련기인 KT-1의 시뮬레이터를 타볼 기회가 있었습니다. 의자에 착석하고 이륙하여 선회하는 중에 갑자기 의자와 기체가 부루루 떨리면서 “삐이 삐이” 하는 스톨 경고음이 요란히 울리는데 바로 옆에 있던 공군의 비행교관이 “스톨입니다, 그만 내려 오시죠” 했던 기억이 납니다.

실속이 걸리면 기체에 진동이 생겨 느낄 수가 있긴 하지만 이때의 진동은 비행속도와 대기상태에 따라 달라지므로 진동이 없어서 스톨 걱정 없다는 생각은 하지 마시고 항상 속도계와 고도계에 신경을 써서 비행하여야 합니다.   

참고 사항으로 ...

공주비행장의 HL-C126, Bingo(빙고) 또는 일부 사바나(Savanah) 기종에는 날개 앞부분에 추가로 슬랫이 달려 있는 것을 볼 수 있는데 이 추가로 부착 되어진 부분을 “슬랫(Slat)” 이라 부르며 이 주 날개와의 틈새를 “슬롯(Slot)” 이라 합니다.

이같은 Slat을 부착하는 이유는 날개의 전연부에서 들어온 공기흐름이 받음각의 증가에도 날개 끝단 까지 와류가 발생하지 않고 매끄럽게 흐르게 하여 양력을 증가시키고 실속을 억제하기 위한 장치입니다.

이 같은 Slat 의 부착으로 양력이 크게 증가하긴 하지만 이와는 반대로 실속은 억제되지만 항력(Draft)도 크게 증가하여 빠른 속도를 낼 수 없으므로 교육용으로 사용하는 저속기(Slow Mover)에 많이 사용하고 있습니다.   

자.. 실속에 대한 설명이 너무 길었습니다.

아래동영상은 실속에 관한 동영상 교육자료를 제가 번역하여 자막을 넣은것입니다.

실속에 관한 아래 동영상을 참고하시기 바랍니다.

동영상 영문 원본 출처 : https://www.youtube.com/watch?v=hKUJNkW5WvA&t=13s

다음편은 양력과 실속속도를 실제로 계산하여 보도록 하겠습니다.

감사합니다.

[한우리]

외울게 많네요,잘 보았습니다...

[지바고]

감사합니다

[돈브로]

실속에 대해 받음각 정도만 생각했는데 배풍 측풍등 다양한 요소가 있었군요. 슬롯에 대한 내용도 처음 알았네요. 좋은 자료 감사합니다.