선회시의 양력감소 및 실속속도의 변화

[지바고]

*선회시의 양력감소 및 실속속도의 변화 *

지난 회에서는 양력과 실속을 실제로 계산하여 보았습니다.

이번에는 급격한 선회각(Bank)를 주면 위험하다 하였는데 실제로 얼마나 위험한지 선회각 별로 양력변화와 실속 속도의 변화는 얼마나 일어나는지 등에 관하여 알아보겠습니다.

선회를 하려면 선회하고자 하는 방향으로 에일러런을 밀어서 날개를 (기체를) 선회하고자 하는 방향으로 기울여야 합니다. 상식적으로 생각해도 날개가 기울어져 있으니 날개 바로 위에서 바라 보면 상대적인 날개의 면적이 줄어 들게 되고 따라서 양력은 날개면적에 비례하므로 당연히 양력도 줄어 들게 됩니다.

아래 동영상은 멀쩡하게 가던 비행기가 선회하는 도중 갑자기 실속하여 추락하는 영상입니다.

바로 선회시 증가하는 실속속도를 고려하지 않아 추락하는 장면입니다.

선회각에 따라 양력이 얼마나 감소하는지를 계산하려면 중학교 때 배운 삼각함수에서 Cos 값, 즉 코사인 값으로 계산하면 됩니다

아래 그림은 30도와 60도 선회시 작용하는 원심력 G의 증가를 그림으로 나타낸 것 입니다.

아래의 표는 각 선회각 별로 코사인 값을 구하여 양력의 감소율을 계산하여 보았습니다

선회각	양력감소
	코사인값	감소율
20도	0.94	6.1%
30도	0.87	13.4%
40도	0.77	23.4%
45도	0.71	29.3%
60도	0.50	50.0%
75도	0.26	74.1%
80도	0.17	82.6%
85도	0.09	91.3%

이를 그래프로 나타내면 양력의 감소가 급격하게 나타나는 것을 볼 수 있습니다 

위의 표에서 보듯이 선회각 45도에서는 양력이 29 % 감소하고 60도 에서는 50%로 감소하게 됩니다.

따라서 양력은 속도의 제곱에 비례하므로 위의 양력 감소부분을 보완하려면 당연히 스로틀을 밀어서 속도를 올려야 하겠지요.

또한 양력감소만이 아니고 또 한가지 고려하여야 할 사항으로는 선회라는 것은 결국 원운동이므로 기체에 원심력이 작용하여 중력 G 가 늘어난다는 것입니다.

다시 말하면 수평 비행시에는 지구의 중력을 기준으로 1G 이지만 선회를 하면 원심력이 작용하여 1G 보다 선회각 만큼 높게 나타납니다.  따라서 증가된 실속속도 이상으로 속도를 높여야 합니다.

이때 선회각 별로 늘어나는 G와 필요한 실속속도는 아래 표와 같습니다.

아래의 표는 사바나 실속속도 56kph 의 경우를 예로 들었습니다.

선회각	G의 증가	실속속도	실속속도
	(필요양력)	(G의 제곱근)	kph	mph
20도	1.1	1.0	58.0 kph	36.2mph
30도	1.2	1.1	60.2 kph	37.6mph
40도	1.3	1.1	64.1 kph	40.0 mph
45도	1.4	1.2	66.6 kph	41.6 mph
60도	2.0	1.4	79.2 kph	49.5 mph
75도	3.9	2.0	110.1 kph	68.8 mph
80도	5.8	2.4	134.4 kph	84 mph
85도	11.5	3.4	189.7 kph	118.6 mph

위의 표를 알아 보기 쉽게 실속속도의 증가를 그래프로 나타내 보면 아래와 같습니다.

위의 표에서 보듯이 선회각 45도에서는 G가 1.4 가 되며 실속속도는 1.4의 루트 값인 1.2로 늘어 납니다.  따라서 이론상 45도 선회시의 실속속도는 56Kph 에서 66.6 kph (46mph)로 늘어나게 되는 것입니다. 

선회각 60도에서는 G가 2 이므로 실속속도는 G 값의 루트값 이므로 G 2의 루트값은 1.414, 고로 실속속도는 1.4배로 늘어나서 79kph (50mph) 가 되는 것입니다.

하나 더 예를 들면 선회각 75도일 경우 G는 3.9 이고 이 값을 루트값으로 계산하면 2.0 즉 양력은 두배로 필요하게 되어 실속속도는 110kph (69mph) 가 됩니다.

대단히 깊은 선회각인 85도의 경우에는 실속속도가 120마일이며 여기에 속도 마진 약 30마일 정도를 더하면 실제는 150마일 정도되어야 실속을 피할 수 있는데 이는 사바나의 최대속도 보다 높은 속도가 필요하다는 것을 알 수 있습니다.

앞 회에서 얘기하였지만 이 속도는 어디까지나 이론상의 속도일 뿐 실제 비행에서는 바람의 요소나 받음각의 요소를 고려하여야 하므로 훨씬 더 높은 속도에서 비행하여야 합니다.  

전투기나 곡예기로 곡예비행을 하는 경우 90도로 선회를 하는 경우가 있는데 이때는 날개양력은 제로입니다.  그러나 전투기나 곡예비행기는 추력(엔진출력)이 워낙 세기 때문에 양력이 없어도 엔진의 추력만으로도 기체를 끌고 갈수 있기 때문에 떨어지는 일이 없습니다.

비행에 어느 정도 자신있어 하는 분이 이제 묘기 좀 부려 볼까 하고 선회각을 깊이 주어 비행을 하면 대단히 위험하므로 절대로 명 단축하는 일은 없어야겠습니다.  제 개인적인 생각으로는 45도 이상의 선회는 위험하리라 봅니다.

사바나 기종의 경우 45도 선회할 경우 이론상의 실속속도는 수평비행시 35마일 이고 45도 선회시의 실속속도는 46마일이지만 보통 최저속도 65마일 정도로 비행하므로 45도 정도는 바람이 약간 있다 해도 실속속도에 충분한 여우가 있으므로 문제가 되지 않습니다. 그러나 측풍이 심할 경우 날개를 깊은 각도로 기울이면 바람을 받는 면적이 커지므로 옆으로 쏠려나갈 수 있으므로 각별한 조심이 필요합니다.

깊은 선회각으로 비행시에는 고려해야 할 또한가지는 엔진의 문제가 있습니다.

깊은 선회각으로 선회시의 엔진 문제를 살펴보면.

1) 캬브레이터의 기능 정지.(엔진 Out)

경량에서 사용되는 엔진은 피스톤 엔진인 로택스912계열 또는 자비루 엔진을 사용하는데 깊은 선회각을 주면 캬브레이터 내부의 Floater 가 뒤집혀서 연료공급이 끊어 질 수 있습니다.

2) 연료탱크의 연료공급 일시정지 (엔진 Out)

 연료를 적게 실었을 경우 연료탱크에서 엔진으로 공급되는 연료라인이 기체가 기울어지게 되므로 연료공급이 순간적으로 차단되어 질 수 있습니다.   

3) 엔진오일 공급 부족 (엔진 Out)

기체가 기울어지므로 엔진 밑바닥에 있는 오일팬의 오일이 옆으로 뉘어지게 되어 윤활작용이 감소되어 엔진에 무리가 가거나 정지될 가능성이 높습니다.

이 같은 여러가지의 이유로 깊은 선회각의 비행은 위험하다는 것입니다. 깊은 선회각으로 멋진 비행을 하려면 다음과 같은 조건이 충족되어야 합니다.

1) 엔진파워가 충분할 것 (양력이 제로라도 기체를 끌고 갈 수 있을 정도의 추력)

2) 연료탱크가 Acrobatic 용으로서 어떠한 자세에서도 연료공급이 이루어지는 연료탱크를 부착할 것.

3) 반드시 인젝터 타입일 것.(Rotax 912 Is 엔진)

4) 오일팬이 Acrobatic 용으로 되어 있을 것 등이 있을 수 있겠습니다.

이상으로 선회비행시의 양력변화와 실속속도의 변화에 대하여 알아 보았습니다.

오늘은 일요일이라서 두편을 써내려 갔습니다.

다음편은 실제 선회를 어떻게 하여야 하는지 동영상 자료를 준비하겠습니다.

감사합니다. 

[자유와도전(김성민)]

저는 자이로나 자세보고 30도 정도 그이상 뱅크는 안 넣으려고 합니다만...,

[지바고]

경량은 취미로 즐겁자고 타는 비행이므로 무리한 기동은 절대 피하는게 좋습니다.
오래 동안 비행을 즐기려면 안전이 최우선입니다..

[csdaniel]

잘읽었습니다~
기동훈련전에 숙지 하고 안전비행하겠습니다.
감사합니다 ~^^

[지바고]

감사합니다