조종

[GT허리케인JJ]

 

날개(wing), 수직안정판(vertical stabilizer), 수평안정판(horizontal stabilizer) 등과 같이 고정에어포일이 아닌 항공기 운동을 제어하기 위해서 사용되는 가동 에어포일을 조종면(control surface)이라 한다. 조종면은 크게 항공기의 기본운동(pitching, rolling, yawing)을 제어하는 1차 조종면인 승강타(elevator), 보조익(aileron), 방향타(rudder)와 기본운동을 돕거나 고양력장치 등의 목적을 위한 2차 조종면인 스포일러(spoiler), 플랩(flap) 등으로 구분된다. 

1. 승강타 (Elevator)

비행기는 승강타(elevator)의 조작으로 피칭(pitching) 운동을 하게된다.  조종간을 당기면 기수는 상승하고 조종간을 밀면 기수는 하강하게된다. 그림과 같이 조종간을 당기면, 승강타는 위로 변위를 하게되고 변화된 수평미익 캠버는 수평미익 하면의 압력감소를 유발시키고 꼬리를 내리려는 힘이 발생하여 피칭모멘트가 생긴다.  꼬리가 내려감에 따라 비행기는 받음각이 증가해서 기수를 들려는 피칭모멘트가 더욱더 커지게 된다.

전투기의 경우 수평안정판(horizontal stabilizer)과 승강타(elevator)가 구별되어 있지 않고 수평안정판 전체가 움직여 수평안정판과 승강타의 기능을 동시에 수행하는 데 이를 "수평안정판 + 승강타 (stabilizer + elevarot)"의 의미로 "스테빌래이터(stabilator)"라 부른다.

2. 보조익 (Aileron)

비행기는 보조익(aileron)의 조작으로 롤링(rolling) 운동을 하게된다. 조종간을 좌로하면 비행기는 좌로 경사지게되고, 조종간을 우로하면 비행기는 우로 경사지게 된다. 조종간을 좌로하면 좌측 보조익은 위로 우측 보조익은 아래로 변위를 하게되고, 조종간을 우로하면 우측 보조익이 위로 좌측 보조익이 아래로 변위를 한다.  좌우측 보조익은 항상 동시에 반대로 변위를 한다.

그림에서와 같이 조종간을 우측으로 조작하면 우측보조익은 위로 좌측보조익은 아래로 변위하게 되고 좌우측 날개의 각 상면과 하면의 압력감소가 유발되고 항공기를 우측으로 경사지게 하려는 롤링 모멘트카 발생하여 항공기는 우측 롤링운동을 수행한다.

대형 여객기의 경우에는 2중 보조익을 사용하는데 고속에서는 날개의 뒤틀림을 방지하기 위해서 내측 보조익을, 저속에서는 롤링의 효율성을 위하여(큰 모멘트 암을 가지기 위하여) 외측 보조익을 사용한다. 고속에서 효과적인 조종을 위하여 스포일러(spoiler)를 보조익과 함께 사용하는 경우도 있는데, 이 경우 스포일러는 양력을 감소시키고 항력을 증가시키는 역할을 한다.

3. 방향타 (Rudder)

비행기는 방향타(rudder)의 조작으로 야잉(yawing) 운동을 하게된다. 좌측 러더페달을 밟게되면 비행기는 좌측으로 옆미끄럼을 하고 우측러더페달을 밟게되면 비행기는 우측으로 옆미끄럼을 하게된다.

그림과 같이 우측 러더페달을 밟게되면 방향타는 우측으로 변위를 하게되고 변화된 수직미익 캠버는 수직미익 좌측면의 압력감소를 유발시키고 꼬리를 좌로 옆미끄럼 하려는 야잉모멘트가 생긴다. 이 야잉모멘트에 의해서 기수는 우측으로 옆미끄럼 운동을 수행한다.

4. 조종균형 (Balancing Controls)

조종면은 적절히 균형이 되면 조종하기가 쉬우며, 조종면이 무거우면 조종하기가 어려우므로 조종면의 작동 운동의 무게를 감소 즉, 조종력을 감소시키는 방법으로 앞전 밸런스, 트림탭 등이 이용된다.

밸런스가 없이 조종면을 조작하기에는 큰 조종력이 요구되는데, 그림과 같이 힌지 앞쪽 부분에 밸런스를 둠으로써, 축을 중심으로 조종면과 반대로 움직여 상대적으로 조종면의 효율을 증가시켜 조종력 감소 효과를 가져올 수 있다. 밸런스와 조종면은 힌지 축을 중심으로 그 무게가 평형을 이루지 않을 경우, flutter와 같은 진동의 원인이 되기 때문에 축을 중심으로 평형을 이루도록 납덩어리 등을 부착하여 평형을 맞춘다.

조종력을 경감시키기 위한 다른 방법으로 트림탭(trim tab)이 사용된다. 비행기의 기수를 올리기 위하여 트림탭을 그림과 같이 아래로 변위시키면 작은 트림탭의 조작만으로 트림탭의 변화된 캠버로 발생하는 힘은 승강타를 들어올려 위로 변위시키고, 위로 변위된 승강타는 결국 비행기 미부를 아래로 내리려는 피칭모멘트를 발생시킨다. 대형 고속 여객기는 아주 큰 조종력이 요구되므로, 전기(electric)나 유압(hydraulic)을 이용한 유압실린더(hydraulic actuator), 전기서보(electric servo actuator) 등을 사용한다.