[항공운항과]-[한서대]한서대 항공운항학과 전공 소양 면접 문제[항공운항과학원]

[강보미]

1. magnetic compass의 오차중, magnetic dip에 대하여 설명하시오

일단, 설명하기전에 나침판에 대하여 알아야 합니다. 모든분들이 아시다시피, 나침판의 N 바늘은 북쪽을 가르키려는 특성을 가지고 있습니다. 그 원리를 이용해서 항공기는 동서남북을 알수 있고, 모든 네비게이션의 기본이 되는 장비가 compass입니다. 우리가 일반적으로 생각하는 북쪽은 지도상에서 위쪽에 있는, 지리상 북인 True North(진북) 입니다. 하지만, compass는 Magnetic North (자북)을 가리킵니다. 진북과 자북은 약 1,000km 떨어진 북극에 위치하고 있으며, 이같은 차이가 발생하는 이유는 지구가 기울어져있는 점과 자전을 이용해 설명할수 있습니다. 지금부터 하는 설명은 Magnetic North가 기준입니다.

그럼, 지구상의 가장 최북단인 (magnetic) 캐나다 북쪽 끝, 레절루트에 나침판을 가지고 서있다면, 과연 나침판 바늘은 어디를 가르킬까? 만약, 나침판이 왼쪽 오른쪽 움직임만이 아닌, 위아래 움직임을 가지고 있다면, 바늘은 수직으로 (90도)로 땅을 가르킬것입니다. 하지만, 나침판은 위아래 움직임을 가질수 없으므로, 북극중 북쪽에서는 N 바늘이 빙빙도는 현상이 발생합니다. 이처럼, 나침판 바늘이 아래쪽을 가르키려는 현상을, magnetic dip이라고 합니다. 이 현상은 적도 부근에서는 전혀 일어날수 없고, 남극과 북극처럼 High Latitude에서 일어날수 있는 현상입니다. 이러한, compass의 에러가 북극이나 남극을 날고 있는 항공기 조종사에게 제대로 된 방위정보를 줄수 없기 때문에, 여러가지 방법을 이용해서 Magnetic Dip 현상을 최소화하려고 노력하고 있습니다.  (아주 쉽게 이해할수 있는 Magnetic Dip 사진이 있는데, 스캐너가 고장나서 올릴수가 없습니다)

다시한번 간단히 정리하자면, 지구 자력은 적도 부근에서는 수평으로 작용하나, 양 극에서는 수직으로 작용해 생기는 에러를 Magnetic Dip이라고 합니다.

몇가지 Compass 오차에 대해 덧붙이자면, 항공기가 북쪽에서 방향을 전환하면 나침판이 늦게 반응하는 (Lag) Northerly Turning Error가 발생하고, 반대로 남쪽으로 가고 있는 상황에서 방향을 전환하면, 나침판이 먼저 반응하는 (lead) Southerly Turning Error가 있습니다. 또한, 서쪽이나 동쪽으로 가고 있는 항공기가 가속을 하면, 나침판은 북쪽으로 회전하려는 error를 가지고, 반대로 서쪽이나 동쪽 방향에서 감속을 하게 될경우, 남쪽을 항하려 하는 Error가 있습니다.

2. 비행기가 선회하는 근본적인 힘에 대한 설명

비행기가 하늘에서 회전하려면 aileron이라는 날개끝에 붙은 surface를 이용합니다. 우선, 조종사가 방향을 오른쪽으로 회전하고 싶은 경우, 자동차와 마찬가지고 컨트롤을 오른쪽으로 돌리면 됩니다.

이때, 오른쪽 날개에 붙은 aileron은 올라가고, 왼쪽 날개에 붙은 aileron은 내려가게 됩니다. 그럼, aileron이 내려간 왼쪽 날개는 Angle of Attack (받음각)이 커지므로, 양력을 많이 받아 상승하려는 특성을 가지게 됩니다. 반대로, aileron이 내려간 오른쪽 날개는 받음각이 줄어들므로, 양력이 적어져 하강하려는 특성을 가집니다. 이 결과, 오른쪽날개는 아래로 가라앉고, 왼쪽 날개는 상승하며 항공기는 비딱한(?) 자세를 유지하게 됩니다. 이 원리를 이용해서 항공기가 선회를 할수 있습니다. 그러므로, 근본적인 힘은 양력이라고 말씀드릴수 있고, 원리는 받음각의 차이를 이용, 양력을 조절, 선회를 한다고 보시면 될껏 같습니다.

한가지 덧붙이자면, 항공기는 선회시 하강 하려는 특성을 가집니다. Steep 하게 선회를 하면 할수록 항공기는 하강 tendency를 많이 보여줍니다. 이유인즉 Load Factor라고 불리는 힘때문인데, 이럴 경우, 회전과 동시에 약간의 기수를 들어줘 (떄로는 파워와 함께) 고도를 유지하며 회전을 할수 있습니다.

다음은, 카케베님께서 보내주신 글입니다 (^^)

받음각의 차를 이용하여서는 항공기의 롤링 모멘트밖에 발생시키지 못합니다. 단순히 롤링 모멘트가 발생한다고 해서 비행기가 선회하는 것은 아니지요. 비행기의 선회는 롤링 모멘트로 인해 항공기가 뱅크각을 가지면 이 때 날개 수직한 방향으로 발생되는 양력의 수평방향 분력이 원심력으로 작용하여 선회하게 되는 것이죠. 결국 선회의 근본적인 힘은 양력의 수평방향 분력인 구심력이 되겠습니다.

두번째로 Load factor는 힘이 아닙니다. 무게에 대한 양력의 비를 나타내는 무차원 변수이지요. 수평 선회 비행을 위한 조건으로 양력의 수직방향 분력과 항공기의 무게가 같아야 합니다. 따라서 말씀하신것처럼 기수를 들어 받음각을 크게 하고 양력을 증가 시키는 방법과 항공기의 속도를 빠르게 하여 양력을 증가시키는 방법을 생각해 볼 수 있죠. 여기서 Load factor가 증가하므로 Safety factor 내에서 운용가능한 Load factor를 가지도록 운항하여야 하겠습니다.

3. 비행기에 발생하는 좌선회 경향중 Gyroscopic Precession에 대해 설명하시오

항공기는 이륙시 활주로와 정렬후 파워를 넣어준후 가속, Rotation Speed (Vr)이 되면 이륙을 합니다. 하지만, 활주로에 들어서 파워를 넣어준 직후부터, 일직선으로 활주로를 내달리지 않고, 왼쪽으로 회전하려는 특성을 가집니다. 그래서 조종사는 이륙시 파워를 apply하는 동시에, 오른쪽 Rudder 폐달을 꾹 밟아, 좌선회 경향을 막습니다. 만약, 이같은 correction이 없다면, 항공기는 활주로 옆 잔디밭으로 나가갈것입니다. 또한, 상승시 Slipstream으로 인하여, 죄선회 경향을 보입니다. 그래서 조종사는 상승하는 내내, 오른쪽 Rudder 폐달을 밟아, 왼쪽으로 회전하려는 항공기를 막습니다. 그럼, 이같은 좌선회 경향이 왜 생기나?

이륙때 생기는 좌선회의 이유는 여러가지가 합해져 복잡적으로 작용합니다. 첫쨰, Slipstream이 있습니다. 항공기 프로펠러는 선풍기와 마찬가지로 오른쪽으로 돕니다. 그결과, 힘의 불균형이 생깁니다. 프로펠러에서 나온 강력한 airflow (공기)가 기체를 감싸고 돌아, 항공기 뒤쪽에 있는 꼬리날개를 오른쪽으로 밀게 됩니다. 꼬리가 오른쪽으로 밀리기 떄문에, 결과적으로 항공기 앞부분은 왼쪽을 향하게 되고, 좌선회 경향을 가지게 됩니다. 둘째, Torque가 있습니다. 오른쪽으로 도는 프로펠러에 대한 반작용으로 왼쪽으로 선회하려는 경향을 갖게 됩니다. 셋째, Asysmmetric Propeller Blade Effet가 있습니다. 일명, P-factor라고 불리는 현상인데, 간단히 설명을 하자면, 프로펠러는 여러개의 blade로 구성되어있습니다 (선풍기도 blade가 3개 이상인것 처럼) 이 각각의 blade가 돌면서 공기를 뒤로 밀어내, 항공기는 추력을 얻어 앞으로 나가게 됩니다. 이때, 내려가는 Blade가 올라가는 Blade보다 공기를 많이 밀어내기 때문에, 힘의 불균형이 생깁니다. 즉, 오른쪽으로 내려가는 blade가 왼쪽에서 올라가는 blade보다 힘이 세기 때문에, 힘이 약한 왼쪽으로 회전하려는 경항을 가집니다.

마지막 이유로, 질문하신 Gyroscopic Precession이 있습니다. 모든 회전하는 물체는 어떠한 힘이 가해질때까지 계속 회전하려는 특성을 가집니다. 프로펠러도 마찬가지로 계속 엔진힘이 전해지는 동안 회전을 멈추지 않고 돌려는 특성을 가지고 있습니다. 이처럼 돌고 있는 물체에 어떤한 힘을 가한다면? 그힘은 힘을 준 곳에서 회전하는 방향쪽으로 90되는곳에서 반응을 합니다. 이 현상을 말로 설명한다는것이, 굉장히 어려워 예를 하나 들어보겠습니다.

혹시 플심을 해보셨는지 모르겠으나, 테일드래거 비행기들이 있습니다. 테일드러거란? 항공기 앞바퀴는 크고, 뒷바퀴는 뒤에 조금한것 달랑하나 달린 비행기들을 말합니다. 이 비행기는 앞바퀴가 크고 뒷바퀴가 작기 때문에 지상에서 시야가 굉장히 안좋습니다. 이유인즉, 항공기 특성상 조종사가 하늘을 쳐다보며 지상활주를 하기 때문입니다. 이러한 비행기가 이륙을 할때는, 일반 비행기와 다르게 한 과정이 추가 됩니다. 일단, 파워를 넣어준다음, 일반 비행기가 컨트롤을 잡아 당겨 이륙하는 것과 다르게, 컨트롤을 밀어, 항공기 뒷바퀴를 띄워 수평을 만든다음, 컨트롤을 당겨 이륙을 합니다.

이때, 항공기는 Gyro Precession 때문에 왼쪽으로 회전하려는 현상이 발생합니다. 항공기 뒤를 띄우기 위해서는, 앞쪽을 눌러주어야 합니다 (시소처럼) 그결과 빠르게 회전하는 프로펠러를 위에서 누르는 힘이 발생하게 됩니다. 그러면, 앞에서 말씀드린것과 같이, 어떤 돌고 있는 물체에 힘을 가하면 회전하고 있는 방향의 90도로 작용한다는 원리 때문에, 프로펠러를 누른힘이 오른쪽 90도로 작용해, 결과적으로 항공기는 왼쪽으로 선회하려는 좌선회 경향을 가집니다.

이해가 되셨나요? 상당히 전문적인 지식이라, 쉽게 풀어써보았는데, 이해 안되시면, 덧글 주세요~(^^)

4. 항공기가 뇌우를 만나면 회피하는 이유?

"뇌우"라는 단어가 몬지 몰라 ThunderStorm으로 가정하고 설명을 드리겠습니다. 일단, 항공기가 ThunderStorm을 만나면 돌아가는이유? 답은 "안전"입니다. 얼마전 아시아나 에어버스 A320 항공기가 스톰속에서 비행을 하다가 그 튼튼하다던 조종실 유리창이 부숴지고 어렵게 공항으로 돌아온일 아실겁니다. (^^) 이처럼 ThunderStorm 주변이나, 그 속을 비행한다는것은 자살행위입니다.

이처럼 ThunderStorm이 무서운 이유는, 첫째, 강력한 상승기류가 발생합니다. Thunderstorm은 항상 저기압과 함꼐 몰려옵니다. 우리 모두 알다시피, 기압은 높은곳에서 낮은곳으로 흐르게 됩니다. (고기압 -> 저기압) 그 결과 저기압 주변에는 많은 수증기와 구름들이 발생하고 모든것을 빨아들이는 효과가 나타납니다 (말이 굉장히 이상합니다만, 쉽게 풀어쓰고 있습니다) 또한, cumulus (적락운)이라는 무시무시한 구름이 발생되는데, 우리가 흔히 말하는 뭉게구름으로 보시면 됩니다. 이 구름은 지상에 있는 모든 수증기를 빨아들려 위로 위로 뻗어 가는 특징을 가지고 있습니다. 그 결과, 심한 적란운들은 굉장히 높은 고도까지 이르게 됩니다. 그래서 적락운 주변의 기류는 굉장히 불안정해지고, 텨뷸런스를 만날수 있기 때문에, 회피하여 비행을 하게 되는 것입니다.  

둘째, ThunderStorm의 주변의 기온은 낮아서, 우박 피해를 입을수도 있습니다. 셋째, ThunderStorm은 굉장히 불안정한 대기 상태이기 때문에, 번개를 맞을수 있습니다. 항공기에는 static discharger라는 피뢰침 비슷한 것이 장치되어 있어, 번개를 맞아도 엄청난 전류를 공기중으로 내보내기 때문에, 사람은 안전합니다만, 항공기 각종 항법장치라던가, 시스템에 문제가 생길수 있으므로 회피비행을 합니다. 마지막으로, IFR (계기비행)하는 비행기에 그리 안어울릴지는 모르나, 강한 비가 내리기 때문에, 조종사 시야가 굉장히 좁아지는것도 이유라 들수 있겠습니다 (^^)

5. 항공기 운항에 영향을 미치는 바람의 정의와 발생하는 원인은?

일단, 바람이 부는 원인은? 하루종일 써 내려가도 모자랄 만큼, 여러가지 설명을 할수 있으나, 간단히 설명하면, 기압차, 온도차, 지구의 자전 등등의 원인으로 대기가 움직이고 그 결과 바람이 불어옵니다.

일단, 항공기에 영향을 미치는 바람은, 크게 구분하면 HeadWind (정풍), CrossWind (측풍), TailWind (배풍)이 있습니다. 질문이 항공기 운항이라고 나와있어, 이착륙을 말하는것인지, 순항준임을 말하고 있는것인지 몰라, General하게 설명을 드리겠습니다. 일단, 항공기는 이착륙은 HeadWind (앞에서 불어오는 바람)을 받습니다. 일반 사람들이 생각하기에, 이륙시 바람이 뒤에서 불어오면 항공기를 밀어줘 더 좋지 않을까 생각하시나 틀린애기입니다. 항공기가 하늘을 날수 있는것은 바람때문입니다. 불어오는 바람을 날개가 받아 그 힘을 이용 (양력) 하늘을 납니다. 그럼, 양력을 극대화 하려면? 바람을 더욱 많이 날개 쪽으로 불게 해주면 됩니다. 그 결과, 이륙시 뒤에서 불어오는 바람보다는 앞에서 불어오는 바람이 효과적이고 안전하기 때문에, 정풍을 받습니다. 착륙때도 정풍을 받는 이유는, 바람이 앞에서 불어오기 때문에, 접근 속도를 늦출수도 있고, 활주로와 접지시 바람이 브레이크 역활을 해주기 때문에, 활주로를 최저로 사용할수 있는등 장점이 많습니다.

바람은 고도가 높아 지면 높아 질수록 바람이 강하게 붑니다. 그래서, 대항항공이나 아시아나 같은 대형여객기들이 높은 고도를 비행하는 이유는 더 좋은 바람을 만날수 있고, 또한 터뷸련스가 적고 (에어포켓 같은것이 존재하기는 하지만) 시간과 기름을 절약할수 있기 때문입니다.

이 질문은 쓰다보니, 점점 포인트를 잃어 가는것 같습니다. 더이상 쓸말이 생각나지 않아, 혹시 질문이 있으시면, 덧글 주세요. 그리고 저녁시간이 되어서 나머지 2질문은 다음에 올리겠습니다. 제가 많은 도움이 되었으면 좋켔네요 (^^)