스크랩 단발 프로펠러 비행기의 선회하려는 경향

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1개의 프로펠러가 비행기 앞부분에 위치한 비행기의 경우 프로펠러가 장축을 기준으로 한쪽방향으로 회전하기 때문에 비행기가 한쪽 방향으로 선회하려는 경향이 발생하며, 그 종류는 4가지가 있다고 합니다. 본 포스팅에서는 단일 - 견인식 - 프로펠러 비행기에서 발생하는 "선회하려는 경향(turning tendencies)"에 대해서 [cfi-wiki.net]의 내용을 중심으로 알아보고, 또한 비행기의 움직임과 관련한 승강타(elevator), 보조날개(aileron), 그리고 방향타(rudder)에 대해서 알아보겠습니다.

 1. 프로펠러의 비틀린 방향 : 오른손방향 프로펠러 

중앙의 허브(hub)와 2개의 날개깃(blade)을 갖는 프로펠러를 2엽 프로펠러라고 합니다. 

프로펠러 비행기에서 사용하는 프로펠러는 중앙에 위치한 허브(hub)를 중심으로 2개 이상의 날개깃(blade)을 가지고 있습니다.

허브(hub)를 중심으로 날개깃(blade)은 일정한 방향으로 비틀려 있으며, 위 그림과 같은 프로펠러를 오른손잡이 프로펠러(right hand prop)라고 합니다. 만약 반대로 비틀렸다면 왼손잡이 프로펠러(left hand prop)라고 합니다.

프로펠러 날개깃은 평평하지 않고 비틀려 있는데, 보통 오른손잡이 프로펠러(right hand prop)를 사용합니다. 이 경우 조정석에서 프로펠러를 바라볼 때 시계방향으로 회전하게 됩니다.

4개의 날개깃(blade)을 갖는 4엽 프로펠러로, 이것도 그 비틀린 방향을 기준으로 나누면 오른손잡이 프로펠러(right hand prop)입니다. 그림출처 : 위키백과

날개깃이 증가할수록 더 강한 추력이 발생하지만, 엔진의 효율은 떨어집니다.

 2. 비행기 조종면(control surfaces)과 그 움직임 

비행기조종면 : (1) 방향타(方向舵, rudder) : 비행기의 좌우운동(yaw)을 조정, (2) 승강타(昇降舵, elevator) : 비행기를 상하운동(pitch)를 조정, (3) 보조날개(aileron ; 보조익補助翼) : 회전운동(roll)을 조정 

비행기의 움직임은 좌우, 상하, 선회 3가지가 있으며, 움직임을 조정하는 부분들을 비행기 조종면(飛行機操縱面, control surfaces)이라고 합니다.

 1) roll 움직임 

좌우의 보조날개는 반대방향으로 움직이는데, 만약 왼쪽 보조날개가 아래로 접히고, 오른쪽 보조날개가 위로 접히면 왼쪽 날개는 위로 올라가로, 오른쪽 날개는 아래로 내려갑니다.[이것을 오른쪽으로 roll이라고 표현합니다.] 그림출처 : 위키백과

배행기의 수평날개에 위치한 보조날개(aileron ; 보조익補助翼)를 움직이면 비행기는 회전운동을 합니다. [이것은 마치 머리를 갸우뚱하게 움직이는 것과 비슷한 움직임입니다.]

 2) yaw 움직임 

방향타를 왼쪽 방향으로 꺽으면 비행기의 꼬리는 오른쪽으로, 비행기의 기수부위는 왼쪽 방향의 yaw를 하게 됩니다. 그림출처 : 위키백과

비행기의 수직꼬리에 위치한 방향타(方向舵, rudder)를 움직일 때 비행기는 좌우로 움직입니다.[이것은 마치 머리를 도리도리 움직이는 것과 비슷한 움직임입니다.]

 3) pitch 움직임 

승강타를 아래 방향으로 꺽으면(젖히면) 기수(비행기 앞부분)가 아래로 내려가고, 위 방향으로 꺽으면(젖히면) 기수가 위로 올라갑니다. 그림출처 : 위키백과

비행기의 수평꼬리에 위치한 승강타(昇降舵, elevator)를 움직일 때 비행기가 상하로 움직입니다. [이것은 마치 머리를 끄덕끄덕 움직이는 것과 비슷한 움직임입니다.] 

 3. 선회하려는 경향(turning tendencies) [cfi-wiki.net 의 내용]

 1) 소개(Introduction) 

공기역학(aerodynamics)의 많은 발전으로 비행기들이 좀 더 쉽게 날수 있게 되었습니다. 그러나 아직까지 비행기가 의도치 않은 방향으로 움직이려는 몇가지 경향을 있습니다. "왜? '선회하려는 경향'이 존재하며, 그것들을 어떻게 조정해야 하는가?"를 알아야 좀 더 편하고 안전하게 비행할 수 있습니다.

왼쪽으로 선회하려는 경향(left turning tendencies) 그림출처 : cfi-wiki.net

 2) 목표(objective) 

본 포스트를 통해서 4가지 선회하려는 경향이 비행기에 어떤 영향을 주고, 그것의 원인 그리고 그것을 수정방법을 확인할 수 있어야 합니다.

 3) 토크효과(torque effect) 

토크효과(torque effect) : (오른손방향) 프로펠러의 회전에 의하여 항공기는 (왼쪽) roll 움직임이 발생하는데, 이때 지면과 이루는 각도를 뱅크각(bank angle)이라고 합니다. 그림출처 : cfi-wiki.net

△ 설명

(조정석에서 프로펠러를 바라보는 방향에서) 시계방향으로 프로펠러가 돌면 왼쪽 방향으로 Banking tendency가 만들어져 왼쪽방향의 요잉(yawing)이 발생합니다.

토크효과(torque effect) : (오른손방향) 프로펠러의 회전에 의하여 항공기는 (왼쪽) roll 움직임이 만들어지며, 이를 상쇄시키도록 조종하면 항공기는 왼쪽 방향의 요잉(yawing)이 발생합니다.

△ 반작용(reaction)

- 뉴턴의 제3법칙에서 "모든 작용은 힘의 크기는 같지만 방향이 반대인 반작용이 있다."

- 프로펠러가 시계방향으로 돌면 비행기는 반대방향인 시계반대방향(또는 왼쪽)으로 롤(roll)하려고 합니다.

- high power setting과 low airspeed에서 그 효과가 큽니다. 

△ 조정작용(counteraction)

- high power와 low airspeed  환경에서 조종사는 오른쪽 bank pressure를 조금 유지해야 합니다.

- 오른쪽 bank pressure를 유지하면 - 왼쪽 날개가 위로 오르면서 - 왼쪽으로 요잉(yawing)이 만들어집니다. 그러므로 토크효과(torque effect) 상황에서는 오른쪽 Rudder pressure가 필요하게 됩니다.

 4) 프로펠러의 비대칭 하중(asymmetric loading) : P-factor 

△ 설명

비행방향과 정확하게 수직일 때 회전하는 프로펠러는 일정한 추력(推力, thrust)을 만듭니다. 비행기 앞부분[기수nose]을 높이거나 낮추는 자세로 비행 하는동안 프로펠러는 바람과 상대적인 각도를 접하게 됩니다.

P-factor : 조정석에서 프로펠러를 바라보는 방향에서 오른손방향으로 비틀린 프로펠러가 시계방향으로 회전하는 경우, 오른쪽 프로펠러의 받음각이 왼쪽 프로펠러의 받음각보다 커져서 - 즉 오른쪽 프로펠러에서 많은 힘이 발생하여 - 왼쪽방향의 yaw 움직임이 발생합니다. 이러한 현상은 기수를 높이는 비행시 그 효과가 증가합니다. 그림출처 : cfi-wiki.net

△ 반작용(reaction)

(1) 올라갈 때

- 하강하는 프로펠러 날개(오른쪽)는 상승하는 프로펠러 날개보다 더 큰 피치각(pitch angle)을 갖습니다.

- 프로펠러의 오른쪽에 더 큰 추력(thrust)이 만들어집니다.

- 이것은 왼쪽으로 Yaw를 만듭니다.

(2) 내려갈 때

- 상승하는 프로펠러 날개(왼쪽)은 상승하는 프로펠러 날개보다 더 큰 피치각(pitch angle)을 갖습니다.

- 프로펠러의 왼쪽에 더 큰 추력(thrust)이 만들어집니다.

- 이것은 오른쪽으로 Yaw를 만듭니다.

△ 조정작용(counteraction)

올라갈때는 Right Rudder를 조정합니다.

내려갈 때는 left Rudder를 조정합니다.

high power setting과 low airspeed에서 확연하게 나타납니다.

 5) 나선후류(spiraling slipstream) 

△ 설명

빠른 속도로 프로펠러가 회전하면 - 후류(slipstream)라고 부르는 - 프로펠러의 뒤에 나선형 공기흐름이 만들어집니다.

나선후류(spiraling slipstream) : 조정석에서 프로펠러를 바라보는 방향에서 오른손방향으로 비틀린 프로펠러가 시계방향으로 회전하는 경우, 나선후류 때문에 왼쪽 방향의 yaw 움직임을 만듭니다. 그림출처 : cfi-wiki.net

△ 반작용(reaction)

- 후류는 비행기주위로 가서 왼쪽 날개 밑을 감싸고, 왼쪽에서 수직안정판(垂直安定板, vertical stabilizer)을 때립니다.

- 이것은 왼쪽 yawing  tendency와 오른쪽 rolling tendency를 야기합니다.

- 나선은 high propeller RPM 그리고 low airspeed 에서 가장 분명하게 나타납니다.

△ 조정작용(counteraction)

- 나선후류는 적은 left Bank 그리고 right Rudder pressure를 통해 조정할 수 있습니다.

- higher airspeeds에서 나선은 더 가늘어지고 효과가 적어집니다.

 6) 자이로스코프의 세차(gyroscopic precession) 

△ 자이로스코프(gyroscope)?

틀의 안쪽에서 도는 바퀴(wheel)로 구성된 기구로, 어느 방향이나 어느 위치이던지 틀이 균형을 이룹니다. 자이로스코프에서 도는 바튀는 비행기의 회전하는 프로펠러 앞면에 해당됩니다.

자이로스코프의 세차(gyroscopic precession): 조정석에서 프로펠러를 바라보는 방향에서 오른손방향으로 비틀린 프로펠러가 시계방향으로 회전하는 경우, 기수를 낮추려는 힘은 비행기를 왼쪽 yaw 움직임을 만듭니다. 단발 프로펠러 비행기의 자이로 효과 등과 관련된 동영상을 보시려면 [여기] 또는 [여기]를 눌러보세요. 그림출처 : cfi-wiki.net

자이로스코프의 효과 회전면에 수직으로 외부에서 힘을 가하면 2개면과 다시 수직인 면으로 그 힘이 나타나게 됩니다. 

△ 반작용(reaction)

* 자이로스코프의 세차 : 회전면을 들어올리는 힘이 작용할 때마다 그 힘은 회전방향보다 90˚ 앞서 작용합니다.

- 비행기의 앞부분을 낮추면 프로펠러의 위에 effective force이 적용됩니다.

- 세차는 프로펠러의 오른쪽에 힘이 작용하여 왼쪽으로 yaw를 야기시킵니다.

* 비행기의 앞부분은 높이면 프로펠러의 밑부분에 effective force가 적용됩니다.

- 세차는 프로펠러의 왼쪽에 힘이 작용하여 오른쪽으로 yaw를 야기시킵니다.

* 이 힘은 단지 비행기의 pitch가 변할 때만 발생하고, 한번 pitching 동작이 끝나면 힘은 없어집니다.

△ 조정작용(counteraction)

Yaw의 반대방향에서 방향타를 반대로 합니다.

 4. 비행기 조종면(control surfaces) : 비틀림 관점 

언듯 "비행기는 3차원 공간에서 움직이므로, 비행기를 조정하기 위해서 3개의 장치들이 서로 직각으로 위치해야 한다"고 생각할 수 있습니다. 그러나 실제 비행기는 승강타(elevator)와 보조날개(aileron)는 같은 평면에 위치하고, 방향타(rudder)는 이 2개와 수직으로 위치합니다.

비행기의 3개 조종면은 각각 직각을 이루지 않습니다. 그럼 어떻게 3차원 움직임 – 상하, 좌우, 회선-이 이루어 질까요?

구부림(bending ; 위 그림)과 비틀림(twisting ; 아래그림) 구부림은 보는 방향에 따라 그 방향을 다르게 표현되지만, 비틀림은 보는 방향과 관계없이 일정하게 표현할 수 있습니다. 즉, 비틀림 방향을 기준으로 왼손방향(left handed)와 오른손방향(right handed)으로 구분할 수 있습니다. 위 그림과 같은 경우를 "왼손방향의 비틀림"이라고 표현합니다. 좌우의 보조날개가 왼손방향의 비틀림이 되면 왼쪽 날개가 위로 올라가게 됩니다. 왼손방향(left handed)과 오른손방향(right handed)에 대해서는 여기 또는 여기를 참조하세요.

2개의 좌우 승강타(elevator)는 같은 방향으로 움직입니다. 그러나 좌우 수평날개에 위치한 2개의 보조날개(aileron)는 좌우가 다른 방향으로 움직여 마치 날개가 비틀리는 효과를 이용하여 roll 움직임을 만듭니다.

[출처] 단발 프로펠러 비행기의 선회하려는 경향(turning tendencies) : 나선형 관점으로|작성자 햇님달님

자이로스코프 효과가 발견된게....2차 세계대전때였나? 

비행사들이 착륙하려고 기수를 내리면 비행기가 이상하게 왼쪽으로 방향을 틀더래요. ㅎ