Inboard aileron/Flaperon

[이기장[이준선]]

 중대형기 이상의 비행기를 탈 때 날개자리에 앉게되면 플랩과 플랩 사이에 독립된 장치를 하나 볼 수 있다. 해당 비행편을 탔을 때만 해도 단순히 도움날개의 보조 역할을 한다 정도로 알고 있었다. 정확히 어떤 이유에서 도움 날개를 나누게 되었는지 알아보자

검은색 : aileron 초록색 : flap 빨간색 : flaperon

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General

 현대 민항기들은 터보제트엔진이 장착된 마하 0.7 이상의 고속으로 순항을 하게 된다. 또한 복합소재의 발달로 B787의 경우 날개가 탄소섬유강화플라스틱(carbon fiber reinforced plastic CFRP)로 제작되어 기존 항공기에 비해 중량 대비 강도비가 증가하고 훨씬 유연해짐에 따라 비행 중 자동으로 날개 모양을 가장 효율적인 형태로 하여 연료를 절약할 수 있게 된다. 또한 날개의 유연함 덕분에 터뷸런스의 영향을 덜 받게 된다. 하지만 이러한 유연함 때문에 단점이 존재하는데 고속에서 도움날개(aileron)를 조작함에 따라 도움날개 역전현상(aileron reversal)이 발생하게 된다.

B787-9 wing. 선회 중이여서 wingflex가 더욱 돋보였다.

Aileron reversal effect

 도움날개 역전현상은 후퇴익 형상을 가지는 날개에서 고속으로 비행할 때 도움날개가 움직임으로 인해 공기의 흐름에 영향을 받게 되고 이 때 날개의 유연성 때문에 날개 뒷 부분이 도움날개 움직임의 반대 방향으로 꺽기게 되면서 도움날개의 조작과는 반대의 rolling이 발생하게 된다. 이를 도움날개 역전현상이라 한다.

도움날개 역전 시 날개 단면. (얇은 실선 : 이상적인 형상)

 그림의 상황을 예로 들면 도움날개를 아래로 조작할 시 날개는 상승해야 하는 것이 일반적이나 고속 비행과 날개의 유연성 때문에 순간적으로 날개 뒷 부분이 도움날개의 영향으로 위로 들리게 되면서 순간적으로 날개가 아래로 내려가게 된다.

 굳이 단면의 예시를 든다면 마치 servo tab과 같이 도움날개가 적용된 것인데 이는 조종사의 의지와 반대의 기동을 순간적으로 일으키는 현상이므로 이는 안전한 비행을 방해하는 요인 중 하나이다. 그렇기 때문에 이를 막기 위해 Inboard aileron과 flaperon이라 불리는 것이 도입 되었다.

Inboard aileron

 Inboard aileron은 4가지의 이유 때문에 존재하게 된다

 첫번째로 위에 설명된 도움날개 역전현상을 막기 위해서 이다. outboard aileron는 상대적으로 구조가 약한 wingtip 부근에 위치해 있다. 따라서 더욱 유연하게 날개가 움직인다. 따라서 상대적으로 camber가 두꺼워 유연성이 적은 wingroot 부근에 존재하는 inboard aileron을 이용하여 rolling을 함으로써 날개 뒷전이 도움날개에 의해 휘는 현상을 막을 수 있다.

 두번째 이유는 outboard aileron만 사용할 시 wingtip에서만 발생하는 모멘트 때문에 날개 구조, 특히 wingroot 부근에 큰 하중을 주게 된다. 하중을 줄이고자 날개 중간에 inboard aileron을 통해 wingroot 쪽에서도 모멘트를 발생시켜 날개 전체의 굽힘이 완만하게 이루어 질 수 있도록 하여 날개의 하중을 줄여준다.

 세번째로 고속으로 흐르는 공기흐름으로 인해 의도한 것보다 과도한 rolling을 막기 위해서 이다. 저속에 비해 고속으로 흐르는 공기 흐름은 항공기 동체로부터 거리가 먼 outboard aileron이 조금만 움직여도 더 큰 rolling 모멘트를 만들어 내어 항공기 기동을 더욱 민감하게 한다. 동체로부터 가까운 inboard aileron은 상대적으로 적은 모멘트를 가지므로 민항기로써는 더욱 안정적인 기동이 가능해진다.

 마지막으로 저속에서 inboard aileron은 outboard aileron과 같은 방향으로 움직여 충분한 roll control이 가능하도록 도움을 준다.

B747-400 inboard aileron만 이용한 rolling / https://youtu.be/n16AMUCmhlU  3:58:24

 Inboard aileron이 적용된 대표적인 기체로는 B747, B767 등이 있다. B767 outboard aileron은 YSM(yaw damper stabilizer trim module) software에 의해 설정된 속도 이상으로 비행 시 lockout이 되어 엑츄에이터에 의해 움직이지 않게 되고 outboard aileron을 통해 rolling을 하게 된다.

B767-300F ATA27 lockout schedule

 A330, A350과 같이 에어버스 기종의 비행기를 타면 flap 사이에 도움날개를 찾을 수 없는데 이 때문에 aileron이 하나인가 생각이 들 수 있지만, 에어버스의 경우 wingtip쪽 aileron이 2개 또는 3개(A380)로 나누어져 있어 outboard aileron, inboard aileron을 나눈다. 이는 위에 설명된 기능들을 모두 가지며 저속에서는 하나의 도움날개처럼 동시에 움직인다.

A330-300 aileron

Flaperon

 B777, B787의 경우 inboard aileron의 기능에서 flap의 역활도 추가된 flaperon이 다른 보잉 기종 inboard aileron 위치에 장착되게 된다. 해당 기종들도 마찬가지로 고속에선 aileron은 lock out이 되고 flaperon과 spoiler가 roll control을 하게 되며 저속에서 flaperon은 flap과 같이 내려가며 flap의 역할도 하지만 일정 범위 내에서 aileron 역할도 하게 된다. 

flap 사이 내려간 상태로 유독 움직이는 것이 flaperon / B777-300ER KANSAI AIRPORT LANDING

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[SRA_dcman.최범석]

강성 때문에 고속에서 안쪽만 사용하는 줄 알았는데, 날개가 저리 휠 수 있군요. 정보 감사합니다.

[이기장[이준선]]

지속적이진 않지만 순간적으로 휘어 역전되죠

[HUSTLER【박지홍】]

777 787이륙 할때 저게 내려가던데...저게 뭐고....했네요

[깐따삐야]

adverse yaw effect를 최소화 하기 위한 목적도 있는걸로 알고 있습니다.
정성어린 알찬구성 잘 봤습니다. 유투브보다 훨씬 보기 좋은거 같아요.