항공기의 운동과 축(Axis) / 항공기의 안정성(Aircraft Stability)

1. 항공기 운동 축(Axis)

항공기의 축은 3개의 선으로 무게중심을 기준으로 서로 교차되어 있으며 항공기가 운동을 하는 기준이 된다. 이 3축들은 서로 90도의 각으로 교차하며 무게중심을 통과하고 항공기 앞과 뒤를 연결하는 세로축, 날개 끝을 연결하는 가로축, 그리고 그 선들과 수직으로 이루어진 수직축으로 되어 있다. 고도를 변경하고 방향을 변화시킬 때마다 한 개 또는 그 이상의 축들이 회전하게 된다.

 세로축을 기준으로 하는 항공기의 움직임을 Rolling, 가로축을 기준으로 하는 운동은 Pitching, 수직축을 기준으로 하는 운동을 Yawing이라 한다. Rolling은 에일러론에 의해, Pitching은 엘리베이터에 의해, 그리고 Yawing은 러더에 의해 조종된다.

 다른 항공기에서는 3축을 기준으로 운동하는 것과는 다른 방법들이 사용되기도 한다. 예를 들어 무게 중심 이동형(Weight shift control) 항공기는 2개의 축을 사용하는데 이 축은 "A"자 모양의 구조에 달려 있고, 이착륙 장치가 부착되어 있다. 이러한 항공기는 수평 바를 움직여서 조종사가 무게중심을 변화시켜 조종한다.

 다른 종류로 동력낙하산(para motor)이 있는데, 이것은 에어포일을 변화함으로써 조종되는 경우다. 파라모터 날개는 위에서 아래로 굽어지는 형태의 낙하산이다. 이 두 표면은 각 셀에 작용하는 립들에 의해 분리되는데, 이것들은 공기 흐름을 앞전에서 열고 공기를 흐르게 한다. 이것의 원리는 바깥쪽의 공기 보다 셀의 압력이 더 크게 하면서 작용한다. 탈것의 뒤에 부착된 엔진 앞쪽에서 조종사와 승객이 앉을 수 있다. 에어프레임은 두 개의 포인트와 라인으로 인하여 낙하산에 부착되어 있다. 조종은 엔진 파워와 에어포일의 변화로 이루어진다.

항공기의 운동 축

 

모멘트(Moment)

항공기의 운동은 무게중심을 기준으로 이루어진다. 무게 중심에 대하여 회전하려는 것을 모멘트라 하며, 모멘트는 힘과 그 힘이 작용하는 거리를 곱한 크기 이다.

 항공기 설계자들은 평균공력시위(Mean Aerodynamic Chord,MAC)의 20% 부근에 항공기의 무게중심이 놓이도록 하고 꼬리날개의 위치와 크기를 결정하여 안정성을 확보한다.

 조종사들은 받음각의 변화로 양력을 변화시키는 것을 제외하고는, 비행에서 항공기에 작용하는 힘의 위치를 직접 변경할 수 없다. 작용하는 힘의 위치를 변경할 수는 없지만 힘의 크기는 제어할 수 있다. 그러나 힘의 크기 변화는 곧바로 다른 힘의 변화를 동반하게 된다. 에를 들어 양력의 변화를 일으키는 속도의 변화는 꼬리날개에서 작용하는 힘들의 변화를 일으키고 항력을 변화시킨다.

 항공기들은 무게중심 위치의 변화에 따라 모멘트가 변화된다. 트림 장치, 엘리베이터 트림 탭, 수평 안정판과 같은 것은 안정된 모멘트를 유지하는데 이용된다.

 

항공기의 안정성(Aircraft Stability)

1. 안정성(stability)

항공기 안정성은 어떤 교란으로 인해 무게중심에 대한 힘과 모멘트가 0에서 벗어나 평형이 깨져 비행자세가 변경되었을 경우, 항공기가 스스로 다시 평형이 되는 방향으로 운동이 일어나는 경향성을 말한다. 그러나 원래의 평형상태에서 더 벗어난 상태로 가면 불안정하다고 한다. 정적 안정성과 동적 안정성으로 구분하며, 안정성은 설계할 때, 최우선적으로 고려되어야 한다.

 

1.1 정적 안정성(static stability)

 정적 안정성은 자세가 변경되었을 때 처음의 평형 상태로 되돌아가는 움직임의 방향을 말한다.

 - 긍정적인 정적 안정성(Positive static stability) : 교란 이후에 원래의 평형상태로 되돌아가려는 처음의 경향

 - 중립적인 정적 안정성(Neutral static stability) : 평형상태에서 변형된 후에 그 새로운 상태를 계속 유지하며, 남아 있으려는 처음의 

                                                                               경향

 - 부정적인 정적 안정성(Negative static stability) : 교란된 이후 원래의 평형상태로부터 계속해서 벗어나려고 하는 경향

정적 안정성의 경향

 

1.2 동적 안정성(dynamic stability)

정적 안정성은 평형상태에서 교란된 후에 다시 원래의 평형상태로 되돌아가려는 처음의 경향을 정의한 것이며, 동적 안정성은 교란된 상태에서 평형상태로 되돌아가려는 경향성(정적 안정성)이 시간에 따라 반응하는 정도를 말한다.

 

- 긍정적인 동적 안정성(Positive dynamic stability) : 시간이 경과하면서 물체의 움직임이 원래의 평형상태로 돌아가려 하기 때문에 점점

                                                                                    진폭이 줄어든다.

- 중립적인 동적 안정성(Neutral dynamic stability) : 원래의 평형상태로 돌아가려 하지만 진폭이 증감 없이 시간이 경과하여도 그대로 

                                                                                   유지되려 한다.

- 음적 동적 안정성(Negative dynamic stability) : 원래의 평형상태로 돌아가려 하지만 시간이 경과되면서 진폭이 확산하는 경향