항공 역학적인 힘 (Aerodynamic Forces)

1. 선회 중에 작용하는 힘(Forces in Turns)
항공기가 등속직진수평비행 시 양력과 중량이 같고, 추력과 항력은 같다. 그러나 항공기가 경사를 주고 선회할 경우에는 양력이 수평과 수직분력으로 나누어지므로 날개에서 발생되는 총 양력과 무게의 힘은 완전한 반대 방향이 아니게 된다.
뉴턴의 관성의 법칙에서 정지 또는 움직이는 물체는 다른 힘이 적용될 때까지 계속 정지하거나 계속 움직이려는 특성이 있다. 움직이는 물체와 같이 항공기는 선회 시 양력의 수평분력으로 인해서 움직임이 바뀐다. 선회 시 양력은 수직양력분력과 수평양력분력으로 나뉜다. 수평양력분력은 항공기를 선회하도록 하며 구심력은 항공기 방향을 바꾸도록 한다.
항공기는 보트나 자동차처럼 조종되지 않는다. 항공기가 선회하기 위해서는 반드시 경사각이 필요하다. 만약 경사각이 없다면 직진비행에서 벗어날 수 있는 힘이 없다. 그리고 선회 시 방향조절이 중요하다. 조종사는 항공기를 수평  또는 선회 시 이 사실을 명심해야 한다. 선회 중인 항공기에서 발생되는 총 양력의 크기는 변함이 없지만 양력이 수직 및 수평분력으로 나누어지며 무게에 대응하는 양력의 수직성분을 줄어들게 된다. 그렇기 때문에 조종사는 받음각을 약간 증가시켜 총 양력을 크게 하여 양력의 수직성분과 무게를 같게 하여야 한다.
경사각이 증가함에 따라 양력의 수직성분도 비례하여 감소되기 때문에 받음각을 증가시켜야 된다. 일정한 고도를 유지하며 선회하기 위해서는 조종사는 적절한 받음각을 유지 혹은 증가시켜야 한다.
주어진 속도에서 항공기의 선회반경과 선회율은 양력의 수평성분의 크기에 따라 달라진다. 양력의 수평성분은 경사각에 비례하여 달라진다. 즉, 경사각이 증가하면 양력의 수평 성분이 증가하여 선회율이 증가하고 선회반경은 감소한다. 결과적으로 주어진 속도에서 선회율과 선회반경은 경사각의 양을 조절해서 제어할 수 있다. 수평선회에서 고도를 유지하기 위한 수직양력성분을 만들기 위해서는 받음각을 증기시키는데 항력은 받음각에 비례하기 때문에 양력이 증가함에 따라 유도항력도 증가하므로 조종사가 추가적인 조치(엔진출력의 증가)가 없으면 속도는 감소한다.
그러므로 선회 시 적절한 엔진출력의 조절이 필요하다. 일정한 고도를 유지하면서 선회할 때, 속도가 증가되면 받음각을 줄여주거나 경사각 양의 변화를 주어야 한다. 경사각 양이 일정하게 유지되고, 받음각이 줄어든다면 선회율이 감소되며, 속도가 증가함에 따라 일정한 선회율을 유지하기 위해서는 받음각과 적절한 파워조절이 필요하다. 속도가 증가하면 선회반경이 증가하고 원심력은 회전반경에 비례한다.
적절한 선회는 양력의 수평성분과 원심력이 같은 조건에서 이루어진다. 속도가 증가하면 선회반경은 증가하고 이것은 원심력의 증가를 의미한다. 왜냐하면 원심력이 양력의 수평성분 증가에 의해 균형을 이루어야 하기 때문이며, 이것은 양력의 수평이동을 증가시킴으로써 균형을 맞출 수 있다. 내활(slip)선회 시 항공기는 선회 경로의 외측으로 향해 yaw되기 때문에 적절한 비율로 선회되지 않는다.
이유는 항공기의 경사각이 선회율보다 너무 크고, 양력의 수평성분이 원심력보다 크기 때문이다. 양력의 수평성분과 원심력의 균형은 경사각의 조정 혹은 선회율의 조정으로 조절할 수 있다. 일정한 선회율을 유지하기 위해서 경사각은 속도에 따라 달라져야 한다. 이것은 특히 고속 항공기에서 중요하며, 시속 400MPH에서 항공기는 표준율 선회(초당 3도)하려면 약44도가 되어야 하는데, 이 경사각에서 항공기 양력의 약 79%만이 수직 구성 요소로 구성되며, 받음각이 손실을 충분히 보상하지 않으면 고도 손실이 발생한다.

수평선회 시 작용하는 힘

정상 선회, 슬립 선회, 스키드 선회

상승 중에 작용하는 힘 (Forces in Climbs)
실용적인 목적을 위해 같은 속도로 수평비행을 하거나 상승할 때에 날개에서 발생되는 양력의 크기는 동일하게 유지되어야 한다. 상승자세가 이루어지면서 비행경로가 변경되지만 상승경로에 대한 받음각은 동일해야한다. 수평자세에서 상승자세가 이루어지는 초기에는 엘리베이터의 압력을 증가시켜 받음각이 증가되므로 양력이 무게보다 크게 순간적으로 증가한다.
항공기가 상승하기 시작하면 무게보다 양력이 더 커진다. 비행경로가 상승자세에  안정이 되면 받음각과 양력의 크기가 수평비행 상태와 같게 된다.
만약 엔진 출력의 증가 없이 상승하면 속도는 점점 감소하게 되는데, 그 이유는 속도를 유지하기 위한 추력이 상승자세에서도 같은 속도를 유지시키기엔 부족하기 때문이다. 비행경로가 위쪽 방향으로 기울어지면 무게의 수평분력이 항공기의 항력과 같은 방향으로 작용하게 되어 항력은 증가한다. 결과적으로 엔진의 출력보다 상승비행에 작용되는 총 항력이 커지고 속도는 감소한다. 항력과 같은 방향으로 작용되는 무게의 수평분력을 포함한 총 항력과 추력이 같아질 때까지 속도의 감소가 일어난다.
이러한 모멘트 때문에, 속도의 감소는 점진적으로 일어나고 항공기의 크기, 무게, 총 항력 그 외의 요소에 따라 속도가 감소되는 정도는 달라진다. 결과적으로 유효한 전체 항력이 추력보다 크기 때문에 속도는 감소한다.
상승비행을 할 때에도 속도가 일정하게 안정되면 추력과 항력, 양력과 무게가 다시 균형을 이룬다. 상승비행자세에서 항공기의 무게는 아래쪽뿐만 아니라 무게의 수평분력이 항력과 함께 뒤쪽으로도 작용되기 때문에 수평비행을 할 때와 같은 속도를 유지하기 위해서는 추가적인 동력이 필요하다. 동력의 양은 상승각에 따라 달라진다. 상승각이 큰데 이용할 수 있는 동력이 불충분하다면 속도의 감속이 나타나게 된다.
안정된 상승이 이루어지기 위한 필요한 추력은 상승각에 따른 무게의 수평분력에 항력을 더한 값과 동일해야한다. 예를들면, 10 도 상승자세는 무게의 수평분력이 무게의 17%이므로 이를 항력에 더한 값과 동일한 추력이 필요하다. 상승비행의 상승각은 여유추력의 양에 따라 다르다. 항공기가 상승을 유지하는 것은 여유추력 때문에 가능하다. 만일 여유추력이 없다면 항공기는 더 이상 상승할 수가 없으며, 이 고도를 항공기가 "절대상승한계"(absolute ceiling)에 도달했다고 한다.

강하단계(Forces in Descents)
강하가 시작되면서 조종간에 앞쪽 방향으로 힘이 전달되면 받음각이 순간적으로 감소된다. 강하초기에 항공기에 적용되는 이러한 힘은 항공기를 아주 짧은 시간 동안 기존의 비행경로를 유지할 수 있게 한다. 받음각이 감소하면 양력을 감소시킨다. 양력이 무게보다 작을 때에 항공기는 강하하기 시작한다. 동시에 항공기의 경로는 수평 경로에서 강하 경로로 변하게 된다.
등속 수평 비행 때와 같은 속도로 강하하기 위해서는, 강하를 시작하면서 엔진 출력을 줄여야 한다. 강하를 하면 비행경로가 앞으로 기울어지기 때문에 무게의 수평성분이 상승할 때와는 반대로 추력방향으로 작용한다. 무게의 수평성분이 추력에 더해지는 힘의 크기는 강하각이 클수록 증가하고, 강하각이 감소함에 따라 감소한다.