Left Turning Tendency

조종석에서 바라보았을 때 시계방향으로 회전하는 프로펠러는 프로펠러 회전운동의 특성으로 인하여 항공기의 기수를 왼쪽으로 틀어지게 하는 경향성이 있다. 기수를 왼쪽으로 틀어지게 만드는 원인은 다음의 4가지로 설명할 수 있다.

 

- 엔진과 프로펠러에 대한 토크 반작용

- 슬립스트림에 대한 나선형 움직임

- 프로펠러의 회전운동

- 프로펠러의 비대칭 하중(P factor)

 

토크에 대한 반작용 (Torque Reaction)

토크 반작용은 뉴턴의 제3법칙인 작용반작용 법칙으로 설명된다. 한 쪽 방향으로 회전하면 동일한 힘이 회전하는 반대방향으로 작용한다. 오른쪽으로 회전하는 프로펠러는 회전의 결과 왼쪽으로 반작용 힘이 생겨 항공기 기수를 왼쪽으로 틀어지게 만든다.

 항공기가 공중에 있을 때, 이 힘은 세로축을 기준으로 발생하고, 항공기를 왼쪽으로 틀어지게 하고 Roll에 들어가게 한다. 토크를 상쇄하기 위해 예전의 항공기에는 더 많은 하중을 받는 날개에서 더 많은 양력이 발생할 수 있도록 하여 roll이 들어가는 것을 방지하는 방법을 적용하였다. 최근의 항공기는 이러한 토크 효과를 엔진에서 상쇄시키도록 설계되어 있다.

 일반적으로 항공기에는 토크 반작용에 의하여 항공기 기수를 틀어지는 것을 보상하기 위해 에일러론 트림 탭과 같은 장치들이 부착된다. 이 장치들은 항공기는 운항의 대부분이 순항속도에서 이루어지기 때문에 순항속도에서 일어날 수 있는 토크 반작용에 대한 보상이 이루어지도록 장치들이 맞추어진다.

 이륙 활주(take off roll) 동안에는 토크 반작용에 의한 힘의 무게가 왼쪽 바뀌에 더 실리게 된다. 그 결과 지상 마찰 또는 항력이 오른쪽 바퀴보다 왼쪽 바퀴에 더 작용하게 되어 왼쪽으로의 yawing 모멘트가 일어나게 된다. 이 모멘트의 크기는 다양한 요소들에 의해 달라진다.

그 요소들은,

 

- 엔진의 마력크기

- 프로펠러 분당 회전수(RPM)

- 항공기의 크기

- 활주로 표면의 상태

 

이륙 활주(take off roll) 중에 발생하는 yawing 모멘트는 조종사의 적절한 러더 사용과 러더 트림의 조절에 의해 수정될 수 있다.

 

코크스크류 효과(Corkscrew effect)

프로펠러의 고속 회전은 프로펠러를 통과하는 공기흐름을 슬립스트림 또는 코크스크류의 나선 형태의 회전흐름을 형성한다. 이러한 나선형 회전흐름은 프로펠러의 고속 회전(high RPM)과 낮은 비행속도 (이륙 또는 받음각이 큰 상태)에서, 크게 발생하고 이 흐름은 항공기의 수직꼬리 왼쪽 표면으로 부딪쳐 흐르게 된다.

 나선형 회전 기류가 수직 꼬리날개를 치게 되면, 이것은 항공기의 수직 축에 대하여 yawing 모멘트를 발생시키는데 나선형 흐름이 강할수록 yawing 모멘트는 더 두드러지게 나타난다. 그러나 항공기 전진속도가 증가될수록 나선은 더 길게 뻗어지게 되어 yawing 모멘트 발생에 덜 영향을 미친다. 슬립스트림의 코크스크류 공기흐름은 또한 세로축 주변에서 롤링 모멘트를 발생시킨다.

 슬립스트림의 코크스크류 공기흐름으로부터 나타나는 yawing 모멘트는 왼쪽이지만 롤링 모멘트는 우측으로 나타난다는 것에 유의하여야 한다. 이러한 영향들은 서로를 방해한다. 그러나 이러한 힘들은 매우 다양하고 항공기 컨트롤을 사용하여 적절한 수정 행동을 취하는 것은 좆종사의 책임이다. 이러한 힘들은 얼마나 두드러지는지에 관계없이 없어져야 한다.

나선형 회전기류

 

자이로스코프 효과(Gyroscopic Action)

프로펠러의 자이로스코프 효과를 이해하기 전에, 자이로스코프의 가장 기본적인 원리를 이해하는 것이 필요하다. 자이로 운동은 기본적으로 두 가지 성질인 강직성(rigidity)과 세차성(precession)에 기반을 두고 있다. 세차성은 자이로의 가장자리(rim) 부분에 힘이 작용되면, 그 힘의 결과는 회전 방향의 90도 부분에서 나타나게 되는 특성이다.

 비행기 프로펠러로 자이로스코프처럼 매우 빠르게 회전하므로 자이로의 특성을 가진다. 프로펠러의 회전에 어느 힘을 주면 회전방향의 90도 이후 지점에서 힘의 결과가 생기며 생겨진 힘은 피칭 모멘트나 요잉 모멘트 혹은 어떤 지점에 힘이 가해지냐에 따라 두 개의 혼합된 모멘트가 발생한다.

 이 자이로스코프 효과는 테일 휠 항공기에서 이륙을 위해 항공기를 부양시킬 때 현저하게 발생한다. 이 항공기는 부양되기 전에 꼬리 부분이 먼저 들리게 되는데, 이는 프로펠러의 윗부분에 힘을 가하는 것과 같은 현상이 된다. 프로펠러의 윗부분에 힘이 가해지면 그 힘의 결과는 90도를 지나 나타나므로 프로펠러의 오른쪽 3시 방향에서 프로펠러를 미는 힘으로 발생하며 이는 곧 항공기 기수를 왼쪽으로 틀어지게 만드는 yawing 모멘트를 발생시킨다.

자이로스코프 효과

 

비대칭 하중(P-Factor)

항공기가 높은 받음각으로 날고 있을 때 아래쪽으로 움직이고 있는 블레이드가 공기와 접촉하는 양은 위쪽으로 움직이고 있는 블레이드의 양보다 더 크다.

 그럼으로써 프로펠러 디스크의 오른쪽에서 발생하는 힘이 왼쪽보다 크게 되어 항공기 기수는 왼쪽으로 틀어지게 된다. 이러한 비대칭 하중이 생기는 것은 위로 향하는 프로펠러의 깃에 작용하는 받음각보다 아래로 향하는 프로펠러 깃의 받음각 크기가 크기 때문이다. 

 이 비대칭 로딩은 회전중인 프로펠러 깃에 작용하는 받음각의 크기가 달라져 발생된다. 프로펠러의 받음각은 프로펠러에 작용하는 상대풍과 프로펠러의 시위선이 이루는 각도이며, 프로펠러에 작용하는 상대풍은 프로펠러의 회전속도와 항공기의 전진속도의 합력이 이루는 선이다. 따라서 프로펠러 회전수가 달라지거나 전진속도 또는 전진속도의 벡터가 달라지면 받음각이 변하게 되고 발생하는 추력도 변하게 된다.

 항공기가 높은 받음각상태로 비행하고 있으면 아래로 움직이는 블레이드보다 더 많은 추력을 생성한다.

 아래 그림을 살펴보면 위나 아래로 향하는 프로펠러의 회전속도와 전진속도는 동일하지만 항공기 기수가 들리면서 항공기 진행방향이 프로펠러와 이루는 벡터는 달라진다. 왜냐하면 프로펠러의 진행방향은 항공기 자세와 관계없이 항상 지구표면과 평행을 이루기 때문인다.

 따라서 내려오는 프로펠러의 받음각은 올라가는 프로펠러의 받음각보다 크게 작용한다.

 프로펠러의 회전에 의해 발생하는 Left Turning Tendency를 일으키는 4가지 요소는 비행 조건의 변화에 따라 다르게 나타난다. 비행의 어느 단계에서는 4가지 요소 중의 하나가 다른 요소보다 더 두드러질 수 있다. 이 값들의 관계는 기체, 엔진, 프로펠러 조합 및 기타 설계 특징에 따라 다르다. 모든 비행 조건에서 항공기의 긍정적인 제어를 유지하기위해 조종사는 이러한 다양한 값을 보상하기 위해 필요한 비행 조종장치를 사용해야 한다.

올라가고 내려가는 프로펠러 깃에 작용하는 받음각