하중계수(Load Factors)

비 가속 수평비행을 하고 있는 항공기는 양력과 중력, 추력과 항력이 각각 서로 평형상태로 등속비행을 하게 있으므로, 관성력을 받지 않는다.

 

양력이 증가하여 상승비행을 하는 경우에는 항공기는 위쪽으로 가속이 되며, 가속도의 크기는 양력에서 비행기 자체중량을 제외한 여분의 양력 곧 잉여 추력에 비례한다. 수평비행에 필요한 양력의 비율을 n이라고 할 경우, 수평 비행할 때, n=1이 된다. 양력의 비율이 n배 증가하면 상승가속도는 ng가 되며, 이때, n을 하중계수 또는 하중배수(load factor)라 한다. 하중계수 n은 곧 양력과 무게의 비율로 생각할 수 있다.

 

n= weight/lift

 

급강하 후 상승을 위해 3중력 가속도에 가해지면, 조종사는 자신 무게의 3배와 같은 힘이 좌석 아래로 가해질 것이다. 최근의 항공기는 이전 항공기보다 훨씬 높은 속도로 비행하기 때문에 큰 하중계수에 견딜 수 있도록 항공기의 구조 설계가 이루어졌다. 

 

조종사는 비행할 때, 허용되는 하중계수 범위 내에서 조작하여야한다. 그 이유는 하중계수를 초과하여 비행하게 되면, 항공기의 구조에 과부하가 걸릴 가능성이 있으며, 하중계수(load factor)가 증가하면 실속(stall)에 진입되는 속도 역시 증가되기 때문이다.

 

항공기 디자인과 하중계수(Load Factor)

항공기는 다양한 비행 상황에서 비행할 경우, 구조적인 손상이 없어야 한다. 

항공기에 허용되는 하중계수는 예상되는 최대 비행조작이 이루어지도록 정해져야 한다. 미국 연방 규정(CFR)은 한계 하중계수와 1.5배를 견딜 수 있는 항공기 구조를 요구한다.

 

이 1.5배의 한계하중 제한요소는 "안전계수"의 개념으로 정상 운항보다 높은 부하에 대해 어느 정도 대비하도록 한다. 이 안전계수는 조종사가 의도적으로 한계하중계수를 초과해도 된다는 것이 아니라 예상치 못한 상황들에 마줓ㅆ을 때 한계하중을 초과해도 보호될 수 있다는 의미이다.

 

위의 고려 사항은 돌풍상황, 조종 또는 착륙으로 인하여 하중이 발생되는 조건에 적용된다. 현재 적용되는 돌풍 하중계수는 수년 동안 존재해온 돌풍 하중계수 요구 사항과 실질적으로 동일하며, 수십만 시간의 비행시간으로 안정성이 입증되었다. 조종사는 돌풍 부하 요인을 거의 제어하지 않기 때문에 (거친 공기가 부딪칠 때 항공기의 속도를 줄이는 것을 제외하고) 돌풍에 의한 부할ㄹ 제어하는 방법은 항공기 유형과 상관없이 거의 모든 항공기 유형에서 동일하다.

 

항공기의 유형에 따라 하중계수의 최댓값이 정해져 있는데, 이를 한계하중계수(limit load factor)라 한다. 곡예기 유형에서는 한계하중계수가 6이다.

 

일반(normal) 유형의 항공기 : +3.8G ~ -1.52G

유틸리티(Untility) 유형의 항공기 : +4.4G ~ -1.76G

곡예(Acrobatic) 유형의 항공기 : +6.0G ~ -3.0G

 

선회비행과 하중계수

경사각과 하중계수

 

선회(Steep turn)비행과 하중계수

 

고도(altitude)를 이정하게 유지하면서 선회할 때, 하중계수(load factor)는 원심력(centrifugal force)과 중력(gravity)의 힘의 결과로 나타난다. 

 

위의 그림은 선회할 때 경사각 증가에 따른 하중계수의 변화를 나타내고 있다. 하중계수는 경사각(bank)이 45도 혹은 50도를 넘어서면서 급격하게 증가된다. 경사각(bank)이 60도일 때, 하중계수는 2g가 되며, 80도일 때, 하중계수는 5.76g이 된다. 선회 중에 고도를 일정하게 유지하려면, 날개는 이러한 하중계수(load factor)와 동일한 힘의 양력(lift)을 발생시켜야 한다. 예를 들어 60도 경사각으로 수평선회를 할 때, 고도를 유지하기 위해 필요한 양은 수평비행을 할 때보다 2배의 양력이 필요하게 된다. 

 

90도 뱅크의 일정한 고도 선회가 수학적으로 가능하지 않기 때문에 결코 도달하지 못하는 90도 뱅크선에 접근함에 따라 부하계수를 나타내는 선이 얼마나 빨리 상승하는지 주목해야 한다. 항공기는 고도를 유지하려고 시도하지 않는다면 90도까지 경사지게 될 수 있다. 80도보다 약간 큰 경우, 하중계수는 곡예 항공기의 한계 부하계수인 6중력 가속도를 초과한다. 일반 항공 항공기에 대한 대력적인 최대 허용뱅크는 60도이다.

 

하중계수와 실속 속도 (Load Factors and Stalling Speeds)

 

모든 항공기는 구조적 한계 내에서 비행할 경우, 어떠한 속도에서도 실속(stall)에 들어갈 수 있다. 항공기의 실속속도는 하중계수의 제곱근에 비례해서 증가한다 예를 들어 어느 항공기의 실속속도가 60노트라고 한다ㅕㄴ, 만일 4g의 하중계수가 적용되는 상태에서는 실속속도가 120노트로 증가된다.

 

따라서, 항공기가 높은 하중계수에 노출되어도 구조적 손상을 받지 않고 안전하게 실속(stall)에 들어갈 수 있는 최대 속도를 지정해 놓았는데, 이를 설계기동속도(Design Maneuvering Speed) (Va)라고 한다.