항공기 조종은 어떻게 할까? - Aerodynamic Balance(3)

Aerodynamic Balance

1. Hinge Moment
   1. 항공기 3축으로 항공기가 어떻게 공중에서 움직이지는 알아보았고 항공기 조종을 하기 위해 세 가지 Primary Control Surface(Aileron, Elevator, Rudder)에 대해 알아보았다. 지금부터는 Control Surface에 대해 조금 더 깊게 알아보자. Elevator를 가져와서 예시를 들면서 알아보자.
   2. 먼저 Elevator는 Horizontal Stabilizer 뒤에 Hinge를 이용하여 장착되어 있다. Hinge는 번역하면 경첩이다. 한마디로 Hinge를 축으로 Elevator가 위아래로 움직인다. 그리고 Elevator만 놓고 보면 Elevator도 Elevator만의 무게중심(CG)이 존재한다. Hinge와는 거리를 가지고 Elevator의 중간 어디쯤 일 것이다.

      

      출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight

   3. Yoke를 밀어서 Elevator가 아래로 움직이게 했다고 가정하자. Elevator 아랫면에 공기가 부딪히면서 Elevator를 다시 위로 올리려는 힘(Aerodynamic Force)이 발생할 것이다. 여기서 Hinge에 대한 Moment가 발생하게 된다. Elevator의 CG와 Hinge 사이 거리 X Aerodynamic Force를 하면 Hinge Moment가 나온다. Hinge Moment가 중요한 이유는 이 Moment가 Elevator를 아래로 유지하기 위해 조종사가 Yoke에 계속 유지해야 할 Stick Force와 관련이 있다. 다시 말해 Stick Force를 줄이기 위해서는 Hinge Moment를 줄이면 된다. Aerodynamic Force는 항공기 속도에 따라 달라지기 때문에 설계 과정에서 줄일 수 있는 방법은 Hinge와 Elevator CG 사이 거리를 줄이는 방법이 있다.
2. Horn Balance
   1. 그래서 대개 사용되는 방법이 Horn Balance를 장착하는 것이다. Hinge를 넘어 앞쪽으로 Elevator가 튀어나오게 하고 튀어나온 부분을 Elevator 보다 무겁게 만들어서 무게 중심을 앞쪽으로 당기는 방법이다. 이 방법으로 hinge Moment를 줄일 수 있다. Hinge Moment를 줄일 뿐만 아니라 Elevator가 아래로 내려가면 Horn Balance는 위로 올라간다. 공기 흐름이 Horn Balance에 부딪히면 Elevator를 더 아래로 내리려고 하고 Stick Force를 줄여주는 효과가 있다.

      

      출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight

      

   2. 또한 Yoke를 움직이지 않은 상태, 즉 Elevator가 Neutral 상태일지라도 공기가 지나가면서 Elevator를 치게 되고 그 힘이 Elevator의 진동을 발생시킨다. 이것을 Fluctuation이라고 하는데 진동이 발생하면 항공기 안정성을 떨어뜨린다. 이 진동 또한 작은 Hinge Moment가 Elevator 위아래로 발생하면서 만들어지게 되는데. 결국 Hinge Moment를 줄이면 된다. 그래서 Horn Balance가 도움이 된다.