지면효과(Ground Effect)

 

먼저 들어가기 전에 지면효과(Ground Effect)를 아래 영상을 통해 한번 진하게 느껴봅시다~.

 

 

 

 

위 영상을 보면 글라이더가 지면에 가까워지니 계속 떠있으려고 하지 도무지 내려가질 않습니다. 이처럼 지면효과는 기본적으로 비행기가 지면에 가까이 다가 갈 수록 떠 있으려고 하는 성질이 있습니다. 마치 보이지 않는 에어쿠션(air cushion)이 날개와 지면사이에 있는 것 같습니다.

 

그렇다면 왜 이런 현상이 나타나는 것일까요?

 

 

 

 

이 현상을 이해하기 위해서는 이번에도 역시 'Wing tip vortex'를 짚고 넘어가지 않을 수 없습니다.

 

 

 

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지면간섭과 Wing tip vortex

 

Ground effect changes airflow (출처: PHAK(2016) Figure 5-16)

 

위 그림에 나타나 있는 것 처럼 지면에 가깝게 비행을 하게되면 비행기 주변의 공기의 흐름은 지면에 제약을 받게 됩니다. 그래서 날개 전방에서 올라가는 공기의 흐름(up wash), 후방에서 아래로 내려가려는 공기의 흐름(down wash), 그리고 날개 좌우 흐름인 Wing tip vortex 에 영향을 주게 되는데요.

 

여기서 우리가 특히 주목해야 할 것은 바로 이 Wing tip vortex 의 변화 입니다.

 

 

앞에서도 계속 살펴 보았듯 Wing tip vortex 는 양력과 항력에 큰 영향을 미치기 때문입니다.

 

Vortex가 커질수록 유효 받음각(Effective AOA)은 작아져서 양력은 감소하게 되고, 유도항력(Induced drag)은 커지면서 전체항력이 증가하게 됩니다.

 

 

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그렇다면 지면 근처에 있을 때 Wing tip vortex 는 어떻게 될까요?

 

 

그림출처: boldmethod, PHAK(2016) Figure 5-10.

 

Wing tip vortex는 작아집니다.

 

위 그림에 나와있는 것 처럼 지면에 방해를 받아 공중에 있을때 만큼 vortex가 형성되기 어렵기 때문입니다.

 

날개 아래에 지면이라는 벽이 생기면서 공기가 흘러갈 수 있는 통로가 좁아지고, 그 만큼 날개 아래 쪽에서 위 쪽으로 이동할 수 있는 공기의 양도 줄어들수 밖에 없습니다.

 

 

결국 지면효과를 받게되면 vortex는 약해지고 공기의 흐름을 덜 왜곡시켜 유도항력은 작아지고 유효받음각의 증가로 양력은 증가하게 됩니다.

 

즉, 양항비(L/D ratio)가 개선되는 현상이 나타납니다. 따라서 아래와 같은 곡선도가 나타나게 됩니다.

 

 

Ground effect changes drag and lift (출처: PHAK(2016) Figure 5-17) 

 

 

먼저 항력(Thrust required) 곡선도를 보면 지면효과를 받을때 동일한 속도에서 항력이 줄어든것을 알 수 있습니다.

 

 

 

 

특히 항력이 최소가 되는 속도(Best glide speed)가 감소한것을 확인할 수 있는데요, 이것은 유도항력이 작아졌기 때문으로 해석할 수 있습니다.

 

 

한편, 양력계수(CL) 곡선도를 보면 지면효과를 받을때 동일한 받음각에서 양력계수가 개선 된 것을 확인 할 수 있는데요,

 

 

 

 

흥미로운 것은 지면효과를 받을 때 실속에 진입하는 받음각의 크기는 오히려 감소했다는 것입니다.

 

이것은 실제적인 받음각인 '유효 받음각(effective AOA)'이 커졌기 때문이라고 해석할 수 있습니다. 유효 받음각의 증가는 양력계수의 증가를 의미하지만, 동시에 그 만큼 '임계받음각(Critical AOA)'에 더 가까워 졌다는 의미이기 때문입니다.

 

 

 

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무엇이 문제인가?

 

먼저, 지면효과의 이런 특성들 때문에 착륙 당김(Landing flare or round-out)이 어려워 집니다.

 

  

"Timing Your Flare" 영상에서 발췌

 

 

착륙 당김은 Best glide speed 이하 항력이 급격히 증가하는 Speed Instability 영역에서 수행해야 가장 효과적입니다. 그런데 착륙 중 지면효과로 인해 Best glide speed 가 감소해버리면 그 속도 이하에 도달하는 동안 함부로 당길 수 없기 때문입니다.

 

 

Floating during roundout (출처: AFH(2016) Figure 8-34.)

 

더욱이 당김(flare)을 해야되는 시점에서 속도가 조금이라도 더 빠른 상태에 있으면 지면효과로 인한 유도항력의 감소와 양력계수의 증가로 인해 속도는 줄지않고 비행기는 계속 떠 있는 상태(Floating)가 유지되어 접지(touchdown)거리가 상당하게 늘어나게 됩니다.

 

인용출처: PHAK p5-12, Ground Effect

 

그리고 여기서 조금만 더 삐끗하면 부~웅 떠버리는, 소위 'Ballooning'으로 이어지는 심각한 상황이 발생할 수 있습니다.

 

The slightest error in judgment and timing results in either ballooning or bouncing.
(인용출처: AFH p8-30, Floating During Round Out)

 

Ballooning during roundout (출처: AFH(2016) Figure 8-35.) 

 

Ballooning으로 인해 계속 고도가 증가하면 지면효과가 현저히 나타나는 영역을 벗어나게 되므로, 따라서 항력이 다시 증가하여 속도가 급격하게 감소하기 때문에, 만약 파워보충을 안하면 콰~당 떨어져 버릴 수도 있습니다.

 

 

<Floating → Ballooning → 콰~당>

 

 

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한편, 지면효과는 동정압 계기, 즉 고도계와 속도계에 영향을 주기도 합니다.

 

 

Pitot-static system and instruments (출처: PHAK(2016) Figure 8-1.) 

 

동정압 계기에 대해 간략히 설명하자면 동압과 정압을 측정하는 계기로서, 동압(Dynamic pressure)을 측정하면 대기속도(Airspeed)를 알 수 있고, 정압(Static pressure)을 측정하면 고도(Altitude)를 알 수 있습니다.

 

 

전압(Total pressure)을 수집하는 장치인 Pitot tube

정압을 수집하는 장치인 Static port

 

정압은 기압계로 직접 측정이 가능하나 동압은 직접적으로 측정이 불가능하여 간접적으로 측정해야 하는데요, 따라서 전체 압력(Total pressure, 이하 전압)을 측정하여 정압을 빼는 방식으로 동압을 측정하게 됩니다.

 

문제는 지면효과를 받게되면 공기압력을 수집하는 장치 주변의 공기흐름의 변화로 인해 측정오류가 나타날 수 있다는 것입니다. 일반적으로 지면효과를 받게되면, 정압이 지면효과를 받지 않을 때 보다 높게 측정된다고 합니다.

 

 

따라서 이러한 현상이 나타나게 되면,

 

- 정압이 증가하였으므로 측정된 고도는 실제고도 보다 낮을 것이며,

- 전압은 일정하므로 증가한 정압만큼 동압이 감소하여 대기속도는 실제보다 작게 나타날 것입니다.

 

 

그래서 지면효과에 따른 동정압 계기 오차가 있는 비행기의 경우 지시된 대기속도가 실제보다 작기 때문에 속도계에 의존한다면 착륙 당김 시점을 잘못 판단 할 수도 있습니다.

 

 

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지면효과는 이륙 할 때도 영향을 미칩니다.

 

 

AFH(2016) Figure 5-9.

 

지면효과를 받는 영역에서는 제작사에서 권고하는 대기속도에 도달하지 않더라도 양항비가 개선되기 때문에 조기부양(Premature lift-off)이 가능합니다.

 

 

하지만, 지면효과를 받는 영역에서 벗어나게 되면,

 

- 동일한 양력계수를 유지하려면 AOA를 증가시켜야 하며,

- 유도항력이 증가하기 때문에 이를 보상할 수 있는 추력이 더 필요합니다.

- 또한 날개 후방에서 down wash 가 강해져 승강타(elevator)에 영향을 주어 기수들림 현상과 안정성이 감소하며,

- 정압이 지면효과를 받을때 보다 감소하여 속도계는 지면효과를 받을때 보다 증가한 속도를 지시할 것입니다.

 

 

따라서 조기부양시 부족한 속도를 가지고 지면효과 영역을 벗어난다면 갑작스럽게 유도항력이 크게 증가하기 때문에 속도가 급감하여 비행기는 상승하지 못하고 오히려 양력을 잃고 떨어질 수 있습니다(settle back).

 

왜냐하면 우리는 보통 이륙시 최대 추력을 쓰기 때문에 크게 증가한 유도 항력을 보상 할 수 있는 여분의 추력이 없기 때문입니다.

 

 

 

이 때 유도항력을 줄이기 위한 유일한 방법은 AOA 를 줄이는 것 입니다. 하지만 이렇게 되면 양력계수가 줄어들기 때문에 상승을 기대할 수 없습니다.

 

 

 

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지면효과의 강도

 

AFH(2016) Figure  5-7.

 

지면효과의 강도는 날개와 지면사이의 간격이 가까워 지면 가까워 질 수록 강해집니다. 이러한 지면효과의 영향으로 날개와 지면사이의 높이가 날개 폭(Wing span) 만큼 떨어졌을 때는 유도항력이 1.4% 정도만 감소하지만,

 

인용출처: PHAK(2016) p5-11

 

날개 폭의 1/4 의 높이에선 23.5% 감소, 날개 폭의 1/10 높이에선 47.6% 나 유도항력이 감소 합니다.

 

 

 

그리고 지면의 상태에 따라서도 달라지는데요.

 

 

Ground effect is maximised in calm wind conditions and over a smooth and level hard surface. The effect over grass, an uneven surface and sometimes over water is likely to be much less. (인용출처: SKYbrary)

 

 

평탄하고 단단한 지면에서 지면효과는 최대가 됩니다. 반면, 공기의 흐름을 교란시키는 요철이 많고 평탄하지 않은 지면에서는 지면효과는 상대적으로 떨어질 수 밖에 없습니다. 따라서 풀밭 이나 수면(水面)과 같이 바람에 의해 움직이는 지면에서도 지면효과는 저하될 수 밖에 없습니다.

 

 

 

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지면효과의 이용

 

AFH(2016) Figure  5-10.

 

위 에서 살펴 본 지면효과의 특성을 이해하면 반대로 비행 시, 특히 비포장 활주로 이륙을 할 때 매우 유용하게 활용 할 수 있습니다. 비행기를 조기부양 시켜 비포장 활주로의 마찰영역을 빨리 벗어나게 할 수 있죠.

 

아울러 유도항력이 작은 지면효과 영역에서 비행기를 상승속도에 도달 할 때까지 빠르게 증속시킬 수 있습니다.

 

 

 

또한 앞서 살펴보았듯이 지면효과 영역에서는 양항비가 개선되기 때문에 더 적은 추력으로 비행이 가능합니다.

 

 

 

즉, 연비(fuel efficiency)를 개선할 있습니다. 물론 그렇게 될려면 적어도 날개폭 만큼의 고도에서 비행을 해야겠죠. 그래서 등장한 것이 바로 WIG(Wing In Ground effect)선 입니다.

 

 

 

 

위 영상에 나와있는 가오리 같은 비행기(?)가 바로 WIG선 입니다. WIG선은 엄밀하게 말하면 선박으로 분류 됩니다만 지면효과를 극대화 시킨 비행기라고 보셔도 무방합니다.

 

저고도로 비행하기 때문에 일반 자동차 엔진을 사용할 수 도 있고 사용하는 연료도 빙결의 위험이 없어 자동차 연료를 그대로 사용 할 수 있습니다. 여러가지 장점이 있죠(선박인데 육지에서 항행 할 수도 있고;;).

 

 

 

 

이상으로 지면효과에 대한 내용은 여기서 마치도록 하겠습니다.