비행기의 안정성

 

비행기의 안정성에 대해 논하기 전에 먼저 '안정성'이라는 단어의 개념을 확실히 알고가야 할 필요가 있습니다. 

 

 

안정성(安定性) 이란?

 

인용출처: 사이언스올

 

안정성(安定性)은 '복원력'과 관련이 있습니다. 복원력이란 물체가 원래상태로 돌아가려는 성질을 말하며 선박과 항공기의 복원력은 모멘트의 형태로 나타나게 됩니다. 

 

 

오뚝이의 예 - 무게중심 위치에 의한 복원력

 

상태에 변화가 생기면 다시 원래대로 되돌아가려는 모멘트가 나타나게 되는것이지요.

 

 

따라서 이러한 모멘트의 작용을 통해 비행기는 외력에 의해 힘의 평형이 깨져서 순간적으로 원하지 않는 방향으로 움직이게 되더라도 다시 원래 움직이던 방향으로 돌아오게 됩니다.

 

 

인용출처: PHAK(2016) p5-14

 

 

여기서 우리는 안전성(安全性)과 혼동하지 말아야 합니다. 안전성(safety)은 위험이 없는 상태를 나타내는 성질입니다. 원래상태를 유지하려는 성질인 안정성(stability)과는 다른 개념입니다. 물론 원래상태를 유지하는 성질이 안전과 연관이 있을 수 있지만 항상 그런 것은 아닙니다.

 

 

 

가령 비행기가 너무 안정적이어서 원래상태에서 절대 벗어나지 않는다면 조종자체를 할 수 없습니다. 이런 경우 비행기는 안전하다고 볼 수 없을 것 입니다.

 

 

 

---

 

정적안정성 과 동적안정성

 

안정성은 크게 '정적안정성(Static Stability)'과 '동적안정성(Dynamic Stability)'으로 나눠 볼 수 있습니다.

 

 

---

 

 

먼저 정적안정성은 원래 평형상태로 되돌아오려는 초기 복원력의 상태를 나타내며, 복원력 자체의 유무로

 

1. 양성(Positive)

2. 중성(Neutral)

3. 음성(Negative)

 

이렇게 3가지 상태로 나타낼 수 있습니다.

 

 

정적안정성의 3가지 상태

 

 

 

1. 양성 정적안정성(Positive Static Stability):

 

정적안정성이 양성이라는 것은 외력에 의해 평형이 무너졌을때 모멘트와 같은 물리량이 복원력으로 나타나 다시 평형이 무너지기 전으로 되돌아가는 성질을 가진 것을 말합니다.

 

정적으로 안정한 상태(Statically Stable)라는 것은 양성 정적안정성 일때를 뜻 합니다.

 

 

양성 정적안정성

 

 

 

2. 중성 정적안정성(Neutral Static Stability):

 

정적안정성이 중성이라는 것은 외력에 의해 평형이 무너졌을때 모멘트와 같은 물리량이 나타나지 않아 외력에 의해 변화된 상태를 유지하는 성질을 가진 것을 말합니다.

 

 

중성 정적안정성

 

 

 

3. 음성 정적안정성(Negative Static Stability):

 

정적안정성이 음성이라는 것은 외력에 의해 평형이 무너졌을때 모멘트와 같은 물리량이 나타나지만 복원력으로 작용하지 않고 오히려 외력에 의한 변화를 가속시키는 원인으로 작용하는 성질을 가진 것을 말합니다.

 

정적으로 불안정 상태(Statically Unstable)라는 것은 음성 정적안정성 일때를 뜻 합니다.

 

 

음성 정적안정성

 

 

---

 

 

정적안정성이 초기 복원력의 상태를 나타낸다면 동적안정성은 시간의 경과에 따른 복원력 작용에 의한 움직임의 변화를 나타냅니다. 따라서 동적안정성을 논하기 위해서는 기본적으로 그 대상이 복원력이 존재하는 '양성 정적안정성'의 상태여야 합니다.

 

 

동적안정성은 양성 정적안정성의 상태가 반복되는 과정속에서 나타난다.

 

시간의 흐름에 따라 대상에 지속적인 복원력이 가해지면 용수철 운동과 같이 진동하게 됩니다. 그래서 동적안정성은 어떻게 진동하는지에 따라

 

1. 진폭이 감쇠하는 경우(Damped)와

2. 진폭이 감쇠하지 않는 일정한 경우(Undamped), 그리고

3. 진폭이 증가하는 경우(Divergent)로 나눌 수 있습니다. 

 

 

동적안정성의 3가지 형태

 

 

 

1. 진폭이 감쇠하는 경우(Damped):

 

외력에 의해 평형이 무너졌을때 나타나는 진동의 진폭이 점차적으로 감소하여 다시 평형상태에 수렴하게 될 때 이것을 '양성 동적안정성(Positive Dynamic Stability)'이라고 합니다.

 

 

 

동적으로 안정한 상태(Dynamically Stable)라는 것은 양성 동적안정성을 가질때를 뜻 합니다.

 

 

 

2. 진폭이 감쇠하지 않는 일정한 경우(Undamped):

 

외력에 의해 평형이 무너졌을때 나타나는 진동의 진폭이 일정하게 유지되어 다시 평형상태에 수렴하지 못하고 무한히 발산할때 이것을 '중성 동적안정성(Neutral Dynamic Stability)'이라고 합니다.

 

 

 

 

 

3. 진폭이 증가하는 경우(Divergent):

 

외력에 의해 평형이 무너졌을때 나타나는 진동의 진폭이 증가하여 다시 평형상태에 수렴하지 못하고 무한히 발산할때 이것을 '음성 동적안정성(Negative Dynamic Stability)'이라고 합니다.

 

 

 

동적으로 불안정한 상태(Dynamically Unstable)라는 것은 음성 동적안정성을 가질때를 뜻 합니다.

 

 

 

---

 

안정성과 기동성, 그리고 조종성

 

그렇다면 이러한 안정성의 상태는 비행기에 어떤 영향을 미칠까요?

 

인용출처: Pilot's Handbook of Aeronautical K nowledge(PHAK 2016), p5-15

 

대표적인 조종사 교재인 PHAK에서는 안정성이 기동성(Maneuverability)과 조종성(Controllability)에 영향을 미친다고 설명되어 있습니다.

 

 

그렇다면 '기동성'과 '조종성'의 차이는 무엇일까요?

 

사실 이 둘의 관계가 상당히 미묘합니다만, 우선은 대략적으로 PHAK에 나와있는 내용을 따르자면,

 

 

 

 

- 기동성(Maneuverability)은, 비행기가 기동시 비행기에 가해지는 외력(stress)에 견디는 동시에 얼마만큼 쉽게 그 기동을 소화해 낼 수 있는지에 대한 비행기의 특성으로 볼 수 있고,

 

 

 

 

- 조종성(Controllability)은, 비행기가 기동 중 조종사의 조종조작에 얼마만큼 반응하는지에 대한 비행기의 특성으로 볼 수 있습니다. 단, 조종성을 평가할때 안정성 요소는 고려하지 않습니다("regardless of its stability characteristics").

 

 

"regardless of its stability characteristics" ???

 

 

---

 

 

여기서 잠깐!

 

안정성이 기동성과 조종성에 영향을 미친다고 설명해 놓고 조종성에서 안정성을 고려하지 않는다?!

 

이해하기 어려운 설명입니다. 사실 이 부분은 저도 심도있게 이해하진 못했습니다. 다만 제 개인적인 생각을 말씀드리자면,

 

 

안정성이 조종성에 영향을 주는 요소인 것은 맞으나 조종면의 크기같은 조종계통의 설계에 따라서도 조종사의 조종조작에 대한 비행기의 반응성이 또 달라질 수 있으므로 안정성 하나만으로는 조종사의 조종조작에 대한 반응성을 가늠할수 없다는 뜻 같습니다.

 

다시말해 조종성은 안정성과 상관없이 조종사의 조작에 대한 비행기의 반응만을 평가하는 결과론적인 것으로 보입니다.

 

 

반면, 기동성은 조종조작에 대한 반응성이 나타나는 과정에서 비행기의 안정성에 따라 얼마나 쉽게 또는 어렵게 움직이는지를 평가하는 것 같습니다. 조종계통이 뛰어나 결과적으로 비행기가 빠르게 반응하였다고 해도 그 과정에서 안정성에 영향을 받아 쉽게 또는 어렵게 움직였을 수 있다는 것이지요.

 

즉, 기동성은 비행기의 운동 과정에 대한 것으로 보입니다.

 

 

---

 

 

어째든, 중요한 것은 안정성이 떨어질 수록 기동성(Maneuverability)과 조종성(Controllability)은 좋아진다는 사실 입니다. 물론 여기서 안정성은 '정적안정성'일때를 말합니다.

 

 

인용출처: Wikipedia - Relaxed stability

 

비행기의 움직임을 변화시키기 위해서는 비행기의 안정성을 깨뜨려야 합니다.

 

즉, 원래상태로 되돌아가려는 복원력에 대응해야 한다는 말이죠. 따라서 안정적인 비행기일수록 복원력이 강하기 때문에 자세 또는 비행경로를 바꾸려면 그만큼 많은 힘이 필요하게 됩니다. 그리고 그만큼 많은 힘을 얻으려면 조종면(control surface)의 크기가 커져야 하며 이것은 곧 무게증가 및 항력으로 이어지게 됩니다.

 

 

자료출처: North Carolina State University - Dr. James Kribs

 

그 결과, 기동성을 중시하는 비행기들은 안정한 상태보다 불안정한 상태를 더 선호하게 됩니다.

 

 

 

---

 

정적안정성완화 설계(Relaxed static stability)

 

세상에서 가장 불안정한 비행기 X-29

정적안정성완화 설계가 적용된 대표적인 전투기 F-16, 자세한 사항은 사진링크 참조

 

 

위 사진에서 보여주고 있는 X-29 와 F-16 모두 기동성을 극대화 하기위해 정적안정성을 완화하는 설계(Relaxed static stability)가 적용된 대표적인 비행기들 입니다.

 

이들의 공통점은 전반적으로 음성 정적안정성을 가지고 있어 정적으로 불안정한 상태이기 때문에 조종이 극도로 예민해 지게 된다는 점 입니다. 이런 비행기들은 작은 돌풍에도 자세나 비행경로가 변하고 그 변화가 가속 되어 움직이기 때문에 조종사가 지속적으로 통제하기 어렵습니다.

 

 

자료출처: North Carolina State University - Dr. James Kribs

 

그래서 컴퓨터의 도움을 받습니다.

 

 

나 없으면 휴면은 비행기 조종 못함, 인정?

 

그래서 이러한 비행기들의 조종계통은 조종간과 조종면이 기계적으로 이어져있지 않고 컴퓨터를 경유하는 전자회로를 통해 이어져 있습니다. 이러한 조종계통을 '플라이바이와이어(Fly-by-wire)'라고 합니다.

 

 

 

 

플라이바이와이어 조종계통에서 조종간은 일종의 센서이며 조종간에 입력된 신호를 컴퓨터가 재해석하여 조종면에 출력신호를 보내어 움직이는 방식입니다. 따라서 컴퓨터가 조종 중간에 개입하여 비행기의 불안정한 움직임을 알아서 통제하기 때문에 조종사는 불안정성에 의한 비행기 움직임을 신경쓰지 않아도 됩니다.

 

 

전투기 중 최초로 플라이바이와이어 조종계통이 적용된 F-16 (출처: boldmethod )

 

 

---

 

 

 

안정성에 대한 전반적인 논의는 여기서 마치도록 하겠습니다.

 

다음 글에서는 비행기의 세로안정성에 대해 살펴보도록 하겠습니다.