방향(수직)안정성 (Directional(Vertical) Stability)

 

이번에 살펴볼 '방향안정성(또는 수직안정성)'은 비행기의 수직축(Vertical axis)을 중심으로 하는 YAWING 운동에 대한 안정성 입니다.

 

 

 

 

갑작스럽게 YAWING이 발생하여 비행기의 진행방향과 기수가 일치하지 않게 되었을때 방향안정성은 기수를 다시 진행방향과 일치시켜주는 역할을 합니다.

 

 

 

즉, 간단히 말해, 방향안정성은 SLIP을 제거하는 역할을 합니다.

 

 

따라서 방향안정성의 이러한 특성은 날개가 기울어(bank)졌을 때 나타나는 사이드슬립(SIDE-SLIP)을 제거하여 비행기가 '선회'를 할 수 있도록 도와주기도 합니다.

 

 

기수와 진행방향이 일치하는(상대풍을 정면에서 받는) '선회'와 그렇지 않은 '사이드슬립'

 

 

그렇다면 방향안정성에 미치는 요인들에는 어떤 것들이 있을까요?    

 

 

---

 

 

방향안정성은 앞서 가로안정성에서 살펴 보았던 용골효과(Keel effect)와 매우 밀접한 관련이 있습니다.

 

 

 

그래서 방향안정성도 가로안정성과 마찬가지로 용골면적(Keel Area)과 무게중심(CG)의 위치에 영향을 받습니다.

 

 

출처: Jeppesen Private Pilot Manual(1991)

 

다만, 가로안정성에서의 용골효과가 용골면적에서의 세로축 CG centerline의 높고 낮음에 영향을 받았다면, 방향안정성에서의 용골효과는 YAWING 운동과 관련이 있기때문에 용골면적에서의 수직축 CG centerline의 전진 후진의 영향을 받습니다.

 

 

 

따라서 용골효과는 가로안정성과 방향안정성 동시에 영향을 미친다고 볼 수 있고 이것은 앞서 가로안정성에서도 이미 언급했던 부분입니다.

 

 

 

어째든 방향안정성의 관점에서 살펴보면, 용골효과는 CG centerline 전면보다 후면의 용골면적이 더 많은 비율을 차지할 때 나타날 수 있는데요, 그것은 CG 후면(적색)의 용골면적에 상대풍이 작용할때만 SLIP을 없애고 기수가 다시 상대풍을 추종하는 방향으로 되돌아 올 수 있기 때문입니다.

 

 

 

반대로 CG 전면(녹색)의 용골면적에 상대풍이 작용하면 기수를 상대풍향에서 더 멀어지게 하여 SLIP을 크게 만드는 모멘트로 작용하게 됩니다.  

 

 

 

그러므로 CG 후면의 동체의 면적을 확보하는 것이 방향안정성에서 매우 중요한 사안이 됩니다.

 

 

출처: PHAK(2016) Figure 5-32. Fuselage and fin for directional stability

 

이와같이 CG 후면의 넓이는 방향안정성에 영향을 미치게 되며, CG 전면 보다 더 넓은 후면을 가진 비행기가 상대풍에 추종하는 특성을 풍향계(Weather vane) 특성라고도 합니다.

 

 

풍향계, Weather vane (출처: zum 학습백과)

 

실제로 풍향계도 회전축 뒤쪽의 면적이 앞쪽의 면적보다 더 넓습니다.

 

 

비행기(C-172)의 수직안정판, 사실상 풍향계에 달린 풍판과 그 기능과 목적이 동일하다

 

여기서 CG 후면에 작용하는 복원력은 상대풍을 받는 면적 뿐 아니라 상대풍을 CG에서 멀리 떨어진 곳에 받게되면 더 강한 모멘트로서 작용할 수 있는데요, 따라서 CG에서 가장 멀리 떨어진 꼬리날개 쪽에 위 그림과 같은 수직안정판(Vertical fin, Vertical stabilizer)을 두면 상대풍을 받는 용골면적을 증가시키고 복원모멘트를 증가시켜 방향안정성 증대에 기여할 수 있습니다.

 

 

 

따라서 수직안정판의 면적이 커질수록 비행기는 더 강한 방향안정성을 가지게 됩니다. 그리고 방향안정성이 강할수록 SLIP은 빠르게 제거됩니다.

 

그럼 수직안정판이 클수록 비행기는 더 안정하겠네~

 

 

NO, 꼭 그렇지만은 않음.

 

이렇게 SLIP이 빠르게 제거되는 것이 무조건 좋은 것 만은 아닙니다. 과도한 방향안정성은 가로안정성을 만들어내는 Dihedral effect의 원동력인 SIDE SLIP 또한 빠르게 제거하기 때문에 가로안정성을 약화시킬 수 있기 때문입니다.

 

 

'Dihedral effect'는 상반각을 가진 날개에서 '사이드 슬립'에 의한 받음각의 차이로 ROLLING 복원력이 나타난다.

 

 

따라서 수직안정판의 면적은 너무 커도 비행기 전체적인 안정성의 측면에서는 오히려 나쁠 수 있습니다.  

 

 

---

 

 

한편 가로안정성에서 살펴보았던 날개의 후퇴각(Sweepback) 또한 방향안정성에 미칩니다.

 

 

 

 

후퇴각을 가진 날개는 (SIDE) SLIP이 발생하였을 때 풍상쪽의 날개에 더 많은 양력이 발생(가로안정성)할 뿐 아니라, 항력 또한 더 많이 발생하게 되는데요, 이 항력으로 말미암아 기수는 상대풍을 향하여 움직이고(방향안정성) 따라서 (SIDE) SLIP은 사라지게 됩니다.

 

 

 

이와 같이 양쪽 날개에서 항력이 비 대칭적으로 발생하는 이유는 SLIP시 날개 앞전(Leading edge)의 상대풍에 대한 수직투영 길이가 서로 다르고 날개가 수직으로 받는 상대풍의 공기흐름이 서로 다르기 때문입니다.

 

 

 

풍상측의 날개가 풍하측의 날개보다 상대풍에 대한 날개 앞전의 수직투영길이가 길고 날개가 수직으로 받는 상대풍의 속도도 더 빠릅니다. 따라서 풍상측 날개에 더 많은 항력이 걸리게 되고 기수는 풍상을 향해, 즉 상대풍을 향해 움직일 수 있는 것 입니다.

 

후퇴각이 커질수록 이러한 현상은 강해지지만 전반적인 방향안정성에 끼치는 영향은 수직안정판에 비해 작습니다.

 

 

참고로 후퇴각은 비행기 설계시 날개의 양력중심(또는 압력중심, C.P)을 후퇴시켜 세로안정성에 영향을 주기도 합니다.

 

 

날개에 후퇴각을 주면 C.P를 후퇴시켜 세로안정성에 유리한 설계를 할 수 있다.