하중계수(Load Factors)

양력(Lift)과 하중(Load)

 

비행기에 작용하는 힘의 평형이 깨지면, 비행기는 어느 한쪽으로 힘을 받는 '가속도 운동'을 하게 됩니다. 가령 비행기에 작용하는 양력(Lift)이 중력(Weight)보다 커지게 되면 비행기의 운동은 양력이 가해지는 방향으로 변화하게 됩니다.

 

 

상승기동을 시작하기 위한 양력 증가

선회기동을 하기 위한 양력 증가

 

그리고 이렇게 가속도 운동이 일어나게 될 때, 반대 방향으로 동일한 가속도의 크기를 가진 '관성력'이 나타나게 됩니다. 이와같이 관성력은 가속도에 영향을 받기 때문에 비행기의 운동을 빠르게 변화시키는 급격한 기동을 할 수록 관성력은 커지게 됩니다.

 

 

 

이러한 관성력이 나타나게 될 때 실제 느껴지는 비행기의 중량은 달라지게 되는데, 더 무거워 질 수도 있고, 더 가벼워 질 수도 있고, 그리고 가벼워지는 것을 넘어 무중력 상태 혹은 중력이 반대로 작용하는 것처럼 느껴질 수도 있습니다.

 

이처럼 관성력 때문에 비행기에 걸리는 '하중(Load)'은 실제 중량과 다를 수 있습니다.

 

 

비행기가 급격한 기동을 하게되면 기체 뿐 아니라 우리의 몸이 받는 하중도 변하게 된다.

 

이 같은 하중은 관성력과 중력을 더해 나타내며, 여기서 관성력의 크기는 양력에서 중력을 뺀 나머지 힘과 같음으로 결과적으로 하중은 양력과 같다는 결론을 낼 수 있습니다.   

 

하중 = 관성력 + 중력
관성력 = 양력 - 중력
∴ 하중 = 양력

 

 

 

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하중계수(Load factor)

 

하중배수(Load factor)란 항공기의 전체 무게에 대한 특정 하중의 비를 의미한다. 특정 하중은 다음과 같다. 공기 역학적 힘, 관성력 또는 지상 또는 수상 반력. (출처: 항공기기술기준, part1 총칙, 1.3 정의)

 

하중계수(또는 하중배수)는 비행기 중량(또는 중력)을 기준으로 비행기가 얼마만큼의 하중을 받는지를 나타낸 수치입니다. 따라서 하중계수는 중력에 대한 양력의 비율로서 나타낼 수 있습니다. 

 

 

 

단위는 중력가속도(G-force)를 나타내는 'G'를 사용하며, 1G는 비행기가 중력가속도와 동일한 가속도를 받고 있는 상태, 즉 중력과 양력이 평형을 이루고 있는 상태를 나타내며, 2G는 중력가속도의 두 배가 되는 가속도를 받고 있는 상태, 즉 하중(양력)이 중력의 두 배임을 나타냅니다.

 

 

60도 BANK 선회시 양력이 중력의 두 배, 고로 하중도 중력의 두 배.

 

따라서 비행기의 하중이 증가하게 되면, 비행기의 무게가 증가한 것과 같기 때문에 기체에 부담을 주게 됩니다. 여기서 만약 비행기의 기체가 버텨낼 수 없는 과중한 하중을 받게되면 기체를 변형시키거나 파괴시킬 수 있기 때문에 비행기가 운동할때 나타나는 하중은 기체가 버텨낼 수 있는 범위 내에서 제한되어야 합니다.

 

 

곡예비행 중 과도한 하중에 의한 날개 변형(자세히 보면 표면이 찌그러져 있다). (사진출처: PILOTFRIEND)

 

 

 

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하중의 제한

 

비행기를 설계할 때 비행기의 용도와 목적에 따라서 예상되는 기동의 범위가 달라지기 때문에 고려해야하는 하중의 크기 또한 달라지게 됩니다.

 

 

최대 9G의 하중을 견디는 MiG-29

 

가령, 곡예전투비행을 하는 비행기를 설계하는 경우 예상되는 기동의 범위가 단순히 수송을 하기 위한 비행기 보다 훨씬 넓고 급격하게 변하는 운동을 하기 때문에 비교적 큰 기동하중(Maneuvering Load)을 고려해야 하며 하중을 허용해야하는 범위도 훨씬 넓어질 것입니다¹⁾.

 

 

최대 2.5G의 하중을 견디는 A320

 

반면, 곡예비행을 목적으로 하지 않는 비행기는 곡예비행과 같은 급격한 운동에서 나타나는 큰 하중을 고려하지 않고 설계하기 때문에 곡예비행을 목적으로 제작된 비행기보다 제한된 하중의 범위를 가지게 됩니다²⁾.

 

사실 비행기의 설계에서 하중의 제한 범위를 설정할 때 비단 이러한 비행기의 기동하중 뿐 아니라, 돌풍에 의한 하중, 착륙시 착륙장치의 충격에 의한 하중, 여압장치가 있는 비행기의 경우 여압으로 나타나는 하중 등 비행 중 나타날 수 있는 다양한 하중 조건들을 종합적으로 고려하게 됩니다³⁾.

 

 

비행 중 폭풍이 몰려온다! (사진출처: AIR FACTS journal: Storm Flying)

 

이 중에서 특히 돌풍에 의한 하중(gust load)의 경우 기본적으로 비행기를 운용할 때 맞닥뜨리는 대기의 상태에 영향을 받기 때문에³⁾, 기체에 요구되는 돌풍하중을 설정할 때는 수십만 시간동안 비행기를 운용하면서 안전성이 입증된 돌풍하중을 사용하게 됩니다⁴⁾.

 

 

돌풍하중 모델을 설정하기 위한 토 나오는 비행시간. (인용출처: Extreme Vertical Gusts in the Atmospheric Boundary Layer, Douglas J Sherman.)

 

이렇게 통계적으로 유효한 돌풍하중을 비행기 설계에 반영하기 때문에 비행기의 용도와 관계없이 일반항공(General Aviation) 분야에 속한 대부분의 비행기들에게 요구되는 돌풍하중계수는 대체로 동일하며⁵⁾, 심지어 현재 사용하고 있는 돌풍하중계수와 과거에 사용했던 돌풍하중계수가 크게 다르지 않습니다⁶⁾.

 

 

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제한하중계수(Limit Load Factor)

 

이렇게 기동하중과 돌풍하중을 포함한 다양한 하중조건들을 고려하여 실제 비행기를 운용할 때 나타날 수 있는 하중의 최대 한계치(Maximum Load)를 설정하게 되는데, 이것을 제한하중(Limit Load)이라고 합니다.

 

그리고 제한하중에 안전계수(factor of safety) 1.5 배를 적용하여 극한하중(Ultimate Load)을 산출하는데, 비행기는 궁극적으로 극한하중을 버틸 수 있도록 설계 합니다.

 

제한하중 × 1.5 = 극한하중

 

 

극한하중을 테스트 중인 B787 여객기.

B787 여객기의 날개가 활처럼 휘어지고 있다.

Gulfstream G500의 극한하중 테스트 영상

 

 

미항공청(FAA)에서는 비행기가 이러한 극한하중을 기체의 구조적 파괴가 일어나지 않은 상태로 3초 이상 버티도록 규정하고 있으며,

 

…Any part of the structure of an aircraft must be able to support the Ultimate Load and, with certain exceptions, be able to do so without failure for at least 3 seconds (Strength and deformation - CS 25.305 and Section 25.305). (인용출처: Skybrary)

 

제한하중받을때는 기체의 구조적인 파괴 뿐 아니라 영구적인 변형도 나타나지 않도록 요구하고 있습니다.

 

…the Limit Load is the maximum load to be expected in service (Loads - CS 25.301 and Section 25.301). Any part of the structure of an aircraft must be able to support the limit load without permanent deformation. (인용출처: Skybrary)

 

참고로, 제한하중에서 대략 1~1.25배의 안전계수를 적용한 보증하중(Proof Load)을 설정하기도 하는데요, 보증하중 역시 제한하중과 마찬가지로 기체의 구조적 파괴 또는 영구적인 변형이 나타나지 않음을 보증하는 하중입니다. 만약 비행기에 걸리는 하중이 극한하중을 넘지 않았으나 이 보증하중을 넘게 되면, 극한하중을 초과하지 않았음으로 기체의 구조적인 파괴는 일어나지 않으나 기체에 영구적인 변형이 나타나게 됩니다.

 

 

결국, 비행기를 운용할 때 기체에 걸리게 되는 모든 하중은 제한하중의 범위 내에 있어야 합니다. 따라서 비행기를 안전하게 운용할 수 있음을 인증하는 '감항분류(Airworthiness Category) 체계'에서는 비행기의 용도에 따라 만족해야하는 제한하중계수(Limit Load Factor)의 범위를 아래와 같이 지정해 놓고 있습니다.

 

감항분류(Airworthiness Category)	제한하중계수(Limit Load Factor) - FAA 기준
보통 또는 커뮤터 (Normal, Commuter)	+3.8(또는 2.1+24,000÷(최대이륙중량+10,000)) ~ -1.52(또는 (+)하중의 0.4배)7)
실용 (Utility)	+4.4 ~ -1.767)
곡예 (Acrobatic)	+6.0 ~ -3.007)
수송 (Transport)	+2.5(또는 2.1+24,000÷(최대이륙중량+10,000)) ~ -1.008)

 

 

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1. There is an upward graduation in load factor with the increasing severity of maneuvers.(PHAK(2016): p5-34) [본문으로]
2. If normal operation alone is intended, the required load factor (and consequently the weight of the aircraft) is less than if the aircraft is to be employed in training or acrobatic maneuvers as they result in higher maneuvering loads.(PHAK(2016): p5-34) [본문으로]
3. An aircraft is subjected to a variety of loads during its operational life, the main classes of which are maneuver loads, gust loads, undercarriage loads, cabin pressure loads, buffeting, and induced vibrations. Of these, maneuver, undercarriage, and cabin pressure loads are determined with reasonable simplicity, since maneuver loads are controlled design cases, undercarriages are designed for given maximum descent rates, and cabin pressures are specified. The remaining loads depend to a large extent on the atmospheric conditions encountered during flight.(Airworthiness T.H.G. Megson, in Introduction to Aircraft Structural Analysis (Third Edition), 2018: 12.2.1 Limit load) [본문으로]
4. Hundreds of thousands of operational hours have proven them adequate for safety.(PHAK(2016): p5-33)[본문으로]
5. Since the pilot has little control over gust load factors (except to reduce the aircraft’s speed when rough air is encountered), the gust loading requirements are substantially the same for most general aviation type aircraft regardless of their operational use.(PHAK(2016): p5-33) [본문으로]
6. The gust load factor requirements now in effect are substantially the same as those that have been in existence for years.(PHAK(2016): p5-33) [본문으로]
7. "Part 23. Airworthiness Standards: Normal, Utility, Acrobatic, and Commuter Category Airplanes". FAA. Retrieved 29 March 2010. [본문으로]
8. "Part 25. Airworthiness Standards: Transport Category Airplanes". FAA. Retrieved 29 March 2010. [본문으로]