[ATA.27] Flight Controls(조종계통)

■ Flight Controls(조종계통)

항공기를 조종하기 위해서는 조종사가 조종간으로 조종면을 움직여 원하는 방향으로 비행기를 운동시킨다. 여기서 조종간은 대표적으로 스틱형 or 휠 형 조종간, 페달, 엔진 스로틀 등이 있고, 조종면은 대표적으로 도움날개(aileron), 승강키(elevator), 방향키(rudder)가 있고, 비행기의 운동은 옆놀이(Rolling), 키놀이(Pitching), 빗놀이(Yawing) 등이 있다.

■ 항공기 3축 운동

항공기 3축이란 항공기의 무게중심을 관통하는 3개의 가상의 선들을 가리킨다. 기수부터 꼬리까지를 연결하는 축을 세로축(Longitudinal Axis)이라고 하고, 좌측 날개 끝을 연결하는 축을 가로축(Lateral Axis)이라고 하며, 기체를 수직으로 관통하는 축을 수직축(Vertical Axis)이라고 한다. 항공기는 이 3축을 중심으로 키놀이(Pitching), 옆놀이(Rolling), 빗놀이(Yawing) 3가지 운동을 한다.

■ 항공기 안정성

안정성에는 크게 정적 안정성과 동적 안정성으로 나뉜다. 항공기에서 추구하는 안정성은 정적안정성과 동적안정성을 둘 다 가진 상태를 추구한다.

• 정적안정 : 평형상태로부터 벗어난 뒤에 어떤 형태로든 움직여 원래의 평형상태로 되돌아가려는 경향
• 동적안정 : 평형상태로부터 벗어난 뒤 시간이 지남에 따라 운동의 진폭이 감소하는 경향

항공기는 정적안정과 동적안정을 요구한다. 하지만 지나치게 안정성이 높은 경우 조종사의 조종성이 떨어지기 때문에 적절한 균형을 유지하여 항공기를 설계하여야 한다.

■ 비행조종면(Flight Control Surface)

항공기는 크게 1차 조종면과 2차 조종면으로 나뉜다. 1차 조종면은 항공기의 방향에 대한 움직임을 결정하는 구조부이다. 2차 조종면의 경우 양력을 더 잘 받게 하거나 필요에 의해 항력을 발생시켜 항공기의 운항에 도움을 주는 등의 보조 장치이다.

■ 항공기 조종장치 : 1차 조종면(Primary Flight Control Surface)

- Aileron : 도움날개, 항공기 좌우 날개 끝 바깥쪽 뒷전에 힌지로 장착되어 조종 바퀴를 좌우로 회전시키거나 조종간을 좌우로 밀어 항공기 옆놀이(Rolling)운동을 일으킨다. 도움날개는 좌우가 반대로 작용하고 각 범위가 다른 차동 조종장치이다.

- Elevator : 승강키, 수평안정판의 후방에 설치되고 조종 바퀴를 앞뒤로 밀거나 조종간을 앞뒤로 밀어 항공기가 상하로 움직여 항공기 키놀이(Pitching)운동을 일으킨다.

- Rudder : 방향키, 수직안정판의 후방에 설치되고 방향키 페달을 통해 기수를 좌우로 회전시키는 빗놀이(Yawing)운동을 일으킨다.

1차조종면	항공기운동	회전축	안정성
Aileron	Roll(옆놀이)	Longitudinal(세로축)	Lateral(가로안정성)
Elevator/Stabilator	Pitch(키놀이)	Lateral(가로축)	Longitudinal(세로안정성
Rudder	Yaw(빗놀이)	Vertical(수직축)	Directional(방향안정성)

■ 항공기 조종장치 : 2차 조종면(Secondary Flight Control Surface)

- 플랩(Flap) : 플랩을 작동하면 날개의 캠버가 증가해 항공기의 양력을 일시적으로 증가시키는 조종면으로, 이착륙 속도를 감소시켜주는 조종장치이다.

- 슬랫(Slat) : 날개 앞전에 부착된 보조 날개단면으로, 날개 위로 원활한 공기흐름을 형성시켜 앞전 부근 실속을 방지하는 조종장치이다.

- 스포일러(Spoiler) : 대형항공기 날개 중간 정도에 위치하여 항력을 증가시켜 도움날개(Aileron)을 보조하는 역할을 하는 조종장치이다. 종류는 FLT Spoiler(aileron 보조, 속도↓ 역할), GRD Spoiler(브레이크 작용, 항력↑ 역할)

- 수평안정판(Horizontal stabilizer) : 항공기 꼬리 부분 양쪽에 위치하여 날개 끝의 불안정한 공기흐름을 안정적으로 잡아주는 조종장치이다.

- 탭(Tab) : 조종면의 뒷전에 설치되어 조종면의 균형을 좋게 하고 조종면의 움직임을 용이하게 해주는 조종장치이다.

탭의 종류
트림탭	조종면을 미세하게 조절하여 조종력을 "0"으로 경감시켜주는 역할, 조종력을 "0"으로 조정
밸런스탭	조종면이 움직일 때 탭이 반대로 움직여서 조종면의 움직임을 보조해줌, 조종부하 경감
서보탭	탭을 움직여서 조종면을 움직이므로, 대형항공기에 사용되고 유압식으로 작동
안티서보탭	조종면이 움직인 방향과 동일하게 움직여 공기역학력 증가
스프링탭	스프링의 장력을 저속에서 크게 하면 밸런스탭, 고속에서 작게하면 서보탭의 역할을 하게 됨

■ 고양력장치(High Lift Device)

고양력장치는 비행기의 날개에 장착하여 이착륙 시 양력을 증가시키기 위한 장치이다. 플랩(Flap), 슬롯(Slot)과 슬랫(Slat), 윙렛(Winglet), 스포일러(Spoiler) 등이 대표적인 고양력장치이다.

• 플랩(Flap) : 날개의 캠버가 증가해 항공기의 양력을 증가시켜 이착륙 속도를 감소시켜 이착륙 활주 거리를 짧게 해주는 고양력장치이다. 대표적으로 평 플랩, 크루거 플랩, 파울러 플랩 등이 있다.

- 이륙 : 약 10~20도, 이륙성능을 향상시켜 낮은 속도에서 이륙 가능

- 착륙 : 약 20~40도, 접근각도를 크게 하여 착륙접근속도와 착륙속도(날씨·무게에 따라 flap 내리는 각도 달라 짐)

• 슬롯(Slot)/슬랫(Slat) : 슬랫(Slat)은 날개의 앞전에 부착된 보조 날개단면으로, 날개 위로 원활한 공기흐름을 형성시켜 앞전 부근 실속 방지해주며, 슬롯(Slot)은 날개 앞전으로부터 짧은 거리에 위치한 날개를 관통하는 통로로 유동박리에 의한 후류 발생을 지연시킨다.

• 스포일러(Spoiler) : 날개 윗면의 판이 돌출되어 양력을 감소시키고 항력을 증가시키는 장치로, 비행 스포일러(Flight Spoiler)는 선회비행 시 옆놀이(Rolling)를 조정하고 급강하 시 속도를 제어하는 역할을 한다. 지상 스포일러(Ground Spoiler)는 착륙 시 착륙속도를 유지하여 양력을 제거하고 항력을 증가시켜주는 브레이크 역할을 한다.

• 윙렛(Winglet) : 날개 끝에 수직방향으로 장착된 작은날개로, 양력을 증가하고 유도항력을 감소해준다. Winglet에 발생하는 양력은 일부 진행방향의 추력성분이 있어 항공기 추력에 도움을 준다.

■ 복합 비행 조종면(Duapl Purpose Flight Control Surface)

• 엘레본(elevon), 스테빌레이터(stabilator), 러더베이터(ruddervator), 플래퍼론(flaperon), 카나드(canard), 테일러론(taileron : stabilator + aileron)
• 민항기에서 플래퍼론(flaperon) 사용하는 경우 있음

​※ Trim : 항공기 조종면 영점조절, Trim은 aileron, rudder 등 Trim 하는 것, tab을 trim 하는 것은 아님