항공기 안정성(stability)

- 정의 : A/C가 돌풍이나 교란을 받았을 때 조종사의 조작이나 조종장치등에 의하지 않고 정상상태로 돌아가려는 성질

 

o정적 안정성(Static) : 평형상태에 있는 A/C가 외부요란을 받았을 때 원래의 평형상태로 되돌아가려는 초기 경향

 

o동적 안정성(Dynamic) : 평형 상태에 있는 A/C가 외부요란을 받았을 때 시간이 지나감에 따라 원래의 평형상태로 돌아가려는 경향

       - POSITIVE, NEUTRAL, NEGATIVE로 구분

     - 정안정을 가진다고 동안정성을 가지는 것은 아니지만 동안정성을 가지면 정안정성을 가지게 된다.

 

 

 

o세로 안정성(y 축(가로축) - Pitch, Elevator)

   -A/C 무게중심에 작용하는 힘과 모멘트가 가로축에 대하여 평형상태를 유지하려는 경향성

   -항공기 무게중심(CG)는 날개의 양력중심보다 약간 앞에 있으며, 이로인해 기수가 약간 Down되려는 경향이 있음.

   -대부분의 항공기 설계시 Hz Stabilizer는 기수를 약간 들어주는 형태로 제작되어있음

   -항공기 Prop의 후류는 Pitch를 Control하는 Hz Stabilizer에 기수가 들리는 힘이 작용

 

   .난류 등으로 기수들림/내림 현상 발생시 Hz Stabilizer가 움직여 기수를 수평상태로 돌려줌(안정성)

                        세로안정성을 설명하기 위한 3가지 중심(Center)

   .공력중심(ac: aerodynamic center), 무게중심(c.g: center of gravity), 중립점(n.p: neutral point)이 있다.

 

[ 공력중심, 무게중심, 중립점 ]

 

 - 공력중심 :　A/C가 비행중 발생하는 공력적인 힘 즉, 양력, 항력, 피칭모멘트가 작용하는 중심이다.

 

              - 무게중심 : 항공기 무게의 중심

 

 - 중 립 점 : 조종간을 중립에 놓았을 때 받음각이 변하더라도 A/C 피칭 모멘트가 가장 적게 변하는 상태의 중심위치로, 공력중심과 비슷한 성질을 갖는다

 

   .세로 안정성에 영향을 미치는 요소

        1.중심(공력중심, 무게중심, 중립점)의 위치

        2.수령꼬리날개의 위치/크기

       3. 추력선의 위치 : 추력을 변화시킬 경우 하므로 Hz Stabilizer의 공기흐름에 영향을 미치므로 Hz Stabilizer를 추력선 약간 아래에 설계

 

 

o가로안정성( x 축 - Roll, Aileron, 종축)과 방향안정성

가로안정성

-정적 가로안정성 : 돌풍 등의 교란에 의해 항공기 경사각이 증가하였을 때 경사각을 감소시키려는 복원력이나 복원 모멘트가 발생하는 경향성

-동적 가로안정성 : 교란에 의해 생긴 진동(Rolling)이 시간이 지나감에 따라 감소하여 원 평형상태(수평)로 되돌아가고자 하는 경향성

 

       방향안정성 : yawing에 대한 항공기의 안정성을 방향 안정성

-정적 방향안정성 : 돌풍 등의 교란에 의해 항공기 옆 미끄럼각이 증가하였을 때 미끄럼각을 감소 시키려는 복원력이나 복원 모멘트가 발생하는 경향성

-정적 방향안정성 : 교란에 의해 생긴 진동(Yawing)이 시간이 지나감에 따라 감소하여 원 평형상태(수평)로 되돌아 가고자 하는 경향

상호효과 (Cross Effect):

             -가로안정 및 방향안정에 대한 문제는 독립적으로 일어나는 경우도 있으나 일반적으로 함께 수반되어 발생됨

             -A/C가 비행시 돌풍 등의 교란에 의해 yawing이 발생될 경우 그 각속도는 rolling 모멘트를 유발하게 되고, 역으로 Rolling이 발생하면 Yawing을 하게 되는 현상

             -특히, 상반각(Dihedral Angle)이 있는 날개를 가진 비행기의 경우 상호효과가 잘 일어남

             -이러한 이유에서 가로 안정성 및 방향 안정성에 대한 문제는 일반적으로 같이 파악하여야 한다

      .가로 안정성 향상 방법

-상반각(Dihedral) : 상반각은 Wing Tip을 Root보다 높게 쳐들도록 만든 것으로 특히 Low Wing 설계시 가로안정성을 향상하기 위해 사용됨

 1. 원리 : SIDE SLIP 작용시 양 날개의 양력 차이로 원래 상태로 복원하려는 Rolling Moment가 발생하는 원리를 이용

                 2. 그림 B와 같이 돌풍등의 원인으로 항공기가 기울어졌을 때, 양력은 날개에 수직으로 발생하므로 상반각에 의해서 좌우 날개는 각각 L, L'과 같이 양력차가 발생한다. 양력차에 의해 항공기를 다시 원평형 상태로 되돌리려는 복원 모멘트가 발생하고 항공기는 이 복원모멘트에 의해 다시 원 수평자세로 되돌아 오게 된다.

 

 

[ 상반각 효과 ]

 

 

              -고익 날개 : 무게 중심이 아래에 있으므로 안정적임

- Keel Effect : A/C가 돌풍 등과 같은 영향으로 기울어진 상태로 강하를 하게 될 경우 무게중심 위쪽의 동체 측면과 수직미익은 저항력을 유발하여(항력 발생) 무게중심을 기준으로 Rolling Moment를 생성시켜 수평상태로 되돌리는 현상

 

※ 비행기는 동체 측면과 수직미익(vertical fin)에 의해 근본적으로 가로안정성을 가지며, 그 효과는 동체측면과 수직미익의 면적에 비례한다

 

             [Keel Effect]

 

 

    o방향 안정성(Yaw) : A/C가 수직축(Z축)에 대해 안정된 상태를 유지하려는 경향성

    -방향안정성의 효과 요인

    -수직꼬리날개의 위치/크기 • 후퇴각

    -나셀-동체종축선으로부터의 위치→MOMENT 영향

    -CG 후방의 동체 측면 면적 • 추력-좌우 추력차

    -날개-유효면적의 차이 • DORSAL FIN

        .후퇴각 : YAWING이 발생하였을 때 앞쪽의 날개는 상대풍에 대한 날개 면적이 증가하고 항력이 증가하여 A/C 진행방향으로 돌아가려는 복원력이 생긴다. 단점으로 실속이 날개끝에서 오며(공기가 날깨 끝으로 흐르기 때문) Trailing Edge 조종면과 고양력 장치의 효율이 감소된다.

 

 

        .Dorsal Fin : A/C의 가로 안정성 및 방향 안정성을 증가시키기 위하여 수직미익의 면적을 크게 함으로써 안정성을 증가 가능

 

 

   .CG 후방의 커다란 동체 및 수직미익 :

                 1.측면에서 보았을 때 비행기는 동체 측면과 수직미익(vertical fin)이 큼으로 인하여 근본적으로 가로 안정성과 방향 안정성을 가짐

                 2.A/C는 동체측면의 면적이 CG를 기점으로 뒤쪽이 훨씬 크기 때문에 돌풍등의 영향으로 Yawing이 발생하였을 때 수직축을 중심으로 풍향계(weather cock)와 같은 현상에 의해 직진 비행상태로 회복된다

 

[ 무게중심 후부동체 ]                             [ 수직미익의 풍향계 효과 ]