비행기 속도
비행 속도 (flying speed)
비행기가 운항하면 일련의 과정을 거치게 된다. 정지 상태에서 가속, 이륙, 상승, 순항 하강, 착륙으로 각 비행 단계를 거쳐 정지 상태로 돌아가는 한 싸이클의 작업이다. 이런 과정에서 비행기의 속도 또한 다양하게 제로에서부터 음속의 70∼90%정도의 넓은 범위에 걸쳐 변화되지만, 비행기 속도의 범위에 따라서 단위를 적절하게 구분하여 사용한다.
항공기에서 사용하는 속도는 크게 두 가지가 있는데, 대기속도(Air Speed)와 다른 하나는 지상속도(Ground Speed)가 있다.
속도가 빠르지 않은 비행기 속도의 단위는 해리(nautical mile) 단위로 노트 (knot)가 사용된다. 비행기 속도가 음속에 근접하게 되면 음속(공기의 압축성)에서 발생하는 다양한 비행 장애를 고려해야하기 때문에, 비행기의 속도와 음속과의 관계를 알기 위해서 속도 단위로 마하수(Mach number)도 사용된다.
비행기의 속도는 연료소비와 항속 시간, 항속 거리에 영향을 주기 때문에 최소 연료소비로 최대 비행시간을 제공 하여 최대 항속 거리를 비행하기 위해서는, 최소 속도 보다는 빠른 속도로 비행해야 한다. 속도가 증가하면 항력도 증가하게 되지만, 속도가 더 중요한 영향력을 가지기 때문에 더 먼 거리를 갈 수 있다. 항공기 성능과 운항에 관련된 비행속도는 여려가지가 있다.
최소속도 (minimum speed)
수평비행을 할 수 있는 최소의 속도를 말한다. 이륙한 항공기가 일정한 속도를 유지하며 공중에서 정상수평비행(Steady Level Flight)하기 위해서는 비행기자체 무게(weight)로 인한 중력을 공중에 떠있을 수 있는 만큼의 양력(Lift)이 있으면 된다. 즉 무게와 양력이 평형이 되었을 때 비행기는 떠있을 수 있게 된다. 중력(W) = 양력(L)
양력은 날개를 가진 비행기의 날개 단면형상(Airfoil)에 의해 공기 속을 진행하면 발생된다.
날개에 양력을 발생시키기 위해서는 어떤 속도로 공기 속을 진행하게 되는데, 이 진행에 필요한 동력을 추력이라 한다. 양력을 발생시키기 위한 이용추력(power available)으로 진행하면 날개 및 비행기 전체에 공기저항(항력)이 작용한다. 이 항력(Drag)을 이겨내기 위한 필요추력(thrust required)은 최소항력 값만 얻으면 된다. 추력(T) = 항력(D)
중력(W)=양력(L) 추력(T) = 항력(D)
실속(stall)보다 약간 빠른 속도면 수평비행을 계속할 수 있는 최소의 속도로, 이것이 그 상태에 있어서의 최소속도(minimum speed)가 된다. 실속은 속도를 잃는 현상이 아니라 양력을 잃는 현상이며, 실속의 결과로 항력이 엄청 커져서 비행속도도 잃는 것이다. 통상 운용에서는 안정성을 위해 이 속도 보다 이상의 속도로 비행한다.
최대속도(maximum speed)
수평비행으로 도달할 수 있는 최대의 속도를 말한다.
비행기가 수평정상비행(Steady Level Flight)을 하기 위해서는 이용추진력(동력)과 항력을 이겨내기 위한 필요추력(thrust required)이 서로 평형을 이루어야 한다. 필요 추진력(항력을 이기위한 추력)은 속도가 증가함에 따라서 커지므로, 최대 속도로 수평정상비행을 하기 위해서는 엔진의 추진력(이용 추진력)을 증가시키지 않으면 안 된다. 그런데, 엔진이 발휘할 수 있는 추진력에는 한계가 있어서, 그 이상의 추진력을 얻을 수는 없기 때문에, 엔진 추진력과 필요 추진력이 맞을 때의 속도가 수평비행으로 도달할 수 있는 최대의 속도라고 하게 되고 이것이 그 상태에서 최대속도가 된다. 수평비행에서 최대속도를 요구할 때는, 최대순항추력(MCT, maximum cruise thrust)이 사용된다.
최대운용 한계속도 (VMO:maximum operating limitation speed)
항공기를 운용할 때의 한계속도로, 통상의 운용에서는 이 속도를 초과해서는 안 되는 것으로 규정되어 있다. 제트기의 경우, 이 속도는 대기 속도와 마하수(Mach number)로 나타내진다. 대기속도는 기체구조의 안전상, 마하수(Mach number)는 조종성 확보 각각 목적으로 각각 정해져 있다. 따라서 이 속도는 공기밀도가 큰 저고도에서는 지시 대기속도에 의해, 고고도에서는 마하수(Mach number)에 의해 제한된다. 최대운용 한계속도는 VMO, 최대운용 한계 마하수(Mach number) MMO라고 불리며, 파일럿이 무의식적으로 이 속도를 초과하지 않도록 속도계에 표시되는 동시에, 소리에 의한 속도초과 경보장치가 마련되어 있다.
대지 속도 (ground speed)
지면에 대한 물체의 속도이며, 단위 시간당 항공기가 이동한 거리로 일반적인 속도 단위이다. 지상에서 기차나 자동차가 주행할 때 속도계에 표시되는 이유는 지상에서 km/h로 진행하고 있는가를 알기위한 값이다. 이 표시되는 값이 대지 속도다. 기차에서 사람이 달릴 경우 사람의 달리기 속도에 열차 주행 속도를 더한 것이 사람의 대지 속도가 된다.
항공기가 대기 중을 비행할 때, 기체는 지면에서 떨어져서 진행하고 있기 때문에, 지면 위를 몇km/h로 나아가고 있는지 알기 어렵다.
따라서 비행기의 속도계는 일반적으로, 공기에 대한 상대속도를 표시한다. 대지속도는 바람이 있을 때 비행방향과 풍향에 따라 그 속도가 변화하므로 상대속도라고도 한다.
진대기속도 100으로 비행중의 기체가 역풍(맞바람) 10을 받으면 대지속도는 90이 되고, 반대로 순풍 10을 받으면 대지속도는 110이 된다. 무풍일 때는 대지속도와 대기속도는 같다.
물 위에서도 마찬가지로 흐름이 없는 호수라면 상관없으나, 똑 같은 힘으로 물이 흐르는 강에서 상류로 거슬러 올라 갈 때와 하류로 내려갈 때의 대지속도가 다른 이치와 같다.
비행기에 있어서 대지속도는 페이로드(payload)의 산출 시나 참고로 하는 것 이외는 그다지 중요한 숫자가 아니다. 비행기가 하늘을 나는 데 필요한 속도는 대기속도다. 따라서 매우 높은 대기속도가 있으면, 대지속도가 그다지 없어도 비행기는 공중에 떠 있을 수 있다.
예를 들면 세스나 Skyhawk의 경우, 풍속이 활주로와 평행하게 50km/h (13.89m/s)정도 있으면 대지속도 제로에서 착륙(수직착륙과 유사)이 가능하다. 그러나 풍속 50km/h라고 하면 태풍수준이다.
대지속도의 측정 방법은 주로는 진대기속도를 바람의 영향을 고려해서 수정하여 산출한다. 최근에서는 도플러 레이더나 GPS도 함께 사용하여 보다 정확한 대지 속도를 측정할 수 있도록 되어 있다.
대기속도 (airspeed)
항공기와 대기와의 상대속도로 대지속도와 구별하기 위해서 이용할 수 있다.
항공기의 비행속도이기는 하나 대지(對地)속도와는 달리 지상의 비행거리에 관계없이 항공기의 주변을 스쳐 지나가는 공기의 속도이며 항공기에 부딪히는 공기의 동압(Dynamic Pressure)으로 측정되기 때문에 공기의 상태에 따라 영향을 받는다. 지시 대기속도(IAS), 보정대기속도(CAS), 등가대기속도(EAS), 진대기속도(TAS)등이 있어 대기속도는 그 총칭이다
1.지시 대기속도(IAS: indicated airspeed)
가장 일반적으로 피토 정압식 속도계의 눈금을 읽어낸 속도로 피토관 설치 위치오차, 계기오차 및 기체자세의 변화에 의해 생기는 속도 오차는 수정되지 않은 값이다. 이 속도는 공기와 공기 밀도의 변화에 변하지 않는다. 지시속도는 항공기의 성능을 결정하는 기본 단위로 사용되고, 일반의 비행 조작에 이착륙 속도, 최대속도, 상승속도, 순항속도, 실속속도가 지시속도를 기준으로 표시되어 이용된다. 이 속도는 항공기에 설치된 대기속도계의 지시를 그대로 나타낸 대기속도로 오차를 수정하기 전의 속도이므로 항법이나 기체구조의 강도계산 등에는 사용하지 않는다.
2.보정대기속도(CAS: calibrated airspeed) 수정, 교정대기속도
지시 대기속도(IAS)의 대기 속도계통의 오차(플랩이나 착륙장치의 올리고 내림, 중량에 의한 기체의 자세 등의 설치위치 오차, 계기오차)를 보정한 속도이지만 오차를 완벽하게 수정한 값은 아니다. 다만 기술적으로 최대한 수정한 값으로 순항속도에서 오차값이 최소화가 되어 정확한 속도값이 된다. 이 속도는 주로 성능표시에 사용되어 비행 규정(airplne flight manual)에 있어서 최소속도의 규정(이륙 및 착륙 속도)에 이용 된다.
3.등가대기속도(EAS: equivalent airspeed)
등가대기속도(EAS)는 보정대기속도(CAS)에 비행하고 있는 위치의 고도, 비행 속도에 대한 공기의 단열 압축성 흐름을 해면상 표준상태의 속도에 환산하여 수정한 수정 속도이다.
비행기의 비행 고도와 속도가 낮을 경우는 압축성의 영향은 무시할 수 있지만, 고도 2만ft이상, 지시대기속도 180knot 이상의 속도에서는 항공기 전면의 공기는 압축되는 현상이 발생하게 된다. 이 압축성공기는 비정상적으로 높은 지시대기속도를 나타내게 되므로 등가대기속도는 보정대기속도 보다 낮게 된다. 이와 같은 압축성 공기에 의한 오차는 기체 구조의 강도에 영향을 주므로 항공기 조종사에게 가장 중요하며 비행 컴퓨터에 의해 자동적으로 수정되게 되어 보정대기속도(CAS)=등가대기속도(EAS)가 된다.
또 해면상 표준대기상태에서는 CAS=EAS=TAS가 된다. 이 속도에 동압이 관련되므로 설계나 기체구조의 강도계산에 이용되는 설계 대기속도이다.
4.진대기속도(TAS: true airspeed)
진대기속도는 항공기가 공기 속을 지나가는 실제속도이다.
공기의 밀도에 따라 달라지는 계기지시속도(IAS)를 보정한 것이 진대기속도(TAS)이며 대기의 압력, 기온의 변화에 따라 보정대기속도(CAS)에 공기밀도비의 수정한 속도다. 대기와의 상대속도로 특정고도에서의 공기밀도비의 역수인 제곱근(n√a)을 곱하여 공기밀도에 대한 오차를 수정한 등가 대기속도(EAS)로 해면상에서의 공기 밀도비가 1.0이므로 진대기속도가 등가 대기속도(EAS)이다. 운항컴퓨터와 같은 장비를 이용하지 않으면 운항 중 조종사가 직접 계산할 수 있는 속도는 아니다.
저속기로 압축성의 영향이 무시할 수 있을 경우, CAS(보정대기속도)에 공기밀도비의 수정을 더해서 얻을 수 있다. 이 속도는 고도, 기온변화에 따라 변하기 때문에 항공기의 항법에 활용된다.
속도계 (speed indicator)
항공기의 속도에는, 대기 속도(대기에 대한 속도)와 대지속도(지표에 대한 속도)이 있지만, 이것 외에도 마하수(Mach number, 대기속도와 음속과의 비교)도 속도를 나타내기 위해서 이용할 수 있다. 대기속도를 지시하는 계기로서는 지시대기 속도계(IAS indicator)와 진대기속도계(TAS indicator)가 있고, 마하수(Mach number)를 지시하는 계기로서 마하계 (Mach indicator)가 있다. 대지속도는 이전에는 도플러 레이더에 의해 알 수 있었지만, 현재는 관성항법장치(INS)에 의해 매우 정확한 대지속도를 얻을 수 있다.
속도계 표시(air speed marking)
항공기 속도계는 운용 범위에 따라 조종사가 쉽게 식별할 수 있게 여러 가지 색으로
구분하여 표시해 놓았다.
• 흰색 원호(white arc) : 플랩의 작동 범위
• 흰색 원호 하단 : 플랩을 내리고 착륙기어를 내린 상태에서의 실속속도 (Vso)
• 흰색 원호 상단 : 플랩을 내렸을 때 운용 가능 최대 속도 (Vfe)
• 녹색 원호(green arc) : 정상 운용 범위
• 녹색 원호 하단 : 플랩과 착륙 기어를 올린 상태에서의 실속 속도 (Vno)
• 녹색 원호 상단 : 최대 순항 속도 (Vnd)
• 황색 원호 (yellow arc) : 주의 범위
• 적색 원호 (red arc) : 초과 금지 속도
(1)지시대기 속도계(IAS indicator: indicated air speed indicator)
일반적으로 속도계라고 하면 대기 속도계를 말한다. 비행중의 외기의 밀도가 일정하다고 가정하면, 기류로 받는 동압은 유속 (즉 항공기가 대기 속도)의 제곱에 비례하므로, 피토 정압관을 이용해서 동압을 검출하는 것에 의해 대기속도를 알 수 있다.
피토관에서 검출하는 전압(동압+정압)과 정압공(孔)이 검출하는 정압은 계기내부의 다이어프램(diaphragm)의 안쪽과 외측에 전해진다. 다이어프램(diaphragm)은 전압과 정압의 차이(동압)에 의해 신축한다. 즉 동압의 변화를 나타내므로, 이것을 기계적으로 지침 혹은 컴퓨터에 전달하는 것에 의해 대기속도를 지시한다.
(2)진대기속도계(TAS indicator:true air speed indicator)
지시 대기 속도계는 피토 정압관의 설치 위치, 기속에 따른 대기의 압축성, 대기의 밀도 등에 의해 오차를 생기게 한다. 따라서 항법상 중요한 진대기속도를 얻기 위해서는 오차보정을 할 필요가 있다. 진대기속도는 마하수(Mach number)와 음속(외기온도로부터 계산된다)을 곱한 것이기 때문에 이것을 컴퓨터로 계산하고, 진대기속도계에 지시된다.
(3)마하계 (Mach indicator)
마하수(Mach number)는 동압과 정압의 함수로서 나타낼 수 있으므로, 피토 정압관으로부터의 동압과 정압에 의해 기계적으로 마하수(Mach number)를 산출, 표시시킬 수 있다. 현재에서는, 에어·데이터·컴퓨터로 마하수(Mach number)를 계산하고, 컴퓨터로부터의 전기신호에 의해 마하계를 구동하는 방법이 잡아져, 기계식의 물건에 비해, 보다 정확한 마하수(Mach number)를 얻을 수 있다. 한편, 마하계는 대기 속도계에 갖추어져 있는 것이 많다.
