안정성 완화

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1. 개요
2. 초기 항공기의 안정성 개념
3. 날개 수직 위치와 롤 안정성
4. 불안정 항공기
5. 의도적 불안정성
6. 능동 제어 기술 (ACT)
- 6.1. ACT의 적용 사례
참조

1. 개요

안정성 완화는 항공기의 설계 기법으로, 항공기의 안정성을 의도적으로 줄여 기동성을 향상시키는 것을 의미한다. 초기 항공기 설계는 내재적 안정성에 중점을 두어 외부 교란 없이도 수평을 유지하는 능력을 확보하려 했으나, 라이트 형제는 불안정한 날개를 사용하여 조종성을 향상시켰다. 이후 비행 제어 기술 발전과 함께 플라이 바이 와이어 기술이 실용화되면서, 항공기의 안정성을 능동적으로 제어하는 기술(ACT)이 등장했다. ACT는 항공기의 기동성을 향상시키기 위해 사용되며, 정적 안정성 완화, 직접력 제어, 기동 하중 제어, 플러터 모드 제어 등의 기술을 포함한다.

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공기역학 - 항력
항력은 유체 내에서 움직이는 물체에 작용하여 물체의 운동을 방해하는 유체 저항력이며, 유체의 밀도, 물체의 속도, 기준 면적, 항력 계수 등에 의해 결정된다.
공기역학 - 추력
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안정성 완화
개요
유형	항공기
특징	저안정성 또는 무안정성
제어 방식	플라이 바이 와이어 시스템
기술적 특징
안정성 감소	항공기의 정적 안정성을 감소시켜 기동성 향상
제어 시스템	복잡한 플라이 바이 와이어 시스템을 통해 안정성 유지
반응성	조종에 대한 빠른 반응
기동성	높은 기동성과 우수한 회전 능력
역사 및 개발
초기 연구	1970년대부터 연구 시작
명칭	CCV (Control Configured Vehicle, 능동 제어 형상기)라고도 불림
장점 및 단점
장점	향상된 기동성 공기역학적 효율성 증가
단점	복잡한 제어 시스템 필요 높은 개발 및 유지보수 비용 플라이 바이 와이어 시스템에 대한 의존성 증가
활용 분야
군용 항공기	전투기의 기동성 향상
민간 항공기	연비 향상 및 승차감 개선
무인 항공기 (UAV)	다양한 임무 수행 능력 향상

2. 초기 항공기의 안정성 개념

초기 항공기 설계는 대부분 '내재적 안정성'에 중점을 두었다. 이는 항공기가 외부 교란 없이도 자동적으로 수평(횡) 위치를 유지하는 능력을 의미한다. 랭글리, 샤누트 등 초기 항공 연구자들은 하그레이브 셀룰러 날개(수직 패널을 포함한 상자 연 구조의 날개)와 강한 다이히드럴 날개를 사용하여 내재적 안정성을 확보하려 했다.^[5] 이들은 조종사가 항공기 롤을 제어하는 수단을 포함하지 않고, 엘리베이터와 방향타만 제어할 수 있도록 설계했다. 그 결과, 롤링 없이 항공기를 회전시키기 어려웠고, 측풍의 영향을 많이 받았다.^[5]

라이트 형제는 1903년 최초의 동력 비행기를 본질적으로 불안정한 안테히드럴(처진) 날개로 설계했다. 이는 조종사가 횡 방향 롤을 제어하고, 비행기가 새나 자전거처럼 회전하거나 "기울" 수 있게 하는 방법이었다. 1908년 8월 윌버 라이트가 유럽의 비행가들에게 엘리베이터, 방향타 및 롤 제어를 협조적으로 사용하는 것의 중요성을 시연하기 전까지 유럽에서는 널리 알려지지 않았다.

3. 날개 수직 위치와 롤 안정성

날개의 수직 위치는 항공기의 롤 안정성에 큰 영향을 미친다.

"고익"(High-wing) 위치(예: 동체 상단에 위치)를 가진 항공기는 롤 안정성이 더 높다. 예를 들어, 세스나 152가 있다.
"저익"(Low-wing) 위치(예: 동체 아래)를 가진 항공기는 롤 안정성이 덜하다. 파이퍼 파니는 "저익"을 사용한다.

4. 불안정 항공기

현대 군용 항공기, 특히 저피탐(스텔스) 설계는 형태 때문에 불안정성을 보이는 경우가 많다. 예를 들어, 록히드 마틴 F-117 나이트호크는 레이더 반사 단면적을 줄이고 비교적 안전하게 대공 방어망을 통과하기 위해 매우 비전통적인 동체와 날개 형태를 사용한다. 그러나 이 설계의 평평한 면은 안정성을 감소시켜 컴퓨터화된 플라이 바이 와이어 시스템이 필요하게 된다.^[3]

완화된 안정성 설계는 군용 제트기에만 국한되지 않는다. 맥도넬 더글러스 MD-11은 연료 절약을 위해 구현된 중립적인 안정성 설계를 가지고 있다. 안전한 비행을 위해 MD-11의 다소 짧은 수평 안정판을 보완하고 항공기의 안정성을 유지하기 위해 LSAS(종방향 안정성 보강 시스템)가 도입되었다.^[4] 그러나 MD-11의 완화된 안정성이 "비행 중 사고"를 유발한 사고가 있었다.^[5]

5. 의도적 불안정성

많은 현대 전투기들은 기동성 향상을 위해 안정성을 줄이는 설계를 하는 경우가 많다. 안정성이 높을수록 제어면 제어 능력이 낮아지므로, 안정성이 낮은 설계일수록 제어 입력에 대한 반응 속도가 빨라진다. 이러한 특성은 전투기 설계에서 매우 중요하게 여겨진다.

안정성이 낮은 항공기는 기동을 시작하기 위해 더 작은 제어 편향이 필요하므로, 항력과 제어면에 가해지는 응력이 감소하고 항공기의 반응성이 향상된다. 이러한 특성 때문에 조종사가 제어하기 어렵거나 불가능할 수 있으므로, 일반적으로 플라이 바이 와이어 제어 시스템의 일부로 컴퓨터, 서보, 센서 등을 사용하여 인공적인 안정성을 부여한다.

6. 능동 제어 기술 (ACT)

1903년 라이트 형제의 동력 비행 이후 항공기 제어 기술은 꾸준히 발전해왔다. 특히 항공 공학 분야에서 주목받는 능동 제어 기술(Active Control Technology, ACT)은 증기 기관의 거버너에 사용된 이후 여러 공학 분야에 도입되었으며, 항공 분야에서는 전체 시스템 효율을 높이는 제어 방법으로 해석된다. ACT는 기존의 공기역학, 엔진, 구조 등의 요소를 비행 제어 시스템과 통합하여 항공기의 운용 목적을 효율적으로 달성하는 기술이다.

미국은 1950년대와 1960년대 머큐리 계획 및 제미니 계획을 통해 플라이 바이 와이어(FBW) 기술을 실용화했다. 이후 1970년대에 각국에서 FBW 기술을 항공기에 도입함과 동시에 ACT를 적용한 CCV 연구 및 실험을 통해 기술 개발이 이루어졌다.

ACT와 CCV, FBW는 종종 동일시되지만, 모든 ACT가 FBW는 아니다. 예를 들어 기계적 피드백 장치로 구성된 수동 직접 양력 제어(DLC) 방식은 ACT 기능을 갖지만 FBW는 아니다.

6. 1. ACT의 적용 사례

기존 항공기는 보조익, 승강타, 방향타의 3개 방향타로 x축, y축, z축 회전 운동(롤링, 피칭, 요잉)을 제어하고, 엔진 추력 조정이나 저항 증감을 더해 4자유도로 비행했다. 상하 및 좌우 이동은 회전으로 간접 제어되었다. 반면 ACT 적용 CCV는 y축, z축 방향 운동을 추가, 6자유도 운동을 독립적으로 제어하여 기존 항공기에서 불가능했던 새로운 움직임을 실현했다^[2]。

ACT 적용 사례는 다음과 같다^[2]。

6. 1. 1. 정적 안정성 완화 (RSS)

기존 항공기는 모든 비행 영역에서 정적 안정성이 플러스가 되도록 무게 중심이 풍압 중심보다 전방에 위치하도록 설계되어 있다. 그러나 이로 인해 균형 비행 상태에서 수평 꼬리 날개가 음의 양력을 발생시켜 낭비될 뿐만 아니라, 충분한 안정성을 확보하려 할 경우 꼬리 날개 면적이 커져 구조 중량 및 저항이 커진다.

이에 반해, 정적 안정성 완화(RSS) 특성을 갖춘 항공기에서는 무게 중심 위치를 후퇴시켜 정적 안정성을 작게 하거나, 혹은 음의 정적 안정성을 취하여 불안정하게 한다. 부족한 안정성은 제어를 통해 보상한다. 이와 같이 함으로써 수평 꼬리 날개를 작게 할 수 있으며, 구조 중량 및 저항을 감소시킬 수 있다. 또한 군용기의 경우 운동성 향상도 기대할 수 있다.

6. 1. 2. 직접력 제어 (DFC)

기존 항공기는 3개의 방향타를 사용하여 기체 자세를 변경함으로써 비행 경로를 변경했기 때문에, 기체 자세 제어와 비행 경로 제어를 분리할 수 없었다. 이에 반해 CCV(Control Configured Vehicle: 제어 구성 항공기)에서는 새로운 방향타를 갖추거나 플랩과 병용함으로써 기체 자세와 비행 경로를 분리한 비행 방식이 가능하게 된다^[1]。 하지만 CCV 초창기에는 새로운 방향타에 의한 다양한 DFC(Direct Force Control: 직접력 제어) 방식이 시도되었지만, 조종사가 모두 다루기 어렵다는 등 실용성이 부족한 부분이 있어, 실제 항공기에서는 가능한 범위 내에서 점진적으로 도입하는 방향으로 진행되고 있다^[2]。

직접 양력 제어(DLC) - 승강타와 플랩(플래퍼론)을 이용하여, 받음각을 변경하지 않고 양력을 증가시킬 수 있으며, 부드러운 착륙을 할 수 있다^[1]。
직접 응력 제어(DSC) - 수직 카나드를 이용하여, 롤링 없이 수평 선회를 할 수 있다^[1]。
상하·좌우 회전 제어 - 비행 경로를 변경하지 않고 자세각이나 방위각을 변경한다^[1]。
상하 천이 제어 - 피치 자세를 일정하게 유지하면서 받음각(상하 각도)을 변경한다^[1]。
좌우 천이 제어 - 기수 방위를 일정하게 유지하면서 기체를 좌우로 이동시킨다^[1]。

6. 1. 3. 기동 하중 제어 (MLC)

기동 시 주 날개에 균일하고 큰 하중이 가해지면 날개 뿌리에는 과도한 굽힘 모멘트가 발생한다. 기동 하중 제어(MLC)는 이를 방지하기 위해 보조 날개를 사용하여 날개 끝 부분에서 발생하는 양력을 줄이고 동체 부근에서 양력을 증가시키는 것이다.^[1]

이로 인해, 전투기는 기동 시 저항을 감소시켜 조종성을 향상시킬 수 있으며, 여객기는 구조 피로를 감소시켜 기체 수명을 연장할 수 있다.^[2] B-52 CCV의 비행 시험에서는 1G 기동 시 주 날개 뿌리의 굽힘 모멘트를 40% 경감할 수 있었다고 보고되었다.^[1]

6. 1. 4. 플러터 모드 제어 (FMC)

고속 비행 시 발생하는 플러터 현상은 기체 구조에 중대한 영향을 미치므로, 비행 속도는 이것이 발생하는 속도 이하로 제한된다. 이에 반해, 주익에 가속도계를 장착하여 날개의 비틀림 진동을 감지하고, 보조 날개를 적절하게 구동하여 플러터 감소의 댐핑을 강화하는 것이 플러터 모드 제어(FMC, Flutter Mode Control)이다^[1].

이를 통해 플러터 발생을 늦춰 최대 비행 속도를 크게 할 수 있다. 예를 들어 YF-16에서는 FMC에 의해 플러터의 한계 속도가 20% 증가했다^[2].

참조

_[1] 논문 Simulator study of stall/post-stall characteristics of a fighter airplane with relaxed longitudinal static stability. NASA Technical Paper 1538 https://ntrs.nasa.go[...] NASA 1979-12-01
_[2] 논문 Landing approach handling qualities of transport aircraft with relaxed static stability https://arc.aiaa.org[...] 1986-10
_[3] 서적 Airplane stability and control: a history of the technologies that made aviation possible https://books.google[...] Cambridge Univ. Press
_[4] 논문 The Effect of High Altitude and Center of Gravity on The Handling Characteristics of Swept-wing Commercial Airplanes https://www.boeing.c[...] Boeing
_[5] 뉴스 FedEx Jet Has Control Issues https://www.wsj.com/[...] 2009-03-24
_[6] 서적 Contact!: the story of the early aviators https://books.google[...] Dover Publications
_[7] 서적 Eccentric France: the Bradt guide to mad, magical and marvellous France https://archive.org/[...] Bradt Travel Guides
_[8] 저널 Simulator study of stall/post-stall characteristics of a fighter airplane with relaxed longitudinal static stability. NASA Technical Paper 1538 https://ntrs.nasa.go[...] NASA 1979-12-01
_[9] 저널 Landing approach handling qualities of transport aircraft with relaxed static stability https://arc.aiaa.org[...] 1986-10

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