이륙
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1. 개요
이륙은 항공기가 지면에서 벗어나 하늘로 날아오르는 과정을 의미하며, 다양한 방식이 존재한다. 일반적인 이륙 방식인 CTOL(Conventional Take-Off and Landing)은 활주로를 이용하여 속도를 얻어 이륙하며, VTOL(Vertical Take-Off and Landing)은 수직으로 이착륙하는 방식으로 헬리콥터, 틸트로터 항공기 등이 이에 해당한다. 이륙 시에는 V1, VR, V2와 같은 V-속도 개념이 사용되며, 항공기 중량, 활주로 길이 등 다양한 요인에 따라 이륙에 필요한 속도가 결정된다. 또한, 이륙 보조 시스템, 플랩, 슬랫, 택싱, 후류 등 다양한 관련 용어들이 존재한다.
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수직 이착륙기는 활주로 없이 엔진 힘으로 수직 이착륙하는 항공기로, 틸트로터, 틸트윙, 추력 편향, 리프트 엔진 등 다양한 방식이 있으며 군사적 필요와 무인 항공기 기술과 융합되어 발전하고 있다.
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2. 역사
항공기의 이륙 방식은 시대에 따라 발전해 왔다. 초기의 항공기는 짧은 활주로에서도 이륙할 수 있었지만, 항공기의 크기와 무게가 증가함에 따라 더 긴 활주로와 강력한 엔진이 필요하게 되었다. 한국은 한국전쟁 이후 항공 기술 발전에 주력하여, 현재는 세계적인 수준의 항공기 제조 기술을 보유하고 있다.
이륙 방식은 크게 활주로를 사용하는 일반적인 방식과 활주로 없이 수직으로 이륙하는 방식으로 나눌 수 있다.
3. 이륙 방식
3. 1. 일반적인 이륙 (CTOL)
대부분의 고정익 항공기는 활주로에서 속도를 높여 양력을 얻어 이륙한다. 이때 왕복 엔진, 터보 제트 엔진, 터보팬 엔진 등 다양한 엔진이 사용된다. 이륙 성능은 항공기의 익형이나 날개 면적, 기체 중량, 그리고 바람, 기온, 기압과 같은 외부 환경에 영향을 받는다. 날개 면적이 작을수록, 무게가 무거울수록 이륙 속도는 빨라진다.[1]
경량 항공기는 보통 이륙 시 최대 출력을 사용하지만, 대형 수송기(여객기)는 엔진 수명을 늘리고 유지 보수 비용을 줄이며 소음을 줄이기 위해 출력 감소 이륙을 사용하기도 한다.
고속 운항을 위해 설계된 제트 항공기와 같은 고정익 항공기는 이륙 시 낮은 속도에서 충분한 양력을 만들기 어렵다. 따라서 고양력 장치인 슬랫과 플랩을 사용하여 날개의 캠버와 면적을 늘려 저속에서 더 효과적으로 양력을 생성한다. 이 장치들은 이륙 전에 날개에서 펼쳐지고, 상승 중에는 접힌다.[1]
정비된 공항의 활주로 중심선에는 활주로 중심선 등이 매립되어 있어, 이륙 활주 시 항공기 흔들림의 원인이 되기도 한다. 숙련된 조종사는 일부러 활주로 중심선을 벗어나 라이트를 밟지 않도록 이륙 활주를 하여 흔들림을 줄이기도 하지만, 활주로 이탈 가능성 때문에 위험하다는 의견도 있다.[12]
고정익기의 이륙은 자동화되어 있지 않으며, 많은 조종사들이 이륙 조작에 큰 부담감을 느낀다고 한다. 이륙은 한 번 시작하면 이륙 결심 속도를 넘어서면 반드시 완료해야 하는, 다시 할 수 없는 조작이기 때문이다.[13]
3. 1. 1. 이륙 절차
항공기가 이륙 허가를 받으면 활주로에서 엔진 출력을 높여 가속한다. 조종사는 이륙 결심 속도(V1), 회전 속도(VR), 안전 이륙 속도(V2) 등 주요 속도를 확인하며 이륙 과정을 진행한다.[7]
경량 항공기는 일반적으로 이륙 시 최대 출력을 사용하지만, 대형 수송기(여객기)는 엔진 수명 연장, 유지 보수 비용 절감, 소음 감소를 위해 최대 출력보다 적은 출력을 적용하는 출력 감소 이륙을 사용할 수 있다.
이륙에 필요한 속도는 공기의 움직임과 관련이 있다(지시 대기 속도). 정면 풍은 날개 위로 더 많은 공기가 흐르므로 이륙에 필요한 지상 속도를 줄여준다. 제트 여객기의 일반적인 이륙 공기 속도는 240km/h 범위이다. 세스나 150과 같은 경비행기는 약 100km/h에서 이륙한다.
이륙 허가가 떨어진 경우, 활주로 끝에서 멈추지 않고 그대로 이륙하는 '''롤링 테이크오프'''와, 일단 정지한 후 어느 정도 엔진 출력을 낸 다음 브레이크를 풀고 이륙하는 '''스태틱 테이크오프'''(또는 '''스탠딩 테이크오프''') 경우가 있다.[8][9]
스로틀 레버를 조작하여 동력원을 정해진 이륙 추력까지 올리고, 기수 들기 속도(VR)까지 가속한다. 이때 양력 증가와 항력 증가의 균형에 따라 플랩(보조 날개)을 약간 내리고 있는 경우가 많다. 이륙 시에는 자동 조종 장치를 이용할 수 없지만, 추력을 자동 제어하는 오토스로틀을 이용하는 경우가 있다. 활주로 위에서 기어의 브레이크를 건 상태에서 조종사가 수동으로 엔진 추력을 올리고, 엔진 동작에 이상이 없는지 확인한 후, 브레이크를 해제하고 오토스로틀 스위치를 넣어 이륙 활주를 시작한다.[10]
V1을 넘으면 어떤 사태(엔진 편발 고장 등)라도 이륙 조작을 계속해야 한다.[11] VR을 넘으면 조종간을 당겨 기수를 올린다. 지면에서 떨어진 직후에 크게 기수를 올리면 실속의 원인이 되므로, 가속을 계속하여 상승 가능한 속도(V2)에 도달한 후 서서히 기수를 올려 상승으로 전환한다.
이륙 후에는 착륙 장치, 플랩은 항력 증가의 원인이 되므로, 정해진 타이밍에 집어넣는다. 또한, 방빙 장치 등 추력을 저하시키는 원인이 되는 것은, 가능하다면 꺼둔다.
3. 1. 2. 이륙 보조 시스템
일부 항공기는 자체 동력만으로는 이륙이 어렵기 때문에 보조 시스템의 도움을 받기도 한다. 항공기 무게가 일반적인 최대 이륙 중량을 초과하거나, 동력이 부족하거나, 사용 가능한 활주로 길이가 충분하지 않거나, 고온 고지대 비행장과 같은 경우, 또는 이 모든 요인이 복합적으로 작용하는 경우에 보조 이륙 시스템이 필요하다. 또한 엔진이 없어 자체 이륙이 불가능한 글라이더에도 보조 이륙이 필요하다.
3. 2. 수직 이착륙 (VTOL)
'''수직 이착륙'''('''VTOL''')은 헬리콥터처럼 수직으로 이착륙하거나 호버링(공중 정지)이 가능한 고정익 항공기 및 틸트로터와 같은 동력 회전익 항공기를 포함한다.[3][4][5][6] 일부 VTOL 항공기는 CTOL(일반 이착륙), STOL(단거리 이착륙), STOVL(단거리 이륙 및 수직 착륙) 등 다른 방식으로도 운용 가능하다. 다만, 착륙 장치가 없어 수평 이동이 불가능한 일부 헬리콥터는 VTOL로만 작동한다. VTOL은 V/STOL(수직 및/또는 단거리 이착륙)의 하위 집합이다.
군사용 VTOL 항공기는 크게 두 가지 유형으로 나뉜다. 하나는 벨 헬리콥터 텍스트론 보잉 V-22 오스프리처럼 틸트로터를 사용하는 방식이고, 다른 하나는 해리어 계열처럼 지향 제트 추력을 이용하는 방식이다.
대한민국은 VTOL 기술 개발에 적극 투자하고 있으며, 드론 택시와 같은 미래 항공 모빌리티 분야에서 VTOL 기술을 활용할 계획이다.
3. 2. 1. 로켓 발사
로켓 비행의 이륙 단계를 "로켓 발사"라고 부른다. 궤도 비행 또는 행성 간 우주로의 발사는 일반적으로 지상의 고정된 위치에서 이루어지지만, 산 마르코 플랫폼 또는 시 런치 발사선과 같은 부유 플랫폼에서도 발사될 수 있다.
4. 회전익 항공기의 이륙
회전익 항공기는 회전 날개를 이용하여 수직으로 상승할 수 있지만, 대부분의 경우 고정익 항공기처럼 활주로에서 저공 활공을 한 후 상승한다. 이는 헬리콥터가 상승을 위한 여유 동력을 충분히 가지고 있지 않고, 비행 회피 영역에 진입하지 않도록 제어해야 하기 때문이다.
먼저 지상에서 약간 부상한 후, 기체를 활주로 방향으로 전진시키고 가속하여 속도가 붙으면 기수를 들어 올려 상승하는 조작을 한다.
회전익 항공기가 상승할 수 있는 여유 동력은 호버링(공중 정지 상태)에서는 엔진의 실용 최대 출력의 몇 % 정도이다. 고도가 높거나 기온이 높을 때는 이 여유 동력이 거의 없어지게 된다. 반면에 이동 상태에서는 고정익 항공기처럼 이동 에너지를 고도로 변환할 수 있다. 지상 부근에서는 지면 효과로 인해 더 적은 에너지로 부상한 채 이동할 수 있기 때문에, 공항 부지의 가로 방향 넓이를 이용하여 나중에 상승 에너지로 전환하기 위한 가로 이동 에너지를 축적하는 것이 회전익 항공기의 이륙 조작이라고 할 수 있다. 조건에 따라서는 호버링이 불가능할 정도의 고지에 있는 공항에서도 이륙할 수 있는 경우가 있다.
5. 관련 용어
V-속도는 이륙과 관련된 여러 속도를 나타내는 용어이다. 주요 V-속도는 다음과 같다.
| 용어 | 설명 |
|---|---|
| V1 (이륙 결심 속도) | 조종사가 이륙을 계속할지 중단할지를 결정하는 속도. 이 속도를 초과하면 활주로 내에서 안전하게 정지하지 못하고 오버런할 위험이 있다. 따라서 V1을 넘어서면 기체에 어떠한 고장(엔진 한쪽 정지 등)이 발생하더라도 기본적으로 이륙을 계속해야 한다.[7] V1은 활주로 길이, 기체 중량, 기온, 기압 등 다양한 요인을 바탕으로 결정된다.[7] |
| VR (회전 속도, 기수 들기 속도) | 이륙을 위해 기수를 들어 올리기 시작하는 속도. 조종사는 지시 대기 속도가 VR에 도달했음을 확인한 후 조종간을 당겨 기수 들기 조작을 시작한다.[7] |
| V2 (안전 이륙 속도) | 지표면에서 이륙한 항공기가 안전하게 상승을 지속할 수 있는 속도. 활주로 상공 35ft 위치에서 도달해야 하는 속도이며, 기체의 실속 속도나 이륙 후의 상승 경사, 1개의 엔진 정지 시에도 안전하게 상승할 수 있는지 등 다양한 조건을 고려하여 결정된다.[7] |
이 외에도 다음과 같은 용어들이 사용된다.
- '''플랩(Flap)''': 날개 뒷부분에 장착되어 양력을 증가시키는 장치이다. 이륙 시에는 양력 증가와 항력 증가의 균형에 따라 플랩을 약간 내리는 경우가 많다.
- '''슬랫(Slat)''': 날개 앞부분에 장착되어 양력을 증가시키는 장치이다.
- '''택싱(Taxiing)''': 항공기가 지상에서 이동하는 것을 말한다. 고정익기는 지상 활주를 통해 이동하며, 비행에 사용하는 동력(왕복 엔진이나 제트 엔진 등)을 택싱에도 사용한다.
- '''인터섹션 출발(Intersection Departure)''': 활주로 중간에서 활주로에 진입하여 이륙하는 방식이다. 이동 시간이나 연료 절약을 위해, 또는 교통 정리를 위해 사용된다. 도쿄 국제공항이나 존 F. 케네디 국제공항 등에서 교차하는 여러 활주로를 동시에 이착륙에 사용하는 경우에도 인터섹션 출발을 해야 한다.
- '''롤링 테이크오프(Rolling Takeoff)''': 활주로 끝에서 멈추지 않고 그대로 이륙하는 방식이다. 소음 문제를 고려해야 하는 공항에서 사용된다.[9]
- '''스태틱 테이크오프(Static Takeoff)''' 또는 '''스탠딩 테이크오프(Standing Takeoff)''': 활주로 끝에서 정지 후 엔진 출력을 어느 정도 낸 다음 브레이크를 풀고 이륙하는 방식이다. 혼잡한 공항에서는 앞서 이륙한 항공기의 후류가 안정될 때까지 기다려야 하므로 스태틱 테이크오프를 하는 경우가 많다.[8]
- '''후류(Wake Turbulence)''': 항공기 날개 끝에서 발생하는 소용돌이 기류이다.
참조
[1]
웹사이트
Airliner Takeoff Speeds
http://www.aerospace[...]
Aerospace Web
2002-08-04
[2]
간행물
Artefakte des Fanatismus; Technik und nationalsozialistische Ideologie in der Endphase des Dritten Reiches
https://www.wissensc[...]
2020-04-13
[3]
서적
Vertical Takeoff & Landing Aircraft
The MacMillan Company
1962
[4]
문서
Rogers 1989
[5]
논문
Vertical Take-Off and Landing (VTOL) Aircraft
1963-03-25
[6]
서적
Straight Up - A History of Vertical Flight
Schiffer Publishing
2000
[7]
웹사이트
V1、VR、V2とは？ - Skyart JAPAN
https://skyart-japan[...]
2020-01-19
[8]
서적
図解・旅客機運航のメカニズム―航空機オペレーション入門
講談社
2010
[9]
웹사이트
大阪国際空港
http://www.aerc.jp/i[...]
航空環境研究センター
2013-09-23
[10]
문서
TO/GAスイッチ
[11]
문서
機体によっては、オートスロットルが作動している状態でも、手動でスラストレバーに力を加えれば、オートスロットルが解除されるものもある。
[12]
서적
世界一のココロの翼を目指した“名物機長"のホスピタリティ―いつも笑顔で目指そう!完璧!感動!感謝!
ごま書房新社
2013
[13]
서적
機長からアナウンス
新潮社
2004
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