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승강키

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목차

1. 개요

승강키는 항공기의 상하 운동을 제어하는 장치로, 수평 안정판 뒷부분에 위치하여 수평 안정판의 하향력을 조절하여 작동한다. 승강키를 올리면 기수가 상승하고, 내리면 하강하며, 조종간 조작에 따라 움직인다. 저속 항공기에는 트림 탭이, 초음속 항공기에는 스타빌레이터가 사용되며, 델타익 항공기에서는 엘레본이 승강키 역할을 한다. 일부 항공기에서는 수평미익 전체가 움직이는 전유동식(스타빌레이터)이나, 러더베이터와 같은 다양한 형태의 승강키가 사용된다. 최근에는 유연 날개나 유체 공학을 이용한 승강키 연구 개발이 진행 중이다.

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승강키
개요
항공기 꼬리 부분의 승강타
항공기 꼬리 부분의 승강타
종류항공기 조종면
역할항공기의 세로축(피치) 제어
상세 정보
위치보통 항공기 꼬리 날개에 위치
작동 방식조종석에서 조종간을 앞뒤로 움직여 승강타 각도를 조절, 기수를 올리거나 내림
다른 조종면과의 관계방향타: 항공기의 가로축(요) 제어
에일러론: 항공기의 세로축(롤) 제어
중요성항공기의 안정적인 비행 유지에 필수적
이착륙 시 중요한 역할 수행
주의사항과도한 조작은 실속을 유발할 수 있음
작동 원리
공기 흐름 변화승강타 각도 변화는 꼬리 날개 주변의 공기 흐름을 변화시켜 양력 발생
모멘트 생성꼬리 날개에서 발생한 양력은 항공기 무게 중심을 기준으로 모멘트를 생성, 기수를 움직임
피치 조절승강타를 위로 올리면 기수가 올라가고, 아래로 내리면 기수가 내려감
종류
전통적인 승강타꼬리 날개 뒤쪽에 위치한 분리된 표면
전동식 승강타 (Elevon)델타익 항공기에서 에일러론과 승강타의 기능을 결합한 형태
안정판 전체 승강타 (All-moving tailplane)꼬리 날개 전체가 움직여 피치를 제어하는 방식
관련 용어
피치 (Pitch)항공기의 기수가 위아래로 움직이는 각도
안정성 (Stability)항공기가 외부 요인에 의해 자세가 흐트러졌을 때 원래 상태로 돌아오려는 성질
조종성 (Controllability)조종사가 항공기를 원하는 대로 조작할 수 있는 정도
참고 사항
항공기 설계승강타의 크기와 형태는 항공기 설계에 따라 달라짐
자동 조종 장치현대 항공기에는 자동 조종 장치가 승강타를 자동으로 제어하는 기능이 포함됨

2. 작동 원리

승강키는 항공기의 수평 안정판 뒷부분에 위치하여 상하 운동을 제어하는 장치이다. 수평 안정판은 날개 양력에 의해 발생하는 기수 하강 모멘트를 상쇄하는 하향력을 생성하며, 이는 항공기의 무게 중심 후방에 위치한 날개 양력 중심점에 작용한다.[1] 또한, 항력과 엔진 추력 변화에 따른 피치 모멘트도 수평 안정판으로 보상한다.

수평 안정판과 승강키는 모두 피치 안정성에 기여하지만, 실질적인 피치 제어는 승강키가 담당한다.[1] 승강키는 수평 안정판의 하향력을 조절하여 작동한다.


  • 상승: 승강키를 올리면 꼬리 부분에 더 큰 하향력이 발생하여 꼬리가 내려가고 기수가 올라간다. 이로 인해 날개의 받음각이 커져 양력이 증가하고, 항공기는 상승하게 된다. 하지만 항력과 동력 요구량도 함께 증가한다.
  • 하강: 승강키를 내리면 꼬리 부분의 하향력이 감소하여 꼬리가 올라가고 기수가 내려간다. 받음각이 작아져 양력이 감소하고, 항공기는 하강한다.


조종륜을 당기거나 조종간을 앞으로 밀면 승강타 후연이 올라가 수평미익에 생기는 아래쪽 양력이 증가한다.[9] 무게 중심 주위의 모멘트를 고려하면 꼬리 부분이 내려가고 기수가 올라간다.

저속 항공기는 조종사가 원하는 자세와 속도에서 조종간에 가해지는 힘을 없애도록 트림 탭을 사용한다.[2] 반면, 초음속 항공기는 전체 이동식 수평 미익(스타빌레이터)을 사용하는데, 이는 초음속 비행 시 수평 안정판에서 발생하는 충격파가 경첩식 승강키의 효율을 저하시키기 때문이다. 델타익 항공기는 에일러론과 승강키 기능을 엘레본이라는 하나의 제어면에 통합한다.

일반적으로 수평 미익의 뒷부분만 움직이는 방식이 사용되지만, 일부 기체는 수평 미익 전체가 움직이는 전유동식(all flying tail)을 사용하거나, 대형 여객기처럼 두 가지 방식을 병용하기도 한다. 전유동식은 스타빌라이저(수평 안정판)와 엘리베이터(승강타)를 겸하므로 '''스타빌레이터'''라고도 불린다. 전유동식은 음속 근처에서 발생하는 충격파로 인한 종안정성 악화를 해결하기 위해 고안되었으며, 주로 전투기나 고속 제트기, 여객기 등에 사용된다.

테일리스기는 주익에 승강타와 보조익 기능을 모두 갖춘 엘리본을 장착한다. 엘리본은 좌우 날개를 같은 방향으로 움직여 승강타 기능을, 반대 방향으로 움직여 보조익 기능을 수행한다. 카나드 부착 델타익기 등에서도 엘리본이 사용되는 경우가 많다.

V자형 꼬리날개를 가진 일부 비행기는 방향타와 승강타 기능을 겸하는 '''러더베이터'''를 사용한다. 러더베이터는 수평·수직 미익을 겸하며, 안정성이 높고 항력이 적어 글라이더 등에 사용된다. 또한, 레이더 대책으로 유효하여 F-117과 같은 스텔스기에도 사용된다.

2. 1. 기본 원리

승강키는 항공기의 수평 안정판 뒷부분에 위치하여 상하 운동을 제어하는 장치이다. 수평 안정판은 날개 양력에 의해 발생하는 기수 하강 모멘트를 상쇄하는 하향력을 생성하며, 이는 항공기의 무게 중심 후방에 위치한 날개 양력 중심점에 작용한다.[1] 또한, 항력과 엔진 추력 변화에 따른 피치 모멘트도 수평 안정판으로 보상한다.

수평 안정판과 승강키는 모두 피치 안정성에 기여하지만, 실질적인 피치 제어는 승강키가 담당한다.[1] 승강키는 수평 안정판의 하향력을 조절하여 작동한다.

  • 상승: 승강키를 올리면 꼬리 부분에 더 큰 하향력이 발생하여 꼬리가 내려가고 기수가 올라간다. 이로 인해 날개의 받음각이 커져 양력이 증가하고, 항공기는 상승하게 된다. 하지만 항력과 동력 요구량도 함께 증가한다.
  • 하강: 승강키를 내리면 꼬리 부분의 하향력이 감소하여 꼬리가 올라가고 기수가 내려간다. 받음각이 작아져 양력이 감소하고, 항공기는 하강한다.


저속 항공기는 조종사가 원하는 자세와 속도에서 조종간에 가해지는 힘을 없애도록 트림 탭을 사용한다.[2] 반면, 초음속 항공기는 전체 이동식 수평 미익(스타빌레이터)을 사용하는데, 이는 초음속 비행 시 수평 안정판에서 발생하는 충격파가 경첩식 승강키의 효율을 저하시키기 때문이다. 델타익 항공기는 에일러론과 승강키 기능을 엘레본이라는 하나의 제어면에 통합한다.

일반적으로 수평 미익의 뒷부분만 움직이는 방식이 사용되지만, 일부 기체는 수평 미익 전체가 움직이는 전유동식(all flying tail)을 사용하거나, 대형 여객기처럼 두 가지 방식을 병용하기도 한다. 전유동식은 스타빌라이저(수평 안정판)와 엘리베이터(승강타)를 겸하므로 '''스타빌레이터'''라고도 불린다. 전유동식은 음속 근처에서 발생하는 충격파로 인한 종안정성 악화를 해결하기 위해 고안되었으며, 주로 전투기나 고속 제트기, 여객기 등에 사용된다.

테일리스기는 주익에 승강타와 보조익 기능을 모두 갖춘 엘리본을 장착한다. 엘리본은 좌우 날개를 같은 방향으로 움직여 승강타 기능을, 반대 방향으로 움직여 보조익 기능을 수행한다. 카나드 부착 델타익기 등에서도 엘리본이 사용되는 경우가 많다.

V자형 꼬리날개를 가진 일부 비행기는 방향타와 승강타 기능을 겸하는 '''러더베이터'''를 사용한다. 러더베이터는 수평·수직 미익을 겸하며, 안정성이 높고 항력이 적어 글라이더 등에 사용된다. 또한, 레이더 대책으로 유효하여 F-117과 같은 스텔스기에도 사용된다.

2. 2. 받음각 변화

승강키는 항공기의 상하 운동을 제어하는 장치이다. 수평 안정판은 날개 양력에 의해 발생하는 기수 하강 모멘트를 상쇄하는 하향 힘을 생성하며, 이는 항공기의 무게 중심 뒤쪽에 위치한 날개 양력 중심에 작용한다.[1] 항력 및 엔진 추력 변화에 따른 피치 모멘트 역시 수평 안정판으로 보상해야 한다.

수평 안정판과 승강키는 모두 피치 안정성에 기여하지만, 피치 제어는 승강키만 제공한다.[1] 승강키는 안정판에서 생성되는 하향력을 조절하여 작동한다.

  • ''상승'' 승강키: 꼬리 부분의 하향력을 증가시켜 기수를 위로 올린다. 받음각이 증가하여 날개에서 더 큰 양력이 발생하고, 항공기는 위로 가속된다. 항력과 동력 요구량도 증가한다.
  • ''하강'' 승강키: 꼬리 부분의 하향력을 감소시켜 기수를 아래로 내린다. 받음각이 감소하여 양력이 줄고, 항공기는 아래로 가속된다.


저속 항공기는 트림 탭을 사용하여 조종사가 원하는 자세와 속도에서 조종간에 가해지는 힘을 제거한다.[2] 초음속 항공기는 스타빌레이터를 사용하는데, 이는 초음속 비행 중 수평 안정판에서 발생하는 충격파가 경첩식 승강키의 효율을 감소시키기 때문이다. 델타익 항공기는 엘레본을 사용하여 에일러론과 승강키의 기능을 통합한다.

조종륜을 당기거나 조종간을 앞으로 밀면 승강타 후연이 올라가 수평미익에 생기는 아래쪽 양력이 증가한다.[9] 무게 중심 주위의 모멘트를 고려하면 꼬리 부분이 내려가고 기수가 올라간다.

일반적으로 수평미익 후부만 가동하는 방식이 사용되지만, 수평미익 전체가 가동하는 전유동식(올 플라잉 테일) 방식도 있다. 전유동식은 스타빌라이저(수평 안정판)와 엘리베이터(승강타)를 겸하므로 '''스타빌레이터'''라고도 불린다. 이는 음속 부근에서 승강타 전연에 충격파가 발생하여 종안정성이 악화되는 문제를 해결하기 위해 고안되었으며, 전투기나 여객기에 주로 사용된다.

테일리스기는 주익에 엘레본을 장착하여 승강타와 보조익 기능을 겸하게 한다. V자형 꼬리날개 항공기는 방향타와 승강타 기능을 겸비한 '''러더베이터'''를 사용한다.

3. 종류 및 위치

엘리베이터는 일반적으로 항공기 뒤쪽, 꼬리 부분에 위치한다. 일부 항공기에서는 피치 제어 표면이 날개 앞, 전방에 위치한다. 2표면 항공기에서 이러한 유형의 구성은 카나드 (카나드/canard프랑스어는 프랑스어로 오리를 뜻함) 또는 탠덤 날개라고 불린다. 라이트 형제의 초기 항공기는 카나드 형이었고, 미그네 푸-두-시엘과 루탄 퀵키는 탠덤 형이었다. 일부 초기 3표면 항공기는 전방 엘리베이터(커티스/AEA 준 버그)를 가지고 있었으며, 현대 3표면 항공기는 전방(카나드) 및 후방 엘리베이터(그루먼 X-29)를 모두 가질 수 있다.

3. 1. 일반적인 형태

엘리베이터는 일반적으로 항공기 뒤쪽, 꼬리 부분에 위치한다. 일부 항공기에서는 피치 제어 표면이 날개 앞, 전방에 위치한다. 2표면 항공기에서 이러한 유형의 구성은 카나드 (카나드/canard프랑스어는 프랑스어로 오리를 뜻함) 또는 탠덤 날개라고 불린다. 라이트 형제의 초기 항공기는 카나드 형이었고, 미그네 푸-두-시엘과 루탄 퀵키는 탠덤 형이었다. 일부 초기 3표면 항공기는 전방 엘리베이터(커티스/AEA 준 버그)를 가지고 있었으며, 현대 3표면 항공기는 전방(카나드) 및 후방 엘리베이터(그루먼 X-29)를 모두 가질 수 있다.

3. 2. 전가동식 수평 안정판 (Stabilator)

조종륜을 당기거나 조종간을 앞으로 젖히면, 승강타 후연이 올라가 수평미익에 생기는 아래쪽 양력[9]이 증가한다. 무게 중심 주위의 모멘트를 고려하면 꼬리 부분이 내려가고 기수가 올라간다.[9]

일반적으로 수평미익 후부만 가동하는 방식이 일반적이지만, 일부 기체에서는 수평미익 전체가 가동하는 전유동식(올 플라잉 테일/all flying tail)을 사용한다. 전유동식은 스타빌라이저(수평 안정판/stabilizer)와 승강타(엘리베이터)를 겸하기 때문에 '''스타빌레이터'''('''stabilator''')라고도 불린다. 음속 부근의 속도에서 승강타 전연에 충격파가 발생하여 종안정성이 악화되는 문제를 해결하기 위해 고안되었으며, 천음속/초음속 비행에서 타의 조작성이 요구되는 전투기나, 트림 오프했을 때의 저항이 적어 순항 효율이 요구되는 여객기에 채용되는 경우가 많다.

3. 3. 기타 형태

3. 4. 위치에 따른 분류

엘리베이터는 일반적으로 항공기 뒤쪽, 꼬리 부분에 위치한다. 일부 항공기에서는 피치 제어 표면이 날개 앞, 전방에 위치한다. 2표면 항공기에서 이러한 유형의 구성은 카나드 (카나드/canard프랑스어는 프랑스어로 오리를 뜻함) 또는 탠덤 날개라고 불린다. 라이트 형제의 초기 항공기는 카나드 형이었고, 미그네 푸-두-시엘과 루탄 퀵키는 탠덤 형이었다. 일부 초기 3표면 항공기는 전방 엘리베이터(커티스/AEA 준 버그)를 가지고 있었으며, 현대 3표면 항공기는 전방(카나드) 및 후방 엘리베이터(그루먼 X-29)를 모두 가질 수 있다.

4. 추가 제어 장치

4. 1. 트림 탭 (Trim Tab)

5. 연구 개발

다양한 기술 연구 개발 노력이 진행 중이며, 이는 항공기 비행 제어 시스템의 기능, 예를 들어 에일러론, 승강타, 엘리본, 플랩 및 플래퍼론 등을 날개에 통합하여 공기역학적 목적을 달성하는 데 초점을 맞추고 있다. 이러한 노력은 질량, 비용, 항력, 관성 (더 빠르고 강력한 제어 응답), 복잡성 (기계적으로 더 단순하고, 움직이는 부품이나 표면이 적으며, 유지 보수 요구 사항 감소), 그리고 스텔스를 위한 레이더 단면적을 줄이는 이점을 제공한다. 이러한 기술은 다양한 무인 항공기 (UAV) 및 6세대 전투기에 활용될 수 있다. 유망한 접근 방식으로는 유연한 날개와 유체 공학이 있다.

유연한 날개 기술은 날개 표면의 대부분 또는 전부가 비행 중에 모양을 변경하여 기류를 제어한다. X-53 능동 탄성 날개는 NASA의 연구이다. 적응형 순응 날개는 군사 및 상업적 연구를 통해 개발되고 있다.[3][4][5]

유체 공학에서는 순환 제어를 통해 차량에 힘이 가해진다. 순환 제어는 더 크고 복잡한 기계 부품을 더 작고 단순한 유체 시스템 (공기 흐름을 방출하는 슬롯)으로 대체하여 유체 내의 더 큰 힘이 작은 제트 또는 간헐적인 유체 흐름에 의해 전환되어 차량의 방향을 바꾼다.[6][7][8] 이러한 유체 공학 기술은 질량, 비용 (최대 50% 절감), 매우 낮은 관성과 응답 시간, 그리고 단순성을 제공할 수 있다.

5. 1. 유연 날개 (Flexible Wing)

유연 날개 기술은 날개 표면의 대부분 또는 전부가 비행 중에 모양을 변경하여 기류를 제어하는 방식이다. X-53 능동 탄성 날개는 NASA의 연구이며, 적응형 순응 날개는 군사 및 상업적 연구를 통해 개발되고 있다.[3][4][5] 다양한 기술 연구 개발 노력을 통해 항공기 비행 제어 시스템의 기능(예: 에일러론, 승강타, 엘리본, 플랩, 플래퍼론)을 날개에 통합하여 공기역학적 목적을 달성하고 있다. 이는 질량, 비용, 항력, 관성(더 빠르고 강력한 제어 응답), 복잡성(기계적으로 더 단순하고, 움직이는 부품이나 표면이 적으며, 유지 보수 감소), 스텔스를 위한 레이더 단면적 감소 등의 이점을 제공하며, 다양한 무인 항공기(UAV) 및 6세대 전투기에 활용될 수 있다.

5. 2. 유체 공학 (Fluidics)

항공기 비행 제어 시스템의 기능을 날개에 통합하여 공기역학적 목적을 달성하기 위한 다양한 기술 연구 개발 노력이 진행 중이다. 이러한 노력은 에일러론, 승강타, 엘리본, 플랩 및 플래퍼론 등을 포함한다. 이러한 통합은 질량, 비용, 항력, 관성(더 빠르고 강력한 제어 응답), 복잡성(기계적으로 더 단순하고, 움직이는 부품이나 표면이 적으며, 유지 보수 요구 사항 감소), 그리고 스텔스를 위한 레이더 단면적 감소 등의 이점을 제공한다.[3][4][5] 이러한 기술은 다양한 무인 항공기(UAV) 및 6세대 전투기에 활용될 수 있다. 유망한 접근 방식으로는 유연한 날개와 유체 공학이 있다.

유연한 날개 기술은 날개 표면의 대부분 또는 전부가 비행 중에 모양을 변경하여 기류를 제어한다. X-53 능동 탄성 날개는 NASA의 연구이며, 적응형 순응 날개는 군사 및 상업적 연구를 통해 개발되고 있다.

유체 공학에서는 순환 제어를 통해 차량에 힘이 가해진다. 순환 제어는 더 크고 복잡한 기계 부품을 더 작고 단순한 유체 시스템 (공기 흐름을 방출하는 슬롯)으로 대체하여 유체 내의 더 큰 힘이 작은 제트 또는 간헐적인 유체 흐름에 의해 전환되어 차량의 방향을 바꾸는 방식으로 작동한다.[6][7][8] 이러한 유체 공학 기술은 질량, 비용 (최대 50% 절감), 매우 낮은 관성과 응답 시간, 그리고 단순성을 제공할 수 있다.

6. 한국 공군과 승강키

7. 갤러리

풀밭에 거의 닿을 듯한 처진 ''승강키''가 이 Currie Wot 복엽기의 수평 안정판에 장착되어 있다.


참조

[1] 서적 Mechanics of Flight Wiley & Sons
[2] 서적 Airplane Flying Handbook http://www.faa.gov/r[...] U.S. Federal Aviation Administration
[3] 뉴스 Morphing Wings http://www.aviationw[...] 2006-11-27
[4] 웹사이트 FlexSys Inc.: Aerospace http://www.flxsys.co[...] 2011-04-26
[5] 웹사이트 Mission Adaptive Compliant Wing – Design, Fabrication and Flight Test http://www.flxsys.co[...] FlexSys Inc., Air Force Research Laboratory 2011-04-26
[6] 간행물 The flapless air vehicle integrated industrial research (FLAVIIR) programme in aeronautical engineering http://journals.pepu[...] London: Mechanical Engineering Publications
[7] 웹사이트 Showcase UAV Demonstrates Flapless Flight http://www.baesystem[...] BAE Systems 2010-12-22
[8] 뉴스 Demon UAV jets into history by flying without flaps http://www.metro.co.[...] Associated Newspapers Limited 2010-09-28
[9] 문서 主翼は重心より若干後方に位置し、そのため水平尾翼は水平飛行中マイナスの揚力を発生して釣り合いを取っている


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