하중계수
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1. 개요
하중 계수는 항공기의 기동이나 외부 힘에 의해 항공기에 가해지는 겉보기 중력 가속도를 나타내는 무차원 값이다. 하중 계수는 'g' 단위로 표현되기도 하지만, 중력 가속도와는 차원이 다르며, 탑승자가 느끼는 겉보기 중력 가속도를 나타낸다. 하중 계수가 1보다 크면 실속 속도가 증가하며, +1은 수평 비행, -1은 거꾸로 된 비행을 나타낸다. 하중 계수는 항공기의 양력과 관련 있으며, 항공기 설계 시 구조적 강도를 고려하여 민간 항공 당국에서 항공기 범주별로 하중 계수 제한을 둔다. 하중 계수는 탑승자에게 체중 변화를 느끼게 하며, 인간은 높은 하중 계수를 견딜 수 있는 능력이 제한적이지만, 무인 항공기는 더 높은 하중 계수를 견딜 수 있도록 설계될 수 있다.
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2. 하중 계수와 g
하중계수가 중력 가속도와 같은 ''g'' 단위로 표현되더라도, 두 값이 같은 차원을 갖는 것은 아니다. 중력 가속도 역시 ''g''로 표시되지만, 하중계수는 엄밀히 말해 차원이 없는 값이다.[3]
''g'' 단위를 사용하는 것은 항공기 탑승자가 자신의 기준 프레임에 상대적으로 하중계수에 중력 가속도를 곱한 값과 같은 ''겉보기'' 중력 가속도를 경험한다는 것을 의미한다. 예를 들어 하중계수가 2인 선회를 하는 항공기 탑승자는 물체가 평소 중력 가속도의 두 배로 바닥에 떨어지는 것을 보게 된다.
일반적으로 "하중계수"라는 용어를 사용할 때는 "최대 하중계수 4"와 같이 숫자만 사용하여 표현하는 것이 공식적으로 정확하다. "하중계수"라는 용어가 생략되면 "3 g 선회"와 같이 대신 ''g''가 사용된다.[3]
2. 1. 하중 계수와 실속 속도
하중계수가 일반적으로 ''g'' 단위로 표현된다는 사실이 하중계수가 중력 가속도와 차원이 같다는 것을 의미하지는 않는다. 중력 가속도 역시 ''g''로 표시된다. 하중계수는 엄밀히 차원이 없다.''g'' 단위를 사용하는 것은 항공기 탑승자가 하중계수에 중력 가속도를 곱한 값과 같은 ''겉보기'' 중력 가속도(즉, 자신의 기준 프레임에 상대적인)를 경험하게 된다는 사실을 나타낸다. 예를 들어, 하중계수가 2인 선회(즉, 2 g 선회)를 하는 항공기에 탑승한 관찰자는 물체가 평소 중력 가속도의 두 배로 바닥으로 떨어지는 것을 보게 된다.
일반적으로 "하중계수"라는 용어가 사용될 때는 "최대 하중계수 4"와 같이 숫자만 사용하여 표현하는 것이 공식적으로 정확하다. "하중계수"라는 용어가 생략되면 "3 g 선회"와 같이 대신 ''g''가 사용된다.[3]
하중계수가 1보다 크면 실속 속도가 하중계수의 제곱근에 해당하는 인자만큼 증가한다. 예를 들어, 하중계수가 2이면 실속 속도는 약 140% 증가한다.
3. 양(+) 및 음(-) 하중 계수
하중 계수(특히 그 부호)는 항공기에 작용하는 힘뿐만 아니라 수직축의 방향에도 달려 있다.[3]
선회 비행 중 하중 계수는 일반적으로 +1보다 크다. 예를 들어 60° 뱅크각으로 선회하는 경우 하중 계수는 +2가 된다. 항공기를 뒤집은 상태에서 동일한 선회를 수행하면 하중 계수는 -2가 된다.
+1보다 훨씬 높은 하중 계수를 달성하는 또 다른 방법은 다이빙 바닥에서 승강타 조종간을 당기는 것이며, 수평 비행 중 스틱을 강하게 앞으로 밀면 양력이 정상 방향과 반대 방향(아래쪽)으로 작용하여 음의 하중 계수가 발생할 수 있다.[1]
3. 1. 수평 비행 시
수평 비행 중 하중 계수는 항공기가 "정상적인 방향"으로 비행하는 경우 +1이 되고,[3] 항공기가 "거꾸로" (뒤집힌 상태) 비행하는 경우 -1이 된다. 두 경우 모두 양력 벡터는 동일하지만(지상의 관찰자가 볼 때), 후자의 경우 항공기의 수직축이 아래를 향해 양력 벡터의 부호를 음수로 만든다.선회 비행 중 하중 계수는 일반적으로 +1보다 크다. 예를 들어, 60° 뱅크각으로 선회하는 경우 하중 계수는 +2가 된다. 항공기를 뒤집은 상태에서 동일한 선회를 수행하면 하중 계수는 -2가 된다. 일반적으로 뱅크각이 ''θ''인 균형 잡힌 회전에서 하중 계수 ''n''은 ''θ''의 코사인과 다음과 같이 관련된다.[1][3]
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+1보다 훨씬 높은 하중 계수를 달성하는 또 다른 방법은 다이빙 바닥에서 승강타 조종간을 당기는 것이며, 수평 비행 중 스틱을 강하게 앞으로 밀면 양력이 정상 방향과 반대 방향, 즉 아래쪽으로 작용하여 음의 하중 계수가 발생할 수 있다.
3. 2. 선회 비행 시
선회 비행 중 하중 계수는 일반적으로 +1보다 크다. 예를 들어, 60° 뱅크각으로 선회하는 경우 하중 계수는 +2가 된다.[3] 항공기를 뒤집은 상태에서 동일한 선회를 수행하면 하중 계수는 -2가 된다. 일반적으로 뱅크각이 ''θ''인 균형 잡힌 회전에서 하중 계수 ''n''은 ''θ''의 코사인과 다음과 같이 관련된다.[1][3]:
+1보다 훨씬 높은 하중 계수를 달성하는 또 다른 방법은 다이빙 바닥에서 승강타 조종간을 당기는 것이며, 수평 비행 중 스틱을 강하게 앞으로 밀면 양력이 정상 방향과 반대 방향, 즉 아래쪽으로 작용하여 음의 하중 계수가 발생할 수 있다.
4. 하중 계수와 양력
하중 계수의 정의에서 양력은 단순히 항공기 날개에 의해 생성된 것만을 의미하는 것이 아니라, 날개, 동체 및 수평 꼬리 날개에 의해 생성된 양력의 벡터 합이다.[3] 즉, 항공기에 작용하는 모든 공기역학적 힘의 합에서 기류에 수직인 성분이다.
하중 계수의 양력은 부호를 갖는 것으로 간주되며, 양력 벡터가 항공기의 수직 축과 동일하거나 유사한 방향을 가리키면 양수, 반대 방향을 가리키면 음수이다.[4]
5. 설계 표준
과도한 하중 계수는 항공기의 구조적 강도를 초과할 가능성이 있으므로 피해야 한다. 항공기에 적용되는 최대 하중 계수(양수 및 음수)는 일반적으로 항공기 비행 매뉴얼에 명시되어 있다.
5. 1. 항공기 범주별 하중 계수 제한 (미국 연방 항공 규정)
민간 항공 당국은 다양한 범주의 항공기가 손상 없이 운행해야 하는 하중 계수 제한을 명시한다. 예를 들어, 미국 연방 항공 규정은 다음과 같은 제한을 규정한다(가장 제한적인 경우).[5]
그러나 많은 항공기 유형, 특히 곡예 비행 항공기는 최소 요구 사항보다 훨씬 높은 하중 계수를 견딜 수 있도록 설계되었다. 예를 들어, 수호이 Su-26 제품군의 하중 계수 제한은 -10에서 +12이다.[10]
6. 하중 계수에 대한 인체 반응
하중 계수가 +1일 때, 항공기 내 모든 탑승자는 자신의 체중이 정상이라고 느낀다. 하중 계수가 +1보다 클 때는 모든 탑승자가 평소보다 더 무겁게 느낀다. 예를 들어, 2g 기동 시 모든 탑승자는 자신의 체중이 두 배로 느껴진다.[3] 하중 계수가 0이거나 매우 작을 때는 모든 탑승자가 무중력 상태로 느껴진다.[3] 하중 계수가 음수일 때는 모든 탑승자가 거꾸로 매달린 듯한 느낌을 받는다.
인간은 1보다 훨씬 큰 하중 계수를, 긍정적, 부정적 모두에 대해, 견딜 수 있는 능력이 제한적이다. 무인 항공기는 기존 항공기보다 훨씬 큰 하중 계수(긍정적 및 부정적 모두)를 견딜 수 있도록 설계할 수 있으며, 이를 통해 인간 조종사에게는 무능력하게 만들 기동에도 사용할 수 있다.
참조
[1]
문서
Hurt, page 37
[2]
문서
McCormick, p. 464–468.
[3]
서적
Aerodynamics
Pitman Publishing Limited. London
1975
[4]
웹사이트
Groundschool - Theory of Flight. Manoeuvring forces
http://www.recreatio[...]
RA-Aus
2010-03-25
[5]
웹사이트
Part 25. Airworthiness Standards: Transport Category Airplanes
http://rgl.faa.gov/R[...]
FAA
2010-03-29
[6]
웹사이트
Part 23. Airworthiness Standards: Normal, Utility, Acrobatic, and Commuter Category Airplanes
http://rgl.faa.gov/R[...]
FAA
2010-03-29
[7]
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Part 23. Airworthiness Standards: Normal, Utility, Acrobatic, and Commuter Category Airplanes
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FAA
2010-03-29
[8]
웹사이트
Part 27. Airworthiness Standards: Normal Category Rotorcraft
http://rgl.faa.gov/R[...]
FAA
2010-03-29
[9]
웹사이트
Part 29. Airworthiness Standards: Transport Category Rotorcraft
http://rgl.faa.gov/R[...]
FAA
2010-03-29
[10]
웹사이트
Su-26, 29, 31 – Historical background
https://web.archive.[...]
Sukhoi Company
2010-03-25
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