오늘은 항공기 Perfromance에 대하여 알아보도록 하자.
Perfromance란 무엇인가??
Performance is a term used to describe the ability of an aircraft to accomplish certain things that make it useful for certain purposes.
FAA : Pilot's handbook of aeronautical knowledge
우리가 흔히들 퍼포먼스라고 하면 '무언가를 성취하는 능력'이라고 정의할 수 있겠다.
비행에 있어서는 어떤 것들을 성취해야하며, 어떤 것들이 Performance인가?
The primary factors most affected by performance are the takeoff and landing distance, rate of climb, ceiling, payload, range, speed, maneuverability, stability, and fuel economy.
FAA : Pilot's handbook of aeronautical knowledge
the takeoff and landing distance, rate of climb, ceiling, payload, range, speed, maneuverability, stability, and fuel economy.
이러한 것들이 퍼포먼스에 포함이 된다.
오늘은 이중에서 Climb Performance에 대하여 알아보자.
https://youtu.be/QQ2A-vJQtu4?t=9
항공기가 Climb하려면 어떻게 해야할까?
1. 상승하는데 필요한 추력(Power required) 이상의 힘(Power Available)을 내면된다.
두 힘의 차이만큼(Excess Power) 항공기는 Climb Performance를 낼 수 있다.
2. Kinetic Energy(KE)를 Potential Energy(PE)로 바꾸는 방법이 있다.
KE는 운동에너지로 항공기가 움직이는 속도와 그 질량의 곱으로 생성된 에너지를 말하고
PE는 위치에너지로 항공기가 중력가속도(g)를 이기고 지면위로 올라간 만큼의 위치를 에너지로 나타낸 것을 말한다.
Climb에서 보자면 항공기의 속도로 만들어진 에너지를 지구의 중력을 이겨내고 올라가 위치에너지로 만들어 내어 상승할 수 있다.
기본적으로 Climb을 이해하기 위하여 두 가지를 먼저 봐야한다.
- Angle of Climb : 쉽게 "상승각"으로 생각하면된다. 물리적인 상승각도
- Rate of Climb : "상승률", 시간당 얼마나 많이 상승하는지에 대한 값이다.
이에 앞서 일상에서는 혼용해서 쓰지만, Climb Performance를 논할때는 구분해야하는 두 가지가 있다.
"Power"와 "Thrust"이다.
Power : the rate of performing work. transferring energy.단위 [hp(horsepower),kW(kilowatts)]
잘 기억해보자, 분명히 물리 수업시간에 배웠다.
"일"을 해내는 rate. "시간"의 단위가 들어가 있음을 잘 기억하자.
- 주로 Prop 항공기에서 출력Power를 쓴다
- Power Control Lever라고 한다. (출력/추력을 조절해주는 레버 이름도 다르다.)
Thrust : a force. pressure exerted on an object. 단위 [lb(pounds),N(newtons)]
"힘" 물체에 가해지는 순간적인 힘이다.
- 주로 Jet Engine 항공기에서 추력Thrust을 쓴다.
- Thrust lever라고 한다.
위에서 Angle of Climb과 Rate of Climb의 차이를 설명할 때 "시간"을 기억하자고 했었다.
Angle of Climb은 물리적인 각도 이므로 "Thrust"에 의하여, 좀 더 구체적으로 말하자면 "Excess Ttrust잉여추력"에 의하여 변한다.
Angle of climb은 주로 obstacle clearance를 충족하기 위해 사용된다.
하.지.만 조금 더 복잡하게도 Jet 항공기와 Prop 항공기의 Performance 특성이 다르다.
Jet 항공기는 엔진 특성상 속도에 관계없이 같은양의 Thrust 추력을 낸다.
https://youtu.be/KjiUUJdPGX0?t=16
"뉴턴의 제 3법칙(작용 반작용)"에 의해 앞으로 나아가는 방식이므로 엔진에서 만들어내는 "추력"은 속도와 무관히 최대 추력의 양은 일정하다.
반면, Prop 항공기는 Jet과는 다른 메커니즘에 의해 추력을 생성해낸다.
엔진 내부에서 만들어내는 최대출력은 속도에 따라 일정하지만, Jet엔진과는 다르게, 엔진에서 생성된 에너지를 Prop을 돌려주는 힘으로 전환을 하여 Prop이 내는 추력을 통해 앞으로 나아가는 방식이다.
따라서 속도가 증가함에 따라 프로펠러를 지나가는 공기의 상대속도가 감소하게되어 Thrust available이 감소하게 되는 것이다.
위 그래프에서 보면
- Jet 항공기는 L/Dmax 속도에서 Max AOC을 내지만
- Prop 항공기는 L/Dmax 속도 이하(Vs보다 약간 큰 속도)에서 Max AOC를 낸다.
이때의 속도를 Vx라고 한다.
이제 Rate of Climb에 대하여 알아보자.
여기서 "Rate" 즉, 앞에서 말한 "시간"에 관한 개념이 여기에 들어간다.
Rate of Climb은 시간당 상승한 높이이므로 "Power"에 의하여, 좀 더 구체적으로 말하자면 "Excess Power잉여마력"에 의하여 변한다. Thrust에서와 마찬가지로 Jet 항공기와 Prop 항공기의 Performance 특성이 다르다.
위 그래프에서 보면
- Jet 항공기는 L/Dmax 속도 이상에서 Max ROC을 내지만
- Prop 항공기는 L/Dmax 속도 근처에서 Max ROC를 낸다.
이때의 속도를 Vy라고 한다.
지금까지 Climb Performance의 가장 기본적인 특성들에 대하여 알아보았다.
- AOC와 ROC의 차이.
- Power와 Thrust의 차이
- Jet/Prop 항공기간의 퍼포먼스 특성 차이
다음 시간엔 어떠한 요소들이 Climb Performance에 영향을 미치는지 알아보도록 하겠다.
참고자료 Reference
- FAA PHAK
