개념 한 쪽
선회비행에서는 양력의 수평성분이 구심력 역할을 하여 원운동을 만든다. 선회반경과 속도, 경사각의 관계를 공식으로 이해하면 선지의 증감 방향을 빠르게 판단할 수 있다.
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출제기준 단원 「선회 비행성능」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 선회반경·경사각 판단 | 1 | 반경·속도·경사각의 관계에서 오답 선지를 가리는 능력을 묻는다 |
| 균형선회 반경 계산 | 1 | L·cosφ=W를 이용해 속도를 구하고 R=V²/(g·tanφ)로 반경을 계산하는 능력을 묻는다 |
| 수평등속 추력 계산 | 1 | 수평등속비행에서 추력=중량÷(CL/CD)을 적용해 추력을 계산하는 능력을 묻는다 |
선회 중의 양력은 수직성분으로 중량을 지탱하고 수평성분으로 구심력을 제공한다는 점이 핵심이다. 정상선회(균형선회)에서는 구심력과 원심력이 평형을 이루어 원하는 반경으로 안정적으로 선회한다.
선회반경은 r = V²/(g·tanφ)로 나타내며, V는 대기 중 속도, φ는 경사각이다. 이 식에 따라 반경을 줄이려면 속도를 줄이고 경사각을 크게 해야 한다는 결론이 도출된다.
균형선회에서는 양력의 수직성분 L·cosφ가 중량 W를 지탱하므로 L·cosφ = W 관계를 먼저 세워 속도를 구해야 한다. 이 점을 놓치고 L = W로 처리하면 속도와 반경 계산에서 오류가 발생한다.
선회 관련 문제 유형은 크게(1) 공식을 이용해 반경이나 속도를 계산하는 유형, (2) 힘의 평형 조건을 묻는 정의형, (3) 항력·추력·실속 등 다른 비행성능 요소와의 연계 문제로 나뉜다.
대표 계산 1 — 균형선회에서 선회반경 계산 절차를 따른다. 기체 중량이 20000kgf이고 날개 면적이 80m²이며 CL=0.45, 경사각 φ=30°일 때 균형선회 조건은 L·cos30° = W = 196000N이다. 양력식 0.5·ρ·V²·S·CL·cos30° = W를 풀어 V² ≈ 10300, V ≈ 101.5m/s를 구한다. 이어 R = V²/(g·tan30°)를 계산해 R ≈ 1820m를 얻는다.
대표 계산 2 — 수평등속비행에서 추력 계산은 간단히 항력과 평형인 점을 이용한다. 예컨대 중량 900㎏f, S=10m², 제시된 CL/CD=3이면 L=W=900㎏f이므로 추력 T = 항력 D = W ÷ (CL/CD) = 900 ÷ 3 = 300㎏f가 된다.
항공기가 무동력으로 하강비행할 때 강하율을 최소로 하는 조건은?
정답 ④ · 항공기가 무동력으로 활공할 때, 가장 적게 고도를 잃고 오래 비행하기(강하율 최소) 위해서는 필요마력이 최소가 되는 속도로 비행해야 합니다. 필요마력이 최소인 지점은 항공기가 유지하는 데 필요한 에너지 소모가 가장 적은 최적의 상태를 의미하며, 이 속도를 최대 체공시간 속도라고도 합니다.
무동력 활강 시 강하율은 필요마력에 비례하므로 필요마력이 최소인 속도에서 강하율이 최소가 된다.
무게가 8,000kgf 이고, 날개면적 50m² 인 항공기가 있다. 이 항공기가 최대 양력계수 CLmax=1.6으로 착륙할 때 실속속도(landing speed)를 구하면 얼마인가? (단, 밀도 ρ=1/8 kgf·sec2/m4 이다.)
정답 ① · 실속속도(착륙속도) 공식은 V_s = sqrt(2W / (ρ * S * CL_max)) 입니다. 주어진 값을 대입하면 V_s = sqrt((2 * 8000) / ((1/8) * 50 * 1.6)) = sqrt(16000 / 10) = sqrt(1600) = 40 m/sec 입니다.
실속속도 Vs=√(2W/ρ·S·CLmax), 대입하면 √(16000/10)=√1600=40 m/s이다.
항공기 중량 900㎏f, 날개면적 10m²인 제트 비행기가 수평등속도로 비행하고 있다. 이 때 추력은? (단, CL/CD=3)
정답 ① · 수평등속 비행 중인 제트기에 필요한 추력을 양항비로 구하는 문제이다. 수평등속비행에서는 양력이 중량과 평형을 이루고 추력이 항력과 평형을 이루므로 L=W=900kgf이고 T=D가 성립한다.
수평등속비행에서 추력=항력=중량÷(CL/CD)이므로 900÷3=300㎏f이다.
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