[원리] 비행의 원리 Part.2 중심

  Part.1에서 비행기가 날기 위해 필요한 힘에 대해 알아보았는데요, 이번에는 조금 더 어려운 이야기를 해볼까 합니다. 바로 중심입니다. 비행기에는 여러가지 중심이 조화를 이루고 있는데요, 바로 무게중심과 공력중심입니다. 무게중심(Center of Gravity : CG)은 비행기 각 부분에 작용하는 중력의 합력의 작용점입니다. 중력이 작용하는 모든 지점을 대표하는 지점이라고 할 수 있죠. 따라서 무게중심에 줄을 매달아 공중에 들게 되면 비행기는 어느 한쪽으로도 기울지 않은 채 수평상태로 매달려 있게 됩니다. 

 

  공력중심(Aerodynamic Center : AC)은 받음각(AOA)과 무관하게 피칭모멘트의 값이 변하지 않는 지점을 의미합니다. 무척 심도있는 개념이지만 이 글에서는 비행기 각 부분에서 양력이 작용하는 모든 부분을 대표하는 지점 정도로 이해해도 충분할 것 같습니다. 무게중심과 공력중심에 배치에 따라 비행의 양상은 전혀 달라지게 만듭니다. 여기에 대해서 좀 더 자세히 알아보겠습니다.

 

노란색 표지는 무게중심(CG), 하늘색 표지는 공력중심(AC)

  비행기의 무게중심과 공력중심 사이의 관계는 마치 시소와도 같습니다. 공력중심(AC)은 고정되어 있고, 무게중심(CG)은 사진처럼 급격하게 변하지는 않지만 연료이동과 소모, 승무원의 이동 등 여러가지 요인으로 인해 변하게 됩니다. 무게중심이 공력중심보다 전방에 있게 되면 기수는 아래로 향하게 됩니다. 무게중심과 공력중심이 같은 위치에 있게 되면 비행기는 수평을 유지하게 됩니다. 무게중심이 공력중심보다 후방에 있게 되면 기수는 위로 들리게 됩니다.

 

  그렇다면 비행기의 무게중심과 공력중심은 같은 위치에 있는게 좋을까요? 네 비행기를 수평으로 유지하기 위해 수평미익이 양력을 발생시킬 필요가 없고, 양력을 발생시키기 위해서는 필연적으로 공기저항을 유발하기 때문에 연비는 훨씬 좋아집니다. 하지만 이는 현실적으로 불가능 합니다. 항공기는 비행중 연료를 소모하는데, 항공기 전체 무게중 연료가 차지하는 비율은 30% 가까이 됩니다. 따라서 무게중심은 변할 수 밖에 없죠. 또한 비행기에서 발생하는 인원, 물자 이동은 무게중심을 지속적으로 변화시키게 됩니다.

 

거의 대부분의 비행기는 수평미익을 이용하여 양력을 필요한 방향으로 발생시켜 수평을 유지합니다.

  위의 그림은 양력변화에 따라 발생하는 피칭 모멘트를 상쇄하기 위한 수평미익을 보여주는 것 이지만, 무게중심이 변화하는 경우도 위의 그림과 다르지 않습니다. 좌측은 무게중심보다 전방에서 양력이 작용하여 기수가 들리는 것을 수평미익에서 상단방향으로 양력을 발생시켜 수평을 유지하는 그림입니다. 우측은 무게중심보다 후방에서 양력이 작용하여 기수가 아래로 꺾기는 것을 수평미익에서 하단방향으로 양력을 발생시켜 수평을 유지하는 그림입니다. 무게중심변화에서도 똑같이 기수가 들리게 되면 수평미익에서 상단방향으로 양력을 발생시켜 수평을 유지하고, 기수가 아래로 꺽기면 수평미익에서 하단방향으로 양력을 발생시켜 수평을 유지합니다. 하지만 무게중심과 공력중심의 위치가 멀면 멀수록 발생하는 피칭 모멘트가 커지기 때문에 수평 미익이 발생시켜야 하는 양력의 양이 증가하고, 이는 곧 연료를 많이 소모한다는 것을 의미합니다.

 

  비행기는 하나의 다트와도 같습니다. 무게중심이 전방에 위치할수록 전도현상이 일어날 확률이 낮고, 양력변화는 후방에서 일어날 수록 그 효과가 증대됩니다. 따라서 비행기는 이 모든것을 고려하여 효율적인 무게중심을 선정하고, 무게중심이 변화했을 때 기체가 감당할 수 있는 무게중심 범위를 산출하여 운용하게 됩니다.