[Aerodynamics] Stability

Stability (안정성)

가. 정의

- 항공기가 평형상태에서 외부의 교란을 받아 평형이 깨졌을 때, 다시 본래의 비행자세/경로를 유지하려고 하는 항공기 고유의 특성

 

나. 종류

 

ⓐ Static Stability (정안정성) : 항공기가 평형상태로 되돌아가려고 할 때의 초기 방향성

- Positive Static Stability : 항공기가 외란에 의해 평형이 깨졌을 때 원래의 상태로 복귀하려는 초기 경향성

- Neutral Static Stability : 항공기가 외란의 의해 평형이 깨졌을 때 새로운 상태에 머물고자 하는 초기 경향성

- Negative Static Stability : 항공기가 외란의 의해 평형이 깨졌을 때 교란된 방향으로 계속 운동하려는 초기 경향성

 

ⓑ Dynamic Stability (동안정성) : 시간에 따른 항공기 응답특성을 나타냄 (시간에 따른 변화추이)

- Positive Dynamic Stability : 시간이 지남에 따라 교란된 정도(진폭)가 줄어들어 평형에 가까워지는 상태

- Neutral Dynamic Static Stability : 시간이 흘로도 교란된 정도가 일정한 상태

- Negative Dynamic Stability : 시간이 지남에 따라 교란된 정도가 점점 커지는 상태

 

다. Longitudinal Stability (세로안정성)

ⓐ 정의

- Lateral axis에 Stable한 정도 (Pitching motion)

- 항공기 무게중심에 작용하는 힘과 모멘트가 Lateral axis에 대해 평형상태를 유지하려는 경향성

 

ⓑ Longitudinal Stability를 결정하는 요소 (4가지)

1. CG점과 CP점의 상관관계

- CG점을 중심으로 Wing moment와 Tail moment가 서로 균형을 유지하면서 평형이 유지 됨

- 항공기는 CG점이 CP점보다 약간 앞에 위치되도록 설계되는데, Nose heavy를 유지하면서 수평안정판에 Downward force가 작용하도록 수평안정판을 약간 Negative AOA로 만들어주면 Heavy nose를 반대로 보완해주면서 항공기가 평형을 유지할 수 있음

 

2. CG점에 대한 수평안정판의 위치 & 면적

- 항공기 속도변화에 의해 수평안정판에 부과되는 Downwash 효과가 변화하면서 점점 평형을 찾아감

- 이 때, CG점에 대한 수평안정판의 위치/면적이 평형 특성을 좌우

3. CG점에 대한 Thrust line의 위치

- Thrust line이 CG점보다 약간 위에 있어야 Positive stability를 유지할 수 있음

- Thrust 증감에 따라 수평안정판에 부과되는 Downwash가 변화하여 Nose Up / Down Tendency 발생

- Thrust 증가 시 생기는 Tail down moment를 Nose down moment로 상쇄시킬 수 있음

4. 날개 붙임각

- 날개 붙임각 : Longitudinal axis와 날개의 Chord line이 이루는 각

- 날개 붙임각으로 항력특성과 세로안정성을 향상시킬 수 있음 (순항에 가장 효율적인 AOA로 설계)

- Wash-out 구조로 인해 날개 끝보다 뿌리 부분에서 Stall에 먼저 걸리게 하여 세로안정성 확보

 

라. Lateral Stability (가로안정성)

 

ⓐ 정의

- Longitudinal axis에 Stable한 정도 (Rolling motion)

- 항공기에 Rolling moment가 발생할 때, 날개의 압력분포에 변화가 일어나 항공기가 세로축에 대하여 평행을 유지하려는 경향

 

ⓑ Lateral Stability를 결정하는 요소 (3가지)

1. Dihedral (상반각)

 

- 날개의 Outer tip이 Wing root보다 높은 형상 (날개를 위로 쳐든 형태)

- Gust에 의해 항공기에 Rolling이 발생했을 때, Sideslip 발생

- Sideslip에 의해 발생한 Relative wind가 상반각에 의해 서로 다른 AOA에서 서로 다른 양력을 만들어 Roll을 다시 Level 상태로 복원시킴

- 단점 : 상반각으로 인한 수평양력성분 발생, Rolling 시 복원력으로 인해 Rolling의 정도가 줄어들 수 있음

 

2. Sweepback (후퇴각)

 

- Leading edge가 뒤쪽으로 기울어져 있는 현상

- 측면 Gust에 의해 Rolling과 Weathervane이 생겼을 때, Relative wind에 더 수직한 날개에서 더 많은 양력을 생성, 원래 자세로 복원함

- 또한, Sweepback wing은 고속 영역에서의 비행 특성에 유리

-> 날개 위 공기의 일부만 날개와 평행하게 나아가고 나머지 공기들은 수직으로 내보냄 (Spanwise flow)

-> 결국, 공기흐름을 수직으로 분산시켜 공기 가속량을 줄여 초음속 돌파에 의한 Shockwave 방지

-> 저속에서는 Sweepback 형상으로 인해 더 많은 양의 AOA를 필요로 하여 Stall의 위험이 있음

 

3. Keel effect

- Gust에 의해 Rolling이 발생할 경우, CG 위쪽의 동체 측면과 수직안정판이 항력을 발생시켜 항공기를 원래대로 Rolling 시키는 현상 발생

- Keel effect의 크기는 동체 측면과 수직안정판의 면적에 비례

- Dorsal fin은 측면 면적을 넓혀 가로안정성을 향상시킴

 

마. Directional Stability (방향안정성)

 

ⓐ 정의

- Vertical axis에 Stable한 정도 (Yawing motion)

- 항공기는 CG점 앞쪽의 측면 면적보다 CG 뒤쪽의 측면 면적이 더 크므로 Weathervane처럼 움직임

ⓑ Directional Stability를 결정하는 요소

- CG에 대한 수직안정판의 위치/크기

- CG 후방의 동체 측면 면적

- 날개 유효면적 차이

- Dorsal fin (방향안정성 증대 뿐만 아니라 작은 Veritical Stabilizer를 사용해도 되므로 항력도 감소시킴)

- 좌/우 추력차 (쌍발기 이상)

- Sweepback wing