Aerodynamics

[Aerodynamics] Stalls

HL123 2025. 3. 4. 15:37
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실속

ⓐ 정의

- 항공기의 AOA가 Critical AOA를 초과하여 날개 위를 흐르는 Airflow에 Separation이 발생, 양력의 급격한 손실이 발생하는 현상

- Stall은 양력이 '0'이 되는게 아니라, Level flight을 유지할 만큼 충분한 양력을 생성해내지 못하는 것을 의미

- 항공기의 속도가 줄어들면 양력을 보존하기 위해 AOA를 높여줌으로써 (Cι ↑) Level flight 유지

- AOA가 Critical AOA에 도달하면 Cι이 급감하여 Level flight을 위한 양력 생성 불가. 이 속도를 Stall Speed라고 함

 

ⓑ 특징

- Stall은 어느 자세, 어느 속도, 어느 Power setting에서나 일어날 수 있음

 

- Critical AOA는 다음의 변화에서 항상 일정함

1. Weight

2. Bank Angle

3. Temperature

4. Density altitude

5. CG

 

- 다만, Stall Speed는 Critical AOA와는 달리 고정된 값이 아니며, 다음 요인에 의해 변할 수 있음

 

1. Weight

2. Load Factor

3. CG Position

4. 고양력장치 (Flap 등)

5. Icing

 

ⓒ Stall 인지 방법

종류
특성
Feel
  • 속도가 줄어듦에 따라 Control effectiveness 감소, 더 많은 Control 양 필요 & 반응속도 ↓
  • Stall 발생 직전에 Buffeting, Uncommanded rolling, Vibration 발생 가능
Vision
  • Stall은 어느 자세에서든 발생 가능하기 때문에 시각만으로는 Stall을 인지하기 어려움
  • 다만, Pitch awareness는 중요
Hearing
  • 속도가 줄어듦에 따라 항공기가 공기를 가르는 소음이 줄어듦
  • 또한 Stall warning horn의 작동으로도 Stall 인지 가능
Kinesthesia
  • 속도나 방향이 변할 때 마치 엉덩이가 가라앉는 기분이 듦

ⓓ Critical AOA가 가장 빈번하게 초과하는 상황

종류
특성
저속
  • 속도가 줄어들수록 Lift를 유지하기 위해 AOA를 증가시키다가 Critical AOA에 도달
고속
  • 항공기가 고속으로 Dive 하다가 Elevator를 급작스럽게 당길 때 발생
  • 중력과 원심력이 항공기의 Flight path가 즉각적으로 바뀌지 못하도록 저지하는 반면, AOA만 급증해서 Critical AOA에 도달
  • 이 경우 Normal stall speed보다 훨씬 높은 속도임에도 불구하고 Stall 발생 (Accelerated Stall)
선회
  • 원심력이 Weight에 추가되어 항공기 Load 증가
  • 증가된 Load만큼 Level Flight 유지를 위해 많은 Lift를 만들기 위한 더 높은 AOA 필요
 
ⓔ 기타 특수한 Stall
종류
특성
Secondary Stall
  • 정의 : 이전의 Stall Recovery에서 뒤이어 발생하는 Stall
  • 원인 : Stall 회복 시 Abrupt control 혹은 Desired Flight path로 너무 일찍 복귀하여 발생. 충분히 Nose를 낮추지 않고 Power만 증가시켜 Stall Recovery 실시 -> Critical AOA 재초과
  • Stall 회복 절차 재시행
Accelerated Stall
  • 정의 : +1G 이상의 G-load에서의 Stall (가파른 Dive로부터의 회복, Steep turn
Cross-control Stall
  • 정의 : Uncoordinated Flight에서의 Stall 특성 파악. Coordinated Turn의 중요성 강조
  • 원인 : Aileron과 Rudder가 반대방향으로 조작된 상태에서 Critical AOA 초과 시 발생
Base → Final 진입 시 Overshoot을 고치려 Bank를 크게 주며 Pitch를 들면 양쪽 Wing의 AOA가 달라져
한 쪽 Wing에만 Stall이 걸려 Spin이 발생
  • 특징 : Nose down, Bank angle이 갑자기 변화, Rolling이 뒤집히는 방향으로 계속됨 (Spin 초기증상)
  • 회복절차 : Nose를 아래로 숙여 AOA 감소 → Aileron을 이용하여 Wing level. Rudder로 Coordination 유지하여 Spin으로 발전하는 것을 방지
Elevator Trim Stall
  • 원인 : Idle power에서 부적절한 Trip 사용 후 (Approach 단계 or 이륙 전) Full power로 이륙 또는 Go-around 할 때 Positive control을 유지하지 못하여 발생

ⓕ Stall과 관련된 항공기 Structure 특성 & Device

종류
특성
Wash-out (Twisted) Wing
  • Wing root 부분의 AOA가 Wingtip AOA보다 커서 먼저 Stall에 도달
  • Aileron이 Stall에 빠져 Control effectiveness가 상실되는 것을 방지
Stall Strips
  • Wing root에 부착하여 (Leading edge의 20 ~ 25% 지점) 받음각이 높아졌을 때 Separation이 일찍 생기도록 함
Vortex Generator
  • 항공기 날개 표면에 부착되어 인위적으로 난류 생성
  • Airflow가 날개 표면에 더 잘 부착되어 흐르도록 하여 Separation이 시작되는 시점을 늦춤 (골프공의 Dimple과 같은 원리)
Stall Warning Horn
  • 항공기가 Stall에 접근하면 날개 윗면의 낮은 압력이 Leading edge 부근까지 밀려옴
  • 항공기 Leading edge에 달린 장치를 저압의 공기가 들어올려 Stall warning system에서 소리를 만들어 내어 조종사에게 Stall이 임박했음을 알림
  • 모든 비행조건에서 Stall보다 5 ~ 10kt 이전에 소리 발생
CG Position
  • 대부분의 훈련용 항공기는 Stall에 진입하면 항공기의 Nose가 저절로 앞으로 기울어져 Stall에서 쉽게 빠려나올 수 있도록 설계됨
  • CG가 CP보다 앞에 위치하므로 Nose-down tendency 발생 (Stall 시 Tail-down force 감소)

ⓖ Stall Speed 변화 요인

종류
특성
Weight & Load Factor
  • Weight 혹은 Load factor 증가는 Level flight을 위한 요구 Lift 양을 증가시킴
  • 그러나 항상 동일한 Critical AOA에서 Stall이 일어나기 때문에 Cι은 고정이므로 늘어난 요구 Lift 양을 속도를 증가시키므로써 보상해야 함
CG
  • CG 위치가 앞으로 갈수록 항공기의 Nose heavy 특성 때문에 조종사는 지속적으로 Back pressure를 가하게 되고 이는 Tail down force를 증가시켜 Effective weight 증가, Stall Speed를 증가시킴
고양력장치
  • 고양력장치 (Flap 등) 사용으로 Cι이 증가하여 Stall Speed 감소
  • Slotted Flap은 Separation을 날개 뒤쪽으로 지연시켜 Critical AOA가 증가하여 결국 Stall Speed를 감소시킴
  • Fowler Flap은 날개 면적을 증가시켜 Stall Speed를 감소시킴
Icing
  • 날개에 Icing이 생기면 Airflow Separation이 촉진되어 Critical AOA가 낮아지고 Stall Speed가 증가함
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