[Aerodynamics] Stalls

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