3. 글라이더의 조종

재미있는 비행이 목적이기 때문에 장황한 공기역학을 논할 필요까지야 없지만 글라이더의 조종이 어떻게 작용하는지를 이해하는 것이 최고의 성능을 얻고 재미를 보는 것에 도움을 줄 것이다.

Wings, Lift and Performance

글라이더 날개의 익형을 선택하여 날려보면 그것의 양력을 얻는 방법과 비행특성을 알게 된다. 어떻게 날개가 양력을 얻는 지 살펴보자.

양력의 발생

옆의 그림은 평면바닥의 익형과 그 주위의 공기흐름을 나타내고 있다. 여기서 볼 수 있듯이 날개의 곡률 때문에 날개의 윗부분을 지나는 공기는 아랫부분의 공기보다 먼 거리를 이동하여야 한다. 그래서 날개가 공기중을 일정속도로 이동하고 있으면 윗부분의 공기는 아랫부분의 공기보다 빠르게 이동하여야 하고 따라서 베르누이의 원리와 간단한 논리에 의해 밀도가 작아지고 결국 아랫부분보다 기압이 낮아지게 된다. 이런 날개 윗부분의 낮은 기압이 양력을 발생시킨다. 앙각(angle of attack, 날개의 익현의 바람에 대한 상대적인 각도)이 증가함에 따라 날개의 밑면에 대한 바람의 힘 때문에 양력도 증가한다. 하지만 이것은 잘해야 날개가 얻을 수 있는 총양력의 25%가 안되는 작은 부분이다. 달리는 차의 창밖으로 손을 내밀어서 이를 증명할 수 있다. 손을 바람속에 펴서 내밀고 앙각을 바꿔가며 또 차의 속도로 변화시켜보자. 아마 바람에 대한 손의 앙각을 증가시켰을 때 어느 일정 수준에 도달하면 양력이 더 이상 발생되지 않음을 알 수 있을 것이다. 이 수준에 도달하면 익형(손)으로부터 분리되기 시작한 공기의 흐름이 손등을 때리는 것을 느낄 수 있으며 앙각을 더 증가시키면 양력을 완전히 잃어버리며 갑자기 손이 뒤로 밀릴 것이다. 이것이 실속(stall)이며 실제비행기에서도 날개의 앙각이 일정한 앙각 이상에 이르면 실속이 발생한다.

결론은 어떤 익형이라도 속도를 증가시키거나 한계점 이내에서 앙각을 증가시키므로써만 공기중의 글라이더의 양력을 증가시킬 수 있다는 것이다.

Four Forces

글라이더는 비행중에 양력, 중력, 추력(thrust)과 항력(drag)의 4가지 힘에 의해 움직인다. 안정된 비행에서는 양력은 중력과, 추력은 항력과 균형을 이루게 된다.

글라이더는 엔진이 없기 때문에 중력에 의존하거나 축적된 관성에 의해 익형을 전진시키는 추력을 발생한다. 또한 글라이더는 바람이 없거나 안정된 비행에서는 주위공기에 대해 가라앉는데 이는 4가지 힘이 어떤 방법으로도 균형을 이루지 못하기 때문이다. 위의 설명으로 부터 왜 글라이더의 설계와 제작에서 가벼운 무게와 작은 항력이 중요한 요인인지 알 수 있다.

Airfoil Design

글라이더의 특성에 영향을 주는 또 하나의 요인은 양력에 직접 영향을 주는 익형(airfoil)이다. 익형의 종류와 이에 대한 카탈로그와 책은 수없이 많다. 이들은 3가지의 기본적인 유형으로 나눌 수 있는데 1. 낮은 풍속에서 최고의 양력을 바란다면 보통 언더캠버드(undercambered, camber = 날개표면의 곡률의 정도)나 평면바닥 익형이 적합하다. 2. 약간 빠른 풍속에서의 양력과 곡예비행을 절충하기 위해서는 준대칭형의 익형을 선택하는 것이 좋으며 3. 충분히 빠른 풍속에서의 철저한 곡예비행 특성을 원한다면 완전대칭형의 익형을 선택해야 한다. 그런데 사실 미묘한 익형의 차이보다 비행기의 특성을 결정하는데 더 중요한 것은 파일럿의 능력이다. 자신에게 가장 적합한 익형을 선택하고 열심히 비행을 하다보면 익형에 연연할 필요 없다.

Three Primary Axes of Flight

축은 회전하는 물체의 중심을 지나는 선으로 정의 할 수 있는데 비행기는 항상 그 무게중심에 회전하는 중심을 가지고 있다. 글라이더를 조종하므로서 3가지 기본 축의 하나나 그 이상을 회전시킬 수 있다.

피치(pitch)

엘리베이터의 작동으로 글라이더를 가로축에 대해 회전 시킬 수 있는데 이로써 피치(기수의 상하 변이)를 변화할 수 있다. 글라이더의 피치를 조종하므로써 그 속도와 고도를 제어할 수 있다.

요(yaw)

러더의 작동은 글라이더를 수직축에 대해 회전하게 하고 결과적으로 요에 의한 방향전환을 하도록 한다.

롤(roll)

에일러론을 작동하므로써 글라이더는 세로축에 대해 회전하고 이 결과로 롤을 한다. 이러기 위해서 한쪽 날개의 에일러론은 위쪽으로 작동하여 날개의 양력을 감소시키고 다른 한쪽의 에일러론은 아래쪽으로 작동하여 날개의 양력을 증가시킨다. 하지만 양력이 증가하며 항력도 증가하여 글라이더를 에일러론이 아래쪽으로 작동한 날개방향으로 요를 하게 한다. 이 효과는 러더의 사용으로만 보정될 수 있다. 이것이 바로 고급 써멀, 곡예비행 글라이더의 비행을 위해서는 완전한 3축 조종이 필요한 이유이다.

Spoiler

왜 양력을 줄이는 것이 필요할까? 강한 써멀로 부터의 탈출, 정확한 착륙을 위한 비행거리의 감소, 안전한 풍속을 초과하지 않고 글라이더의 하강속도를 증가시키는 것등, 몇가지 이유를 들 수 있다. 이 모든 것은 스포일러(spoiler)를 사용하므로써 이루어질 수 있다. 스포일러는 날개표면위로 돌출될 수 있게 한 판인데 지나가는 공기의 일정한 흐름을 방해하므로써 날개의 양력을 감소시킨다. 날개의 양력에 큰 영향을 주기 위해서도 그리 크지 않은 스포일러가 필요하다.

Flaps

플랩은 날개의 뒷전(trailing edge)에 설치된 아래쪽(간혹 위쪽)으로 작동되는 판인데 글라이더 날개의 캠버를 변화시킬 수 있다. 아래쪽으로 작동되었을 때에는 양력과 항력을 모두 증가시켜 플랩이 없을 때 보다 낮은 속도로 가파른 착륙을 할 수 있다. 플랩이 위쪽으로 작동(reflect flap)되었을 때에는 날개의 양력과 항력이 모두 증가하여 더 빠르게 움직일 수 있게 해준다. 이것은 한 써멀에서 다른 써멀로 빠르게 이동하거나 알고 있는 상승기류지역사이에서 써멀을 찾아다닐 때 유용하다. 어떤 글라이더들은 날개길이 전체에 에일러론과 플랩기능을 같이 가지고 있는 플래퍼론(flaperon)을 장착하는 것도 있다. 이것은 다양한 조건하에서의 최적의 특성을 위한 지속적인 캠버의 조종을 가능하게 한다.