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비행기의 무게중심

최고관리자

2023-04-28 16:43 515 0 0 0

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익형이 대칭익이고 직선익일 경우에는 날개의 25% 지점이 양력중심이 됩니다.
그러나 테이퍼 후퇴익의 경우는 평균익현(평균익폭 이라고도 함. MAC:Mean
Aerodynamic Chord)를 먼저 구해야만 양력중심을 알수가 있죠.

무게중심을 구하려면 수평미익의 MAC를 구하고 수평미익의 양력중심을 구한다음
주익과 미익의 양력계수와 익면적을 이용하여 평형방정식을 만들어 풀면 기체전체의
중립점(Neutral Point)를 찾을수 있습니다.

수평미익에 의해 기체의 중립점은 날개의 양력중심(MAC의 25%지점)에서 뒤로 이동하여
일반적으로 MAC의 45% 부근에 위치하게 됩니다.
테일모멘트볼륨(테일면적x테일모멘트암)이 크면 더 뒤로 가고 테일볼륨이 적으면 더 적게 되고요.

무게중심은 다시 중립점에서 앞으로 보내 MAC의 15~25% 에 두게 됩니다. (패턴, 3D 기체는 25~35%)
이 차이(중립점과 무게중심간의 거리)를 정적여유(Static margin)이라하며 기체의 안정성에
매우 중요한 역할을 합니다.
중립점이 MAC의 45%이고 무게중심이 MAC의 20%라면 차이 25%가 Static Margin이 됩니다.

안정성을 중시하는 연습기, 스케일기등은 보통 20~25%의 Static Margin을 주며,
운동성을 중시하는 패턴기, 3D기체는 보통 10~15%의 Static Margin을 줍니다.

이 공식은 Canard 기체에도 적용시킬수 있습니다. 주익 미익간의 거리(D)를 마이너스 값으로 입력하면 됩니다.

이상 언급한 내용은 모두 정안정(Static Stability)에 관한 것입니다.
너무 큰 정안정은 동안정(Dynamic Stability)을 해칠수도 있습니다.
점점 커지는 Oscillation 에 의해 동적 불안정(Unstable Dynamic Stability)를 가져와 조종불능

상태가 될수도 있습니다.
특히 모형은 적은 Reynolds Number와 Stick Fixed(고정조종면, 실기는 조종면이 쳐저 있다가
바람에 의해 중립을 찾지만 모형은 서보가 강제로 중립을 유지) 방식으로 너무 큰 Static margin은
동적 불안정 요소가 될수도 있습니다.

2~3단 테이퍼익이 아닌 단순 테이퍼익의 경우에는 다음과 같이 간단한 방법으로 MAC를 구합니다.

먼저 익근의 길이를 익단의 앞뒤에 붙이고, 익단의 길이를 익근의 앞뒤에 붙인후 그 끝을

대각으로 이어서 교차된 지점이 MAC가 됩니다.

MAC만 구하면 굳이 중립점을 구하지 않아도 됩니다.
일반적으로 대부분의 기체는 적절한 테일볼륨을 가지고 있기 때문이죠.(제대로 설계가 되었다면...)
적절한 테일볼륨에 의해 중립점이 MAC의 45%부근에 위치한다고 가정하고 다시 CG 위치를 MAC의

25%에 잡으면 됩니다.

정리를 해 보겠습니다.

- 안정성을 중시하는 연습기, 스케일기등은 MAC의 15~25%에 CG를 잡고,

- 운동성을 중시하는 패턴기, 3D기체는 MAC의 25~35%에 CG를 잡으면 됩니다.

- 처녀비행에서는 가급적 CG를 앞으로 두어야 합니다.
앞이 무거운 기체는 안정성도 좋고 그럭저럭 비행이 되지만 뒤가 무거운 기체는 비행이 거의

불가능해 집니다.
기체에 익숙해지면 조금씩 CG를 뒤로 보내면서 적절한 위치를 찾아 냅니다.

- 무미익기 (전익기, Flying wing)의 경우는 날개의 뒷전부근이 수평미익에 해당합니다.
따라서 이 부분을 미익으로 환산하여 추정하여 계산해 보고, 다시 수차례 CG를 옮겨가면서
비행을 해 본 결과 MAC의 10~12% 위치에 CG 잡으면 됩니다.
물론 이 수치는 익형과 날개의 형태에 따라 조금씩 달라질수 있습니다.

- 슬롭기의 경우에도 CG를 상당히 앞으로 옮겨주어야만 비행하기가 좋습니다.

- 가로세로비 (AR:Asoect ratio)가 큰 글라이더의 경우는 CG를 1cm만 움직여도 익현이
짧기 때문에 큰 영향이 발생하게 됩니다.
따라서 폭이 좁고 길이가 긴 글라이더는 보다 정밀하게 CG를 설정해야만 합니다.

- 흔히 선미익기라 부르는 귀날개 비행기(Canard)기체는 수평꼬리날개가 아닌 귀날개로 인해
25%에서 45%로 뒤로 이동하는 것이 아니라 앞으로 이동하여 MAC의 5% 부근에 중림점이 오게 됩니다.
따라서 Static margin을 고려하여 CG는 MAC의 앞전을 벗어나 -15% 지점에 와야하는 상황이 됩니다.
이 수치는 하나의 예를 들은 것으로 물론 날개의 형상(Plan Form)과 귀날개의 형상과 위치에 따라 달라집니다.

- 요즘의 제트전투기 (F-16 이후의 전투기)는 Static Margin이 없거나 마이너스 값이 나옵니다.
무게중심이 중립점 뒤에 있다는 뜻인데 안정성보다는 급기동을 위해서 이렇게 설계합니다.
이를 Fly By Wire(전깃줄로 비행) 라고 하는데 조종사가 스틱을 치는대로 조종면이 움직이지 않고 조종사의 의도를 컴퓨터가 읽어 기동을 하여 사실상 안정성은 컴퓨터에 의존하는 방식입니다.

처녀비행이 끝나면 다시 비행을 해 보면서 적절한 무게중심을 찾아낼수 있습니다.

1. 패턴기
90도 가까이 깊은 뱅크를 주고 엘리베이터를 조금 당겨 큰 반경의 뱅크턴을 해 봅니다.
이때 기수를 숙이면 앞이 무겁고 기수를 들면 뒤가 무거운 것입니다.
정확이 수평비행을 하고 수직상승을 할때 정확히 수직으로 상승하도록 트림을 맞춘후에 아이들 상태로 수직하강을 해 봅니다.
수직하강시 아주 약간 등쪽으로 빠지는 것이 정상입니다.

2. 일반 동력기, 스케일기
90도 가까이 깊은 뱅크를 주고 엘리베이터를 조금 당겨 큰 반경의 뱅크턴을 해 봅니다.
이때 기수를 어느정도 숙이며 선회하면서 하강하는 것이 좋습니다.
일반적인 기체는 동력 수직상승이나 무동력 수직하강시 어느정도 등쪽으로 빠지는 것이 정상입니다.

풀트로틀로 전속력 수평비행을 하다가 트로틀을 갑자기 낮출때 기수를 들면 다운트러스트가 많고
기수를 숙이면 다운트러스트가 적은 것입니다.

동력기의 경우는 무게중심, 다운트러스트, 인시던스, 엘리베이터 인시던스와 트림이 복합적으로
서로 상호작용하기 때문에 경우의 수가 많아 이를 모두 고려하면서 잡아야 하므로
상당히 복잡하고 시간도 많이 걸립니다.

3. 글라이더, 재기
무풍시 핏칭없이 혼자서 일정한 활공속도로 비행하도록 트림을 맞춘후에 45도 각도로 하강을 해 봅니다.
앞이 무거워서 엘리베이터 업트림이 들어가 있다면 45도 하강중에 속도가 붙으면서 쉽게 회복이 됩니다.
반대로 앞이 가벼워서 다운트림으로 활공을 했다면 45도 하강중에 속도가 붙으면서 오히려 기수를 더 쳐박게 됩니다.

다이나믹하게 비행하는 글라이더는 그대로 45도 하강자세를 유지하도록 무게중심 세팅을 해 주고,
편하게 체공하는 글라이더는 서서히 회복하도록 무게중심 세팅을 해 주면 됩니다.
물론 무게중심을 옮기면 다시 수평활강시에 엘리베이터 트림을 맞추고 다시 위의 과정을 반복하여 테스트 합니다.

동력글라이더의 경우에도 무동력으로 비행하며 같은 방법으로 테스트하여 무게중심을 맞추면 됩니다.
다만 체공형 동력글라이더는 풀트로틀로 상승시에 기수를 자꾸 드는 버릇이 있죠.
이는 글라이더의 특성상 어쩔수 없는 것으로 다운 트러스트를 엄청 많이 주면 해결이 되겠지만 바람직하지는 않습니다.
이는 차라리 트로틀-엘리베이터 믹스로 해결하는 편이 바람직합니다.

요즈음 키트는 거의 찾아보기 힘들고 ARF(Almost Ready to Fly) 기체가 주류를 이루고 있습니다.

점점 복잡해지고 할일도 많고 여러가지 놀거리도 많아 바빠지는 세상에 언제 몇달씩 붙잡고

키트를 만듭니까?

제작도 같이 즐길수 있는 취미가 아니라면 더욱 그렇겠죠.

데우기만 하거나 뜨거운 물만 부으면 먹을수 있는 인스턴트 식품이 늘어나는 것과 같은 추세입니다.

과거 60~70년대 미국의 키트는 키트라기보다는 제작을 위해 부품을 담아놓은 것이라고 볼수 있을

정도로 품질이 별로 좋지 않았습니다.

재료의 품질도 좋지 않고 제작도 어려워 거의 만드는 사람의 장인정신(Craftmanship 이라고 해야하나?)

에 크게 의존해야 했습니다.

게다가 무겁고 추력부족으로 비행도 결코 쉽지 않았죠.

그러나 기체제원 자체는 참 훌륭합니다. 비행기가 뭔지 잘 아는사람들이 설계하였기 때문입니다.

70-80년대에 들어서 일본의 키트들이 쏟아져 나왔는데 선진국에서 설계된 패턴기도 많았습니다.

Hanno Pretner등과 세계챔피온 이었던 Yoshioka, Naruke 등이 설계를 했습니다.

일본내에서 설계된 초급입문기와 스포츠기, 스케일기 키트도 많이 생산이 되었죠.

모두 다 품질이 월등하였고 비행성도 좋았습니다.

도면대로만 만들면 다운트러스트, 인시던스, 무게중심등도 잘 맞았습니다.

90년대 초반까지만 해도 60패턴기가 25만원 정도였는데 90년도 중반으로 들어서면서 120패턴기

키트가격이 70만원대로 치솟았습니다.

소득을 감안한다면 현재의 200만원짜리 키트가 될겁니다.

결국 90년대 말부터 키트가격보다 싼 홍콩제, 대만제 ARF가 본격적으로 생산되기 시작하더니

2000년대에 들어서면서 중국제 ARF가 쏟아져 나오기 시작합니다.

경험이 많은 선진국 메이커로부터 OEM을 받아 생산된 제품은 그나마 괜챦은 편입니다.

미국, 일본, 한국, 대만, 유럽의 메이커나 수입상에서 주문받아 중국에서 생산한 제품은 상당히

품질이 좋습니다.

이 외에도 종종 품질과 가격이 좋은 제품들도 만날수 있고요.

있기도 합니다.

취미시장으로서 소비자층이 확립되지 않은 상태에서 비행성이 검증이 되지 않은 제품을

생산하는 형편이니 그럴수 밖에요.

구조적으로 취약한 기체도 많습니다.

"이게 뭐야? 비행기 날려보지도 않고 팔았나?"

비행중 링케이지가 빠지거나 부러지는 예도 있습니다.

인시던스가 잘 맞지 않는 제품도 종종 눈에 뜨입니다.

스케일기라면 어느정도 이해하겠는데 아크로기나 패턴기라면 참으로 심각한 문제가 되겠죠.

엔진 트러스트 각도가 적당하지 않은 (모자르는) 기체도 있습니다.

그러나 이 부분에 대해서는 메이커 탓만을 할수는 없습니다. 소비자들이 더 큰 엔진을 탑재하기

때문에 발생하는 문제이기도 합니다.

엔진과 기자재 탑재후 무게중심이 맞지않는 경우가 아주 많습니다.

대체로 요즘에는 큰 추력을 선호하기 때문에 큰 엔진을 탑재했는데도 앞이 앞이 가벼운

경우가 비일비재 합니다.

차라리 앞이 무거우면 모멘트 암이 긴 꼬리쪽에 소량의 추를 넣어 맞출수 있는데 이럴 경우에는

참 난감합니다.

결함이 복합적 일때가 가장 큰 골칫거리입니다.

이것들중 한가지 정도만 문제가 있을때에는 쉽게 원인을 찾아낼수가 있는데 두세가지 결함이

섞이면 원인파악이 결코 쉽지만은 않기 때문입니다.

당분간은 값싸고 훌륭하게 마감까지 되어있는 ARF를 즐기면서 치루어야할 대가가 아닌가 싶습니다.

하긴 이런 결함을 찾아내고 수정/보완을 해 나가는것도 하나의 취미가 아닐까 하는 생각도 해 봅니다.

분명한 사실은 가격은 일류제품의 1/4인데 성능은 3/4 이라는 것입니다.

물론 모자라는 1%가 치명적일수도 있지만 소비자 입장에서 이 정도로 만족해야만 하겠죠?

몇년 지나면 어떻게 될까요?

값싸고 훌륭하게 마감까지 되어있고 게다가 비행성과 내구성도 훌륭한 제품들로 변신할것 같습니다.

그 때가 되면 가격도 덩달이 많이 오를거라고요???

메이커에서 권하는 무게중심에 무조건 따를 필요는 없습니다.

거의 대부분 이를 따르면 되지만 간혹 경우에 맞지 않는 무게중심을 표기한 것도 있습니다.

또한 메이커 입장에서는 안전한 처녀비행을 위해 무게중심을 대개 앞쪽으로 표기하기도 합니다.

연습기, 스케일기는 제시된 무게중심 위치를 지키거나 오히려 더 앞으로 보내야 하지만

패턴기 아크로기는 기체에 익숙해지면 무게중심 위치를 뒤로 보낼 필요가 있기도 합니다.

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