기본적인 비행 이론을 알아보고, 실제 비행기와 모형 비행기(RC)의 비행 이론 특징과 차이점을 이해하고 나아가 모형 비행기 입문 시 도움이 될 수 있는 무선 조종 비행과 기체의 세팅에 대해 함께 다룬다. 모형 비행기가 아니더라도 대략적인 비행 이론에 관심이 있는 경우에도 도움이 될 것이다.
비행 이론
평균익현 (MAC, Mean Aerodynamic Chord)
테이퍼익이나 후퇴익에서 날개폭(Wing Chord)은 일정하지 않기 때문에 우선 평균 날개폭을 알아야만 한다. 이를 비행 이론에서 평균익현(MAC; Mean Aerodynamic Chord)이라 하는데 아래 그림은 간단하게 MAC를 구하는 방법이다.
익근(Wing Root)의 날개폭을 익단(Wing Tip)의 앞뒤에 붙이고 익단의 날개폭을 익근의 앞뒤에 붙인 다음 그 끝을 대각선으로 연장하면 그 교차점이 평균익현(MAC)이 된다.
익단의 날개폭이 0이면, 즉 날개 끝이 뾰족하면, MAC 가 익근에서 1/3지점에 오게 되는 간단한 기하의 원리를 이용한 방법이다.
결국 대부분의 날개는 익근에서 1/2지점에서 1/3지점에 MAC 가 위치하게 된다.
익형(Airfoil)에 따라 양력의 중심이 각각 다른데 특별한 익형을 제외하고는 대체로 익형에서 가장 두꺼운 부분이 양력중심이 되며 대개 30%에서 35% 지점이라 보면 된다.
위의 그림에서는 33% 지점이라 가정하고 MAC의 33% 지점에서 동체중심선으로 직각으로 연장한 지점이 양력중심이 된다.
앙각(Incidence Angle)과 받음각 (Angle of Attack)
일부 사람들이 앙각(Incidence Angle)과 받음각(Angle of Attack)을 혼동하는 경우가 있는데 앙각은 붙임각 이라고도 말하며 동체중심선에 대한 날개의 각도를 뜻한다. 따라서 제작 시에 앙각이 결정되어 변화를 주기가 매우 곤란하다. 그러나 받음각은 비행 중에 기체의 자세에 따라 달라지는 각도로 기체의 진행 방향에 대한 날개의 각도를 말한다.
대부분의 실물기들은 크기에 비해 상대속도가 대단히 느려서 상당한 각도의 앙각을 가지고 있다.
그러나 모형 비행기는 크기에 대한 상대속도가 매우 빠르기 때문에 일반적으로 실물 비행기보다는 앙각이 덜 필요하게 된다.
일부 실물축소기들은 많은 앙각을 가지고 있어서 문제가 되는 경우가 많이 있다.
20~30년 전에 설계된 기체에 신형 엔진이 장착되기 때문에 더 많은 추력과 속도를 갖게 되며 제작상의 문제로 기체가 무거워진 결점을 보완하기 위해서 더 큰 엔진을 장착하는 경우도 있다.
중속에 기준을 두고 트림을 맞추었는데 스로틀을 증가시키면 자꾸 상승하는 결과를 가져온다.
이런 경우에는 다운 트러스트를 증가시키거나 앙각을 줄여야 할 필요가 생긴다.
패턴기에는 앙각이 곡예비행에 매우 불리한 요소로 작용하기 때문에 이를 최소화하거나 아예 앙각이 없도록 설계하는 것이 보편화 되어있다.
익형(Airfoil)
날개의 단면형을 익형(Airfoil)이라 하는데 1908년 라이트 형제의 비행 성공 이후로 수천가지 익형이 개발되고 테스트 되었다.
비행 이론에 있어서 가장 복잡하고 오묘한 특성과 함께 가장 중요한 요소로 작용하는 것이 익형이 아닌가 생각한다.
실물기를 축소한 실물 축소기의 경우에는 실물기의 익형을 그대로 사용할 수 없다.
간단히 말해서 실물기의 익형은 레이놀드수가 다르기 때문이다.
대체로 속도가 얇은 익형은 속도가 빠른 기체이며 두꺼운 익형은 속도가 느린 기체에 어울린다.
또한 앞전반경이 작은 익형은 저속특성이 나빠지고 앞전반경이 큰 익형은 저속특성이 좋다.
익하중 (Wing Loading)
비행 이론에서 가벼운 기체에 충분한 양력을 가지고 있다면 당연히 비행기는 하늘을 날 수가 있다.
물론 날개의 모양과 익형을 비롯해서 추력과 기타 제반 사항이 충족되어야 하겠지만 비행을 위해 가장 먼저 고려할 부분은 역시 날개면적(Wing Area)과 기체중량(Weight)일 것이다.
기체 중량을 날개면적으로 나눈 값을 익하중(Wing Loading)이라고 하는데 이 값은 비행에 매우 중요한 요소이다.
익하중이 높은 비행기는 충분한 양력을 얻기 위해서 빠른 속도로 비행하게 되며 실속속도도 그만큼 높고 역시 이착륙 시에도 최저 양력을 확보하기 위해서 어느 정도 속도가 요구된다.
따라서 기체를 무겁게 만들고 이를 보완하기 위해서 힘이 더 센 엔진을 장착한다고 모든 문제가 해결되는 것은 아닐 것이다.
다음은 적절한 익하중을 예시한 표이다.
맨 위의 칸은 기체명(날개길이)를 나타내고 가운데 칸은 중량(kg)/익면적(dm2)이며 아래 칸은 익하중(g/dm2)이다.
정리하면 25~45급 초보 연습기는 익하중이 50~60g/dm2 정도이며 45-140급 패턴기는 익하중이 71~76g/dm2정도인데 반하여 60-120급 스케일기는 익하중이 85~95g/dm2로 매우 높은 것을 알 수 있다. 그러나 50cc~100cc의 초대형기는 90-115g/dm2으로 높은 익하중을 가지지만 크기가 커지면 공기역학적으로상당히 유리해진다. 반대로 25급 이하의 작은 비행기는 같은 익하중에서도 상대적으로 빠른 비행 속도를 유지하여야만 한다. 최근에 유행하는 소형/저속 비행기는 익하중이 20g/dm2 이하이고 실내용 초저속 비행기는익하중이 5-10g/dm2에 불과하다.
엔진토크 반작용 (Engine Torque Reaction)
거의 모든 모형 비행기의 프로펠러는 뒤에서 보아 시계방향으로 회전하기 때문에 기체는 그 반대 방향인 반시계방향으로 회전하려 든다. 돌고있는 프로펠러에 대하여 공기가 저항하기 때문에 기체가 반대방향으로 회전하게 된다.
이를 비행 이론에서 반작용 토크라 하는데 이 효과는 프로펠러의 회전수 및 회전의 증가와 감소, 그리고 기체의 속도와 자세와도 연관이 있다.
프로펠러가 빠르게 돌면서 기체가 최대속도로 수평으로 비행할 때는 이 반작용 토크를 느낄 수 없다.
왜냐하면 이 상태에서 트림이 세팅되어 있고 두 개의 큰 주익이 동체를 받치고 있기 때문이다.
스로틀을 낮추고 기체의 속도를 줄이면서 착륙하기 위해 접근하다가 트로트를 갑자기 올리면 엔진 토크 반작용이 가장 극명하게 드러날 때이다.
기체의 속도가 느리기 때문에 두개의 주익이 동체를 받치는 힘도 약할뿐 아니라 갑자기 반작용 토크가 증가하였기 때문이다.
특히 스케일기에 있어서 플랩을 내리고 착륙접근을 하다가 착륙이 여의치 않아서 급히 스로틀을 올리면서 복행하는 것은 매우 위험한 일이다.
이때에는 스로틀을 부드럽게 올려주면서 기체의 롤축 자세에 대해 대응할 시간을 가져야만 할 것이다.
기체가 무거워서 더 큰 엔진을 장착하는 예를 우리는 주위에서 흔히 볼수 있다.
그러나 약한 엔진의 가벼운 기체와 힘이 남는 엔진의 무거운 기체는 명확하게 다른 성능을 보여준다.
상대적으로 작고 무거운 기체는 그만큼 익하중이 높아져서 실속속도가 높아지며 엔진토크 반작용도 따라서 증가되며 기체의 관성이 늘어나서 결과적으로 나쁜 비행특성을 가지게 된다.
무거운 쌍발기를 비행하기 위해 과다한 출력의 엔진을 장착했을 경우 이륙과 동시에 엔진토크 반작용으로 기체가 좌측으로 급격하게 돌아가는 현상까지도 발생한다.
하향 트러스트 (Down Thrust)
대부분의 실물 비행기는 이륙하고 고도를 확보하면 일정한 속도로 비행하게 된다. 다시 말해서 일정한 순항속도를 가지고 있다.
그러나 모형비행기는 다양한 속도로 비행을 하기 때문에 고속과 중속에서도 같은 트림으로 수평비행을 해야 할 필요를 느끼게 된다.
중속의 수평비행에 트림을 세팅하였다면 고속에서는 같은 받음각으로도 당연히 양력이 증가해서 기체가 상승하려고 할 것이다.
다운 트러스트는 기수를 숙이게 하는 회전모멘트를 발생시켜서 고속의 비행에서도 기체가 상승하지 않도록 보완하여 준다.
즉 추력에 비례해서 기수 숙임 모멘트를 증가시키므로 속도증가에 의한 양력증가를 매우 효율적으로 감쇄시킬 수 있다.
필요이상의 많은 다운트러스트는 배면비행 및 수직상승, 수직하강 그리고 나이프에지 비행에서 결정적인 흠이되게 마련이다.
게다가 고속의 수평비행을 하다가 트로틀을 낮추면 기수를 숙이게 하는 회전모멘트가 감소되지만 아직 기체의 속도는 고속으로 남아있어서 기체가 위로 튀는 현상을 보이게 된다.
바로 이점을 이용하여 우리는 다운트러스트가 지나치지 않은지 여부를 판가름 할수있다.
나선후류 (Corkscrew Stream, Slip Stream)
프로펠러가 회전하면서 발생한 바람은 곧바로 후방으로 나아가지 않고 프로펠러의 회전과 같은 방향으로 동체를 감싸며 돌아나가 수직미익을 좌에서 우로 밀치는 힘이 발생한다. 비행 이론에서 이를 나선후류라고 하는데, 모형 비행기에서 가장 골치아픈 부분이 바로 이 나선후류 효과이다.
나선후류 비행 이론에 상응해서 선택한 방법이 우향 트러스트인데 수평비행이나 배면 비행 시에는 이 우향 트러스트가 매우 효과적이다.
그러나 일정한 순항속도를 가지는 실물기에서는 우향트러스트를 거의사용하지 않고 대개 러더의 트림을 이용하여 직선으로 비행하도록 유도하지만 P-51D Mustang의 경우는 수직미익 앞에서 동체로 연결되는 등지느러미(Dosal Fin)가 약간 좌측을 향해 붙어있다.
패턴기의 경우 수직 상승 시의 정점에서는 엔진은 빨리 회전하고 있지만 기체의 속도가 많이 감소되어 직진성이 떨어지게 되어 이 나선후류 효과에 의해 기체가 요오축의 좌측으로 회전하려는 경향이 크게 나타난다.
이때 기체를 바르게 잡으려면 러더를 우측으로 사용하여야만 한다.
만일 수직미익이 동체의 윗쪽에 있지 않고 그 반대로 아랫쪽으로 있다면 나선후류 효과는 반대방향 으로 작용하게 되며 수직미익이 위,아래로 균등한 면적을 갖는다면 나선후류 효과가 매우 적을 것이다.
따라서 동체 아랫쪽에 붙이는 벤투럴 핀은 수직미익의 면적을 늘려주는 효과뿐만 아니라 나선후류 효과를 감소시키는 작용도 한다.
우향 트러스트 (Right Thrust)
비행 이론의 나선후류에 의해 기수가 좌측으로 돌아가는 현상을 바로잡기 위한 방법이 우향트러스트 이다.
실물기의 경우는 주로 일정한 순항속도를 가지므로 우향 트러스트를 채택하지 않고 등지느러미(Dosal Fin)나 러더의 트림수정으로 이에 대응하지만 모형비행기는 다양한 속도로 비행을 하기 때문에 고속과 중속 에서도 같은 트림으로 직선비행을 해야 할 필요가 있다.
러더의 트림으로 나선후류에 대응한다면 기체의 속도에 따라 다른 경향을 보이므로 아예 엔진의 각도를 우측으로 돌려놓는 것이 더욱 효과적이 된다.
스케일기 보다는 주로 패턴기에 많이 채택하지만 곡예성능이 우수하거나 비교적 속도가 빠른 스케일기에도 우향트러스트는 필수적이다.
관성 모멘트 (Moment of Inertia)
모든 물체는 관성을 가지고 있으며 그 관성의 크기는 질량에 비례한다. 비행 이론에서는 운동방향에 대한 관성과 회전에 대한 관성으로 크게 두가지로 나누어 설명할 수 있는데 운동방향에 대한 관성은 누구나 상식적으로 생각하는 부분인데 반해서 회전에 대한 관성은 보통 크게 고려하지 않는 부분이다. 또한 운동방향에 대한 관성은 기체의 전체 질량에 관계되지만 회전에 대한 관성은 무게분포와 연관이 있다.
1. 롤축에 대한 관성 날개 전체가 무겁거나 좌우 날개끝의 무게가 무겁다면 롤축에 대한 관성이 커져서 롤이나 스냅롤, 그리고 스핀등의 진입이 어렵고 일단 회전이 시작된 후에는 회전속도가 빨라지는 경향을 보이며 조종면을 중립으로 하여도 회전이 한참 지나쳐서 멈추는 현상이 나타난다. 따라서 이런 기체는 패턴비행에는 매우 불리한 점으로 나타난다. 스케일기에 있어서도 날개끝에 폭탄이나 미사일 또는 연료탱크를 붙일때에는 이점에 유의하여 날개끝에 장착되는 액세서리는 되도록이면 가볍게 제작하여야 한다.
2. 피치축과 요오축에 대한 관성 스케일기중에는 앞주둥이가 길고 반면에 주익에서 미익까지의 동체의 길이가 짧은 기체가 많다. 다른 표현으로 노즈 모멘트(Nose Moment)가 크고 테일 모멘트 (Tail Moment)가 작은 기체가 많다. 그리고 미익의 크기가 상대적으로 작아서 (축소효과의 불리한 점) 수직, 수평 안정판의 기능이 부족한 경우가 있다. 이런 기체는 피치축과 요오축에 대한 관성에 대한 안정력이 부족해지게 마련이다. 그리고 실물감을 더하기 위해 정성들여 도장(칠)을 하다가 보면 기체의 뒤쪽이 무거워져서 무게중심을 맞추기 위해 앞쪽에 추(Weight)가 들어가는 경우가 많은데 이 경우에도 피치축과 요오축에 대한 관성이 증가하기 마련이다. 이런 기체는 스핀과 같은 기동에서 모든 조종면을 중립으로 하여도 스핀이 풀리지 않고 계속될 확률이 매우 높으므로 비행시 매우 유의해야할 것이다.
프로펠러의 비균형 부하 (Symmetrical Loading of Propeller, P-Factor)
기체가 저속으로 받음각을 크게 하여 수평으로 진행할 때는 기체의 진행 방향과 프로펠러의 축간에는 각도가 생긴다. 이때에 프로펠러가 좌측의 반원을 그리며 올라갈 때에는 프로펠러의 받음각이 상대적으로 감소되며 프로펠러가 우측의 반원을 그리며 내려갈 때에는 프로펠러의 받음각이 상대적으로 증가되어 결국 우측반원의 프로펠러 양력이 좌측반원의 양력보다 커져서 기체가 요오축의 좌측으로 회전하는 현상이 나타나게 된다. 이를 비행 이론에서 프로펠러의 비균형 부하라 하며 간단히 줄여서 P-팩터라 부른다.
패턴기에서 스핀을 하기 위해 스로틀을 낮추고 기체의 속도를 줄이면서 진행 방향을 그대로 유지시키기 위해 엘리베이터를 서서히 당기며 받음각을 증가시켜 나가면 실속직전에 기체가 요오축에 대해 좌측으로 회전하는 것을 볼 수 있다.
특히 이 현상은 배면스핀에서 더욱 크게 나타난다. 그 이유는 배면스핀에 진입하려면 엘리베이터 다운을 더 많이 사용하여 받음각을 수평비행에서의 진입시 보다 더 크게하며, 이에 따라 항력이 늘어나 실속의 위치를 센터로 유도하기 의해 엔진트로틀을 약간 사용하면서 접근하고 게다가 다운 트러스트로 인해 각도의 편차가 더욱 커지기 때문에 P-팩터가 더욱 크게 생겨나기 때문이다.
스케일기에서 착륙시에 저속으로 접근하며 받음각을 지나치게 많이 주고서 착륙을 시도하면서 실속을 막기위해 트로틀을 써주는 경우에는 엔진토크 반작용에 의한 Roll Left와 나선후류에 의한 Yaw Left, 그리고 P-팩터에 의한 Yaw Left가 더해져서 좌측으로 순식간에 실속할 위험성이 매우 높아진다는 점을 유의하도록 하여야 한다.
프로펠러의 세차현상 (Propeller Precession, Gyro Precession)
회전하고 있는 물체는 그 회전축을 바꾸지 않는 성질을 가지고 있고 이 원리로 돌고 있는 팽이가 쓰러지지 않는 것은 누구나 알고 있는 과학상식이며 또한 이 원리를 이용한 자이로 센서는 모형 헬리콥터에 필수적인 것으로 널리 사용되고 있다. 그런데 회전하고 있는 물체의 회전축에 변화를 주면 90도 지나서 그 반응이 나타난다. 이를 세차운동(歲差運動, Precession)이라 한다.
모형 비행기의 회전하는 프로펠러에서도 이러한 현상이 나타나는데 프로펠러의 직경이 크고 무거운 경우에 현저하게 보여진다. 직경 13인치 이상의 프로펠러, 즉 2Cycle 80급이상, 4Cycle 1.20급 이상의 기체에서 느낄 수 있는 현상이다.
대형기에서 이륙을 위해 가속하다가 속도가 붙으면서 꼬리가 들릴 때, 즉 피치 다운하면서 Yaw Left하는 현상이 쉽게 발견된다. 기체의 진행방향을 계속 직선으로 유지하려면 이 순간에 거의 동시에 반사적으로 러더를 약간 우측으로 틀어 주어야만 한다.
지면효과 (Ground Effect)
기체가 지면 가까이에 오게 되면 비행 이론상 양력이 증가하며 기체를 받쳐주어 기체가 지면과 평행하게 미끌어지며 비행하는 느낌을 받게 된다. 실물기는 양쪽날개를 합한 길이 만큼의 고도에 날개가 위치할 때에 지면효과를 받기 시작한다고 하는데 모형비행기는 좀더 낮아서 한쪽날개 길이 정도의 고도에서 지면효과를 느낄수 있다.
WIG선은 이 지면효과(수면효과)를 이용하는 특수선박으로 많은 익하중과 적은 추력 으로 수면 가까이 비행을 하게 된다. 고니와 같은 큰 새들도 가까운 거리는 지면효과를 이용하여 힘을 덜 들이고 비행을 한다고 한다.
비행 이론에서 여러가지 현상을 말하면서 지면효과 만이 비행에 도움을 주는 현상인 듯한데 이를 잘못 이해하면 피해를 보는 경우도 있다. 무겁고 추력이 부족한 기체로 이륙을 할때에 서둘러 이륙하여 엘리베이터를 급하게 당겨서 받음각을 지나치게 늘려주어 기체가 갑자기 실속하는 경우가 많은데 이때에 실속은 지면효과를 벗어나는 고도에서 일어나기 쉽다.
착륙시에도 지면효과를 지나치게 이용하여 지면과 평행하게 끌고 나아가다가 기력이 다해서 저고도에서 실속시키는 예도 종종 볼 수 있다.
축소효과 (Scale Effect)
실물 비행기를 그대로 축소해서 모형 비행기를 만들면 잘 날까?’라는 질문에 대한 대답은 ‘아니오’ 이다. 축소된 모형 비행기는 실물기에 비해서 훨씬 더 희박한 밀도의 공기속을 날고 있다고 보면 된다. 조금 과장된 표현으로 물속에서 날다가 공기중에 나와서 비행하는 것에 비유할 수 있다. 따라서 모형 비행기는 크기에 비해 상대적으로 더 빠르게 날아야만 양력이 유지된다고 볼 수 있을 것이다. 좋게 말하면 비행이 경쾌하고, 나쁘게 말하면 비행이 경박하다고나 할까?
비행하는 공기의 밀도가 상대적으로 낮다(희박하다)고 가정한다면 당연히 익형(Airfoil)도 달라져야 할 것이고 저속비행시의 안정성도 그만큼 떨어지기 때문에 더욱 긴 테일모멘트와 더욱 큰 미익(수직/수평 안정판)이 필요하게 된다. 물론 주익과 미익의 각도도 실물기와는 다르게 세팅되어야만 한다. 이러한 이유로 대부분의 일반적인 모형 비행기는 실물기와는 사뭇 다른 형태를 지녀서 그야말로 ‘모형’답게 생겼는데 이를 못마땅하게 받아들이는 사람들이 스케일 매니아가 아닐까?
스케일기 중에서도 가장 문제가 심각한 종류는 당연히 프로펠러기의 마지막 세대인 2차대전시의 전투기로 비행속도가 빠르고, 익하중이 높고, 실속속도도 높아서 비행이 매우 까다롭다고 할 수 있다. 그러나 반면에 가장 다이나믹하게 비행할 수 있는 기종이 되기도 한다.
덜 축소된 초대형 스케일기는 당연히 축소효과가 적게 나타나서 실물기의 제원을 거의 그대로 사용하여도 되고 비행의 실물감이 더해지는 반면에 나선후류효과, 관성모멘트, P-Factor, 세차현상등이 눈에 띄게 나타나서 우리를 괴롭히며 더불어 구조적인 문제점, 엔진의 진동에 대한 대비책, 착륙시의 과다한 충격에 대한 대비책, 서보의 힘이 부족하다든지 하는 새로운 많은 복병이 도사리고 있다는 점을 유의하여야만 한다.
실속 (Stall)
비행 이론에서 매우 중요하고 우리가 비행기를 날리면서 가장 중요시 해야 할 단어 중의 하나이다. 고정익 비행기는 추력에 의해 속도가 생기고 이 속도에 의해 양력이 발생한다. 따라서 실속을 이야기하는데 가장 중요한 요소는 속도와 양력이다. 양력에서 먼저 짚어보어야 하는 부분은 익하중으로 기체중량을 익면적으로 나눈 값이 익하중이다. 익하중이 높은 기체는 그만큼 실속 속도가 높고 익하중이 낮은 기체는 그만큼 실속 속도가 낮아진다. 일반적으로 고익기보다는 저익기가 빠르고 익하중이 높은 경우가 많기는 하지만 고익기이냐 저익기이냐는 실속속도에 직접적인 영향을 주지는 않는다.
같은 익면적이라도 익형에 따라 실속속도가 달라지는데 고양력 익형은 대개 좀 두껍고 고속익형은 대개 얇다. 작은 기체는 큰 기체보다 크기를 고려한 상대적인 실속속도가 높은데 이는 레이놀드수가 달라서이다. 작은 기체는 상대적으로 소한(희박한) 공기속을 날라다니고 큰 기체는 상대적으로 밀한(짙은) 공기속을 날라다닌다고 보면 된다 이를 축소효과라고 한다. 40급 비행기보다는 20급 비행기가 상대적인 실속속도가 높아서 스피드 랜딩이 요구 된다.
익면적과 양력 외에 또한가지 요소는 기체 설계로 주익의 각도(앙각), 형상(전진익, 후퇴익), 미익의 거리와 면적등은 실속속도에는 크게 영향을 주지 않으나 실속시의 자세에 영향을 미친다. 기수를 얼마만큼 들수 있는가(날개의 최대 받음각)가 이들에 의해 결정된다. 일반적으로 후퇴익 비행기는 최대 받음각이 크며, 수평미익 면적이 넓어도 최대 받음각이 크게 된다.
추가로 언급할 수 있는 요소는 무게중심으로 뒤가 무거우면 실속 시에 옆으로 실속이 되며 앞이 무거우면 실속시 그냥 앞으로 기수를 숙이게 된다. 좌우로 실속되는것이 앞으로 실속되는 것보다 더욱 치명적으로 약간의 고도가 있을때 앞으로 실속되면 기속이 증가되어 위기를 모면할수 있으나 옆으로 실속되면 기체가 회전하면서 실속되는 방향의 날개는 더욱 깊게 실속에 빠지게 되므로 더욱 치명적일수 있다. 좌우무게중심이 맞지 않는다면 실속직전에 날개가 무거운 쪽으로 넘어가게 된다.
새로운 비행기의 처녀비행이 끝나면 2회나 3회부터는 고도를 올려서 실속을 시켜보아서 실속속도와 실속시의 최대 받음각을 눈여겨 보고 이것을 머리속에 입력 시켜 놓아야 한다. 이 속도 이상에서 이 각도 이하로 비행하면 원치않는 실속을 피할수 있으며 착륙시에도 이를 고려할수 있다. 모든 기체는 양력중심보다는 무게중심이 악간 앞에 위치한다. 이는 비행속도가 줄게되면 양력이 감소되면서 자연스럽게 기수를 숙여주기 위해서 인데 기수가 내려가면서 하강하게 되면 위치에너지가 줄면서 반면에 속도에너지가 증가되어 다시 양력을 찾게된다.
수평비행을 하다가 엔진을 낮추어 기체의 속도를 줄이면서 점차로 엘리베이터를 당겨 받음각을 차차 증가시키면서 수평으로 계속 진행을 하면 최대 받음각에 도달하면서 어느 순간 기체는 더 이상 균형을 유지하지 못하고 기수를 떨구며 실속에 진입하게 된다. 실속되면서 기수를 급격히 숙이면서 떨어지다가 속도가 증가되면 엔진을 올려주며 엘리베이터를 당겨 수평으로 회복시킨다.
패턴 비행에서 실속 곡예는 몇 가지 요구조건이 추가된다. 첫째로 실속시점까지 기체의 진행방향이 수평이 되어야 하고 좌우 날개의 균형을 끝까지 유지해야 한다는 점이다. 이를 위해서는 날개의 좌우 무게중심을 정확하게 맞추어 주어야 한다. 둘째는 패턴비행은 연기에 해당하므로 확실한 실속을 보여주어야 한다는 것이다. 기체에 따라서 실속순간에 옆으로 흐르는 경우가 많으므로 최대받음각에서 실속순간을 포착하면 최대로 받쳐 주었던 엘리베이터를 놓아서 기수가 그대로 앞으로 숙이는 모습을 보여주어야만 한다. 셋째는 실속후 기체가 수직으로 떨어지지 않기 때문에 엘리베이터를 이용하여 정확히 수직으로 하강하도록 하여야 한다. 마지막으로 가장 중요한 것은 실속순간의 위치가 정확히 조종사의 정면에 오도록 유도해야 한다. 그러나 이것은 풍속과 풍향에 따라서 판이하게 달라질수 있으므로 많은 연습을 필요로 한다.
착륙 (Landing)
비행 이론에서 가장 중요하고 비행하면서 가장 신경 쓰이는 것이 착륙이다. 이륙은 선택이지만 착륙은 필수 이기 때문이다. 조종자에게나 구경꾼에게나 가장 멋진 장면이기도 하면서 초보자가 가장 무서워 하는것이기도 하다. 누구는 5회 비행만에 착륙을 했다. 누구는 10회 비행을 하고 착륙을 했다. 또 누구는 30회 비행을 하고 착륙을 했다. 이건 착륙이 아니다. 부서지지 않을 정도로 땅에 떨구었다가 맞는 말일 것이다. 대부분의 사람은 50회 비행이 넘어야 겨우 착륙을 한다. 착륙에 대해 몇가지 적어본다.
- 우선 착륙 어프로치 코스를 정확하게 잡는 것이 중요하다. 활주로가 넓다면 폭 10m, 길이 100m 정도로 임의의 활주로를 정해놓고 연습한다. 넓은 곳에서 아무 방향이나 상관없이 착륙을 하면 제한된 활주로에는 착륙시킬수 없다. 활주로와 평행하게 정확하게 활주로 중심선에서 1-2m 오차 이내로 방향을 잡고 활주로에 접근하는 것이 매우 중요하다. 측풍이 불더라도 활주로를 제한해 놓고 연습하여야 한다.
- 속도를 줄여야 한다. 내 기체의 실속속도를 정확히 파악하고 이 속도에 근접 시키되 절대 실속시키면 안된다. 빠른 속도의 착륙은 기체에 그만큼 손상을 줄 우려가 많고 때로는 착지후에 튀어오를 가능성이 있으며 튀어 오른후에 곧바로 실속으로 이어질 수도 있다.
- 고도를 맞추어야 한다. 고도가 높아서 기수를 숙이고 접근하면 위치에너지가 속도에너지로 바뀌어서 기체의 속도가 빨라진다. 고도가 낮으면 조종자의 정면까지 오지 못하고 그 전에 착지하게 된다. 엔진을 사용하면서 끌고 온다고 해도 매우 위험하다. 기체를 아래에서 위로 쳐다보면서 비행하면 우리 눈은 기체의 속도를 잘 판단한다. 먼 곳에서 낮은 고도로 다가올 때에는 기체의 속도를 판별하기가 매우 어려워서 실속이 되어도 잘 모르게 된다.
- 활주로로 착륙 접근 시 하강이 아니라 침하를 시켜야 한다. 기수를 숙이지 않고 저속상태로 기체를 침하시키면서 활주로에 접근하여야 한다. 기체의 종류에 따라 이 접근자세는 각각 다르다. 실속에서 언급했듯이 일반적으로 후퇴익 비행기는 최대 받음각이 크며, 수평미익 면적이 넓어도 최대 받음각이 크게 된다. 수평자세 또는 기수를 점차로 약간 들면서 접근하면 기체의 속도가 차츰 줄게 된다. 단, 무거운 기체는 이 방식으로 착륙하기가 곤란하다. 약간의 스피드랜딩이 필요하다.
- 마지막 착지 시(고도 1m 이내)에는 기체가 실속속도에 거의 다다라서 엘리베이터를 당겨도 상승하지 않을 정도가 되어야 한다. 지면효과 고도까지 내려오면 엘리베이터를 당겨서 기체의 받음각을 거의 최대로 늘려주면서 메인기어가 지면에 먼저 닿도록 한다. 지면효과 (Ground Effect)는 보통 날개 길이만한 고도에서 발생한다고 한다. 그러나 이것은 실물기의 경우이고 모형은 보통 한쪽날개 길이 정도의 고도에서 발생한다.
- 저속의 상태에서 에일러론의 조작은 실속을 유발한다. 실속 직전의 상황에서의 에일러론 사용은 금물이다. 러더가 훨씬 효과적이므로 러더로 방향을 잡도록 한다. 이렇게 착륙하면 실물기보다도 더 멋진 착륙장면을 연출할 수 있다.
- 착륙 접지후 한쪽날개는 실속 상태이고 다른 한쪽 날개의 양력이 남아서 이 날개가 들리면서 기체가 한쪽으로 회전하며 실속상태인 날개가 지면에 닿는 현상을 Ground Loop 라고 한다. 측풍이 불거나 속도가 있는 상태에서 급격한 회전시 많이 발생한다. 착지후 굴러가면서 방향을 급격히 돌리지 않도록 미리 방향을 잘 잡아서 접근을 하도록 한다. 보통 메인기어와 테일기어가 있는 스케일 비행기에서 발생한다.
- 착지가 여의찮아서 엔진을 올리며 복행할 때는 엔진을 급작하게 올리지 않아야 한다. 엔진의 반작용 토크(Anti Torque Rotation)와 동시에 나선후류 효과 (Corkscrew Stream) 후류가 수직미익을 좌에서 우로 미는 현상)로 기체가 좌측으로 돌며 기울게 된다. 저속에서 엔진을 많이 돌리면 이 두가지 효과가 매우 크게 나타난다. 특히 플랩을 내리고 초저속으로 진입하다가 엔진을 급작히 올리면 심한 경우에는 그자리에서 좌측으로 롤링하며 실속하게 된다.
모형 비행기의 세팅
패턴기의 트림조정
가급적이면 바람이 불지 않는 날을 택해서 해 보도록 하며 아래에 열거한 방법을 순차적으로 점검하면서 문제가 발견되어 트림수정을 하게 되면 다시 처음부터 체크해 나가도록 한다. 수차에 걸쳐서 테스트 해 보고 트림수정을 하여야 하며 패턴비행을 계속 즐기려면 이 절차와 늘 함께 하여야 할 것이다.
비행전 점검 (Pre-Flight Test)
무게중심은 MAC의 34%에서 38%사이로 설정하고 좌우 날개의 균형도 맞추어 준다. 최근의 패턴기의 제원을 보면 대개 주익앙각 0도, 미익앙각 0도이며 다운트러스트 1.5도, 우향트러스트 1.5도 내지 2.5도이고 주익의 위치에 따라 조금씩 다르지만 상반각은 상면제로 정도로 하고 있다. 모든 조종면이 중립이 되도록 세팅하고 조종면의 유격은 없는지, 조종면이 바람에 밀리지 않을 것인지를 체크한다. 조종기와 수신기를 모두 켜고 조종면을 손가락으로 지긋이 눌러보아 푸시로드가 휘지 않는지, 토크플레이트가 비틀어지지 않는지, 서보가 밀리지 않는지를 점검해 보도록 한다. 물론 기체에 따라 다르지만 에일러론의 타각은 상향 12도, 하향 11도 내지 12도 정도로 하고 러더의 타각은 30도 내지 35도로 하며 엘리베이터의 타각은 상향 10도, 하향 11도 정도에서 출발하여 보도록 한다.
수평비행 트림 (Control Neutrals)
기체가 수평비행이 되도록 하고 조종기에서 손을 떼어도 계속 수평비행이 유지 되도록 에일러론과 엘리베이터의 트림을 세팅하고 나서 착륙후 조종기의 트림이 다시 중립에 오도록 크레비스(Clevis) 를 돌려서 맞춘다.
타각 조정 (Control Throws)
수평비행을 하다가 퀵롤 3회를 연속으로 하는 시간이 3내지 4초가 되도록 에일러론의 타각을 맞춘다. 스퀘어 루프를 해 보아서 네퀴퉁이의 1/4루프가 원만하게 이루어지도록 엘리베이터의 타각을 맞춘다. 러더의 타각은 30-35도 정도로 하며 스톨턴이 잘 되도록 한다. 수평비행을 하다가 1/2루프를 하여 기체가 거의 정점에 다다랐을 때에 우측으로 플러스 스냅롤을 하고 다시 1/2루프를 하여 수평으로 회복한다. 이때 충분히 스냅롤이 되도록 타각을 조절하여 주도록 한다. 다시 수평비행에서 속도를 낮추고 45도로 하강중에 우측으로 플러스 스냅롤을 해 본다.
또한 수평비행에서 속도를 낮추고 90도로 수직으로 하강중에 우측으로 마이너스 스냅롤을 해 보아서 이 스냅롤들이 타각이 모자라서 스파이럴 다이브가 되지 않도록 한다. 타각 조정을 끝낸 후에 수평비행과 몇가지 패턴을 해 보고 부드러운 비행이 될수 있도록 Exponetial 세팅을 하도록 한다. 에일러론은 20-30%, 엘리베이터는 10-20%, 러더는 20-40% 정도의 Exponential이 적절한데 이는 조종자의 성향에 따라 달라질수도 있다.
무게중심 (Center of Gravity)
기체를 롤축으로 90도 회전시키고 엘리베이터를 당겨서 뱅크턴을 시도하여 본다. 이때 기수가 숙여지면 앞이 무겁다고 보면 된다. 꼬리쪽에 추를 넣고 켜서 다시 90도 뱅크턴을 하여 기수가 숙여지지 않도록 한다. 반대로 기수를 들려는 경향이 보이면 앞에 추를 더하도록 한다. 또 한가지의 방법으로는 기체를 롤축으로 180도 회전시켜서 배면비행을 하는데 배면 수평비행을 유지시키기 위해 많은 엘리베이터 다운이 필요하면 앞이 무거운 것으로 꼬리쪽에 추를 넣도록 한다.
수평비행을 하다가 엔진을 낮추고 점차로 엘리베이터를 당겨서 실속 직전까지 진행할 때 한쪽날개가 먼저 드롭되면 반대쪽 날개끝에 추를 넣어서 좌우 균형을 맞추도록 한다. 역시 배면 수평비행을 하다가 엔진을 낮추고 점차로 엘리베이터를 밀어서 실속직전까지 진행시켜 보면서 다시 체크하여 본다. 만약 날개가 비틀어지지 않았다면 수평과 배면 수평비행에서 같은 결과를 얻을수 있을 것이다. 실속직전에는 기체가 요오축의 좌측으로 회전하려는 경향이 있는데 이는 프로펠러 후류에 의한 것인데 이는 트림으로 막을 방법이 없으므로 조종자가 비행중에 러더 키로 수정하여야만 한다.
엘리베이터 얼라인먼트(Elevator Alignment)
조종자에서 멀어지는 쪽으로 수평비행을 하다가 내면루프(Inside Loop)를 연속으로 하여 보고 다시 배면수평비행을 하다가 외면루프(Outside Loop)를 연속으로 해본다. 이때 기체가 롤축으로 회전하면 좌우 엘리베이터의 타각이 다르거나 풍압에 밀리는 양이 다른 경우이다.
앙각 (Incidence)
엔진을 아이들(Idle) 상태로 기체를 수직으로 하강시킬때 기수를 들면서 업(Up)으로 빠지면 앙각이 많은 것으로 앙각을 줄여주도록 하고 반대로 다운(Down)으로 빠지면 앙각이 모자라는 것으로 앙각을 늘려준다.
상반각 (Dihedral)
조종자에서 멀어지는 쪽으로 수평비행을 하다가 러더를 우측으로 했을 때 기체가 롤축으로 우회전하면 상반각이 많은 것이며 반대로 롤축으로 좌회전하면 상반각이 모자란 것으로 판단한다. 역시 러더를 좌측으로 했을때의 롤축으로 회전하는 경향을 살펴본다.
사이드 트러스트 (Side Thrust)
바람을 향해서 조종자에서 멀어지는 쪽으로 수평비행을 하다가 엘리베이터를 부드럽게 당겨서 수직으로 상승할 때 기체가 좌측으로 흐르면 Right Thrust를 더하고 기체가 우측으로 흐르면 Right Thrust를 감한다. 사이드 트러스트가 많이 모자라는 기체는 수평비행에서도 기체가 요오축의 좌측으로 서서히 회전하며 비행하게 된다.
다운 트러스트 (Down Thrust)
바람을 향해서 수평비행을 하다가 엘리베이터를 부드럽게 당겨서 수직으로 상승할 때 기체가 피치업(Pitch Up) 하면 Down Thrust를 더하고 피치다운(Pitch Down) 하면 Down Thrust를 감한다.
에일러론 디퍼런셜 (Aileron Differential)
조종자에서 멀어지는 쪽으로 수평비행을 하다가 엘리베이터를 부드럽게 당겨서 45도로 상승하다가 우측으로 롤을 했을 때 기체가 우측으로 튀면 우측 에일러론의 상향 타각을 늘려주도록 한다. 45도로 상승하다가 역시 우측으로 롤을 했을 때 기체가 좌측으로 꺼지면 좌측 에일러론의 하향 타각을 늘려주도록 한다. 45도로 상승하다가 좌측으로 롤을 했을 때 기체가 좌측으로 튀면 좌측 에일러론의 하향 타각을 늘려주도록 한다. 45도로 상승하다가 역시 좌측으로 롤을 했을 때 기체가 좌측으로 꺼지면 우측 에일러론의 하향 타각을 늘려주도록 한다. 모든 기체는 우측과 좌측의 롤 성향이 다를 수 밖에 없다. 이는 엔진토크 반작용과 프로펠러의 나선후류 효과 때문인데 대부분의 기체는 좌측 롤에서 에일러론 디퍼런셜이 특별히 요구된다. 45도로 상승하며 테스트하는 이유는 식별하기 좋은 각도라는 이유 외에도 중용을 택하는 점도 있다. 수직상승과 수평비행에서도 테스트해 보도록 한다.
나이프에지 테스트 (Knife-Edge Tracking)
수평비행을 하다가 우측으로 90도 롤을하여 러더를 적당량 받쳐주며 나이프에지 비행을 하여 보고 다시 좌측으로 90도 롤을하여 반대방향의 나이프에지 비행을 하였을 때 기체가 피치업(Pitch Up)하면, 즉 플러스 방향으로 빠지면 양쪽 에일러론을 모두 약간 아랫쪽으로 내려준다. 반대로 기체가 피치다운(Pitch Down)하면, 즉 마이너스 방향으로 빠지면 양쪽 에일러론을 모두 약간 윗쪽으로 올려준다. 만일 우측 나이프에지와 좌측나이프에지가 각각 다른 핏칭을 보일때에는 러더-엘리베이터 믹스로 이를 해결해야만 한다.
감속 테스트 (Power-Off Tracking)
수평비행을 하다가 트로틀을 아이들로 줄여 기체를 감속시키면서 롤축의 변화를 살펴본다. 기체가 감속되면서 롤축의 변화를 보이면 트로틀-에일러론 믹스를 2-3%씩 증가시키면서 수평자세를 유지하도록 한다. 바람을 향해 수평비행을 하다가 트로틀을 아이들로 줄여 기체를 감속시키고 수직으로 다이브 하면서 롤축의 변화를 살펴본다. 기체가 수직하강 하면서 롤축의 변화를 보이면 트로틀-에일러론 믹스를 2-3%씩 증가시키면서 롤축의 변화가 없도록 해 준다. 수평비행을 하다가 트로틀을 아이들로 줄여 기체를 감속시키고 수직으로 다이브 하면서 피치축의 변화를 살펴본다. 기체가 수직하강 하면서 피치축의 변화를 보이면 트로틀-엘리베이터 믹스를 2-3%씩 증가시키면서 피치축의 변화가 없도록 해 준다.
정리
수평비행 위주로 세팅한다. 모든 패턴비행은 수평비행에서 시작되고 종료된다. 따라서 정확한 수평비행을 하지 못한다면 그 다음에 이어지는 모든 기동에 상당한 영향을 끼치게 마련이다. 모든 기체는 수평비행, 배면비행, 수직상승, 수직하강시의 세팅이 서로 영향을 미치게 마련인데 수평비행을 최고의 우위에 놓고 세팅하여야 가장 좋은 패턴비행을 할수 있다고 말할 수 있다.
에일러론 디퍼런셜 (Aileron Differential)
간단히 말하자면 에일러론의 상하 타각을 다르게 설정하는 것이 에일러론 디퍼런셜 이라고 한다. 조종자에서 멀어지는 쪽으로 즉 기체의 꼬리를 보면서 수평비행을 하다가 엘리베이터를 부드럽게 당겨서 45도로 상승하다가 우측으로 롤을 해 보도록 한다. 이때 기체가 우측 위로 튀는 현상이 보여진다면 하향 타각이 상향타각보다 많다는 것을 뜻한다. 이때에는 좌우 에일러론 모두 상향 타각을 늘려주도록 한다. 만일 45도로 상승하다가 역시 우측으로 롤을 했을 때 기체가 좌측 아래로 튀면 좌우 에일러론 모두 하향 타각을 늘려주도록 한다.
나이프에지 믹싱 (Knife-Edge Mixing)
비행 이론상 상반각이 많은 기체는 나이프에지(Knife Edge) 비행 시 롤축으로 회복하려는 성향을 갖으며 반대로 상반각이 부족한 기체는 롤축으로 넘어가려는 성향을 보인다. 또한 피치업하거나 치다운하는 경우도 있다. 이런 때에는 앙각이나 상반각 또는 다운트러스트를 다시 조정해야만 하는 방법이 우선이지만 이를 간단히 믹스로 처리할 수도 있다.
- 우측으로 90도 롤을 하여 나이프에지 비행시 롤축으로 넘어가는 경우에는 러더-에일러론 믹스로 러더를 좌측으로 하였을때에 에일러론이 약간 좌측으로 가도록 믹스한다.
- 우측으로 90도 롤을 하여 나이프에지 비행시 롤축으로 회복하는 경우에는 러더-에일러론 믹스로 러더를 좌측으로 하였을때에 에일러론이 약간 우측으로 가도록 믹스한다.
- 좌측으로 90도 롤을 하여 나이프에지 비행시 롤축으로 넘어가는 경우에는 러더-에일러론 믹스로 러더를 우측으로 하였을때에 에일러론이 약간 우측으로 가도록 믹스한다.
- 좌측으로 90도 롤을 하여 나이프에지 비행시 롤축으로 회복하는 경우에는 러더-에일러론 믹스로 러더를 우측으로 하였을때에 에일러론이 약간 좌측으로 가도록 믹스한다.
- 우측으로 90도 롤을 하여 나이프에지 비행시 피치업 하는 경우에는 러더-엘리베이터 믹스로 러더를 좌측으로 하였을때에 엘리베이터가 다운이 약간 들어가도록 믹스한다.
- 우측으로 90도 롤을 하여 나이프에지 비행시 피치다운 하는 경우에는 러더-엘리베이터 믹스로 러더를 좌측으로 하였을때에 엘리베이터가 업이 약간 들어가도록 믹스한다.
- 좌측으로 90도 롤을 하여 나이프에지 비행시 피치업 하는 경우에는 러더-엘리베이터 믹스로 러더를 우측으로 하였을때에 엘리베이터가 다운이 약간 들어가도록 믹스한다.
- 좌측으로 90도 롤을 하여 나이프에지 비행시 피치다운 하는 경우에는 러더-엘리베이터 믹스로 러더를 우측으로 하였을때에 엘리베이터가 업이 약간 들어가도록 믹스한다.
마치며
지금까지 비행 이론과 함께 모형 비행기의 조종과 세팅까지 함께 알아보았다. 언급된 비행 이론을 모두 다 이해하지 않아도 RC 비행기를 날리는데에 큰 어려움은 없다. 비행 이론을 통해 비행기에 대해 좀 더 깊이 이해할 수 있는 계기가 되었으면 한다. 비행 이론을 좀더 알고자 한다면 Theory of Flight PDF 문서를 참고하면 좋을 듯 하다.