본문 바로가기

댓글0
번역beta

Translated by kakao i

번역할 언어 선택

뷰 본문

BEMIL 군사세계

비행 중인 여객기의 엔진이 멈췄어도 비상착륙에 성공한 비결

하늘의 과학(8) 비행기의 강하 비행

35,366 읽음
댓글0
번역beta

Translated by kakao i

번역할 언어 선택

여객기가 엔진 고장으로 인해 활공 비행으로 착륙한다면


실제로 여객기가 순항 비행 중에 엔진 고장으로 인해 활공 비행으로 착륙한 사례가 있다.

1983년 7월 에어 캐나다 143편 보잉 767 여객기가 순항 비행 중 연료 부족으로 캐나다 매니토바 주 김리(Gimli) 공군 기지에 비상 착륙하는 사건이 있었다. 이 여객기는 캐나다 몬트리올을 출발해 오타와를 경유해 에드먼턴으로 향하던 중이었다.

그러나 순항 비행 중 황당하게도 연료 부족으로 인해 엔진 2대가 모두 꺼져 버린 것이다. 몬트리올에서 항공사 직원이 연료 공급할 때 SI 단위와 파운드 단위를 혼동해 연료를 적게 넣었기 때문이었다. 조종사들은 순간 대처 능력을 발휘해 최적의 활공 속도인 시속 410킬로미터를 유지하면서 약 12​​:1의 활공비로 비행했다. 조종사는 직선 거리 19킬로미터 거리를 비행하는 데 1.5킬로미터의 고도를 잃은 것을 계산해 근처 김리 공군 기지를 선택했다.

승객 61명 중 부상하거나 사망한 사람 없이 공군기지에 비상 착륙하는 데 성공했다. 이 사례는 김리 글라이더(Gimli Glider) 사건으로, 뉴욕 허드슨 강에 불시착한 US 에어웨이즈 1549편 사건과 함께 활공 비행으로 착륙한 아주 유명하다.

미국 NASA 에임스 시뮬레이터를 방문한 설리 기장

US 에어웨이즈 1549편 사건은 2009년 1월 A320 여객기가 뉴욕 라과디아 공항을 이륙한 지 2분 만에 엔진이 고장 나자 글라이더처럼 활공시켜 강에 착륙한 사건이다.


이 여객기는 미국 노스캐롤라이나 주 샬럿을 가기 위해 이륙했지만 새 떼와 충돌하는 바람에 엔진 2개가 동시에 고장났다. 그러자 해당 여객기의 체슬리 설리 설렌버거(Chesley Sully Sullenberger) 기장은 놀라울 정도로 침착하게 가장 가까운 허드슨 강에 내리기로 결정해 디칭(ditching, 수면 위에 착륙)을 성공적으로 수행했다.


이것은 2016년 9월 미국에서 개봉한 톰 행크스 주연의 영화 「설리: 허드슨 강의 기적」으로도 유명하다. 이러한 사례는 여객기를 글라이더처럼 활공시켜 비상 착륙한 경우로 조종사들의 순간 대처 능력이 얼마나 중요한지를 보여 주는 좋은 사례로 유명하다.

항공기의 강하 비행


비행기가 추력 없이 활공(gliding) 비행하는 경우는 엔진 결함으로 인해 추력이 상실했을 때, 또는 엔진 자체가 없는 글라이더가 비행할 때이다. 이때 고도를 최소한으로 상실하는 최소의 활공각(gliding angle)으로 어떻게 최대한 멀리 비행할 수 있는지 알아보자.


이를 위해서는 우선 강하 비행할 때 운동 방정식을 수학적으로 구해야 한다.


추력 T=0으로 무동력 강하할 때 비행기에 작용하는 힘은 다음 그림과 같이 나타낼 수 있다

강하 비행하는 항공기에 작용하는 힘들

이때 비행 방향에 수직 및 수평 방향으로 작용하는 힘의 평형 방정식은 다음과 같다.

여기서 γ는 활공각을 나타낸다.

활공 중인 비행기의 임의 특정 고도에서의 강하 속도(descend speed)는 다음과 같이 힘의 평형 방정식으로부터 얻을 수 있다.

이 식을 속도에 대해 정리하면 강하 중인 비행기의 비행 속도는 다음과 같다.

이 식으로부터 활공각 γ가 커지면 강하 비행 속도가 줄어든다는 것을 알 수 있다. 또 직선 수평 비행 속도 Vh에 √cosγ를 곱한 값과 같음을 알 수 있다.


만약 동일한 여객기가 무게 변화에 따른 속도를 구하기 위해 일정한 양력 계수에서 운용되는 경우 속도와 총 중량의 관계를 구하면 다음과 같다.

여기서 V1과 V2가 중량 W1과 W2에서의 최적의 활공 속도를 나타낸다고 하자. 만약 동일한 공기 역학적 형태를 갖는 비행기가 탑재량이 달라 총 중량 W2가 W1보다 무겁다고 하자. 더 무거운 경우의 활공 속도 V2는 가벼운 경우의 활공 속도 V1보다 더 빨라야 한다.


이러한 변화는 비행기의 양력 대 항력의 비율인 양항비(L/D)와 활공비(glide ratio)의 심한 변화를 유발하지 않는다. 이와 같이 최대 양항비를 발생시키는 특정 양력 계수(특정 받음각)에서 운용된다면 총 중량은 활공비에는 크게 영향을 미치지 않는다.


따라서 동일한 공기 역학적 형태를 갖는 비행기는 총 중량이 다를지라도 같은 고도에서 같은 거리를 활공하는 것으로 볼 수 있다.




활공각과 활공비에 대하여


추력 T 자체가 없는 무동력 글라이더 비행의 경우 힘의 평형 방정식 D를 L로 나누면 다음과 같은 식을 구할 수 있다.

이 관계식으로 부터 (CL|CD)max일 때, 즉 최대 양항비를 가질 때 최소 활공각 γmin이 된다. 이것은 전체 항력 계수 CD가 최소인 공기 역학적 상태에서 얻을 수 있다는 뜻이다. 왜냐하면 일반적으로 비행기의 양력은 무게와 거의 동일하고 최소 활공각은 최대 양항비 (CL|CD)max에서 얻을 수 있기 때문이다.


활공비는 무풍 상태에서 직선 비행중의 비행 거리와 고도의 비율을 말하며, 양항비로 나타낼 수 있다. 예를 들어 활공비가 10:1인 글라이더는 1미터 강하할 때 10미터 수평 거리를 날아간다.

활공 거리 S는 비행기가 어떤 고도(h)에서 어떤 활공각 γ로 활공하기 시작해 지면에 도달했을 때 그 수평 거리를 말한다. 여기서 활공각 γ은 수평선과 비행 경로가 이루는 각을 말하며 다음과 같이 표현할 수 있다.

만약 비행기의 양항비가 크면 활공비는 커지고 활공각은 작아진다. 비행기는 활공비가 클수록 활공각은 작아지고 더 멀리 날 수 있어 활공 거리 S는 늘어난다.


비행기가 모든 조건이 동일하고 단지 날개의 가로, 세로 길이비만 다를 때 가로, 세로 길이비가 큰 경우에 유도 항력의 증가율이 작으므로 양항비가 커져 활공 성능이 좋아진다. 즉 날개의 가로, 세로 길이비가 클 때 활공각은 작아져 멀리 날아갈 수 있다.


아래 표는 항공기 종류별 대략적인 활공비를 나타낸 것이다. 독일 ETA 항공사에서 제작한 ETA 활공기는 자력 발사가 가능한 복좌 글라이더로 전체 길이가 9.75미터이고 날개 길이가 30.9미터다. 이 활공기는 날개의 가로, 세로 길이비가 51.3으로 시속 108킬로미터에서 활공비 70을 보유하고 있다.

항공기 종류별 활공비

최적 활공 속도는 최대 양항비를 제공하는 속도로 최소 강하율을 유지하고 실속 속도보다는 빨라야 한다. 만약 비행기가 최적 활공 속도보다 느리면 활공각이 증가하고 활공 거리는 줄어든다. 이와 반대로 비행기가 최적 활공 속도보다 빠르면 활공 시간이 짧아져 활공 거리는 줄어든다.


일반적으로 조종사는 수직 속도가 최저에 달하는 최적의 활공 속도를 조종석 계기와 도표 또는 경험을 통해 파악할 수 있어야 한다. 이 속도로 활공할 때 가장 멀리 날 수 있기 때문이다.


최대 양항비는 항력이 큰 착륙 상태에서의 최대 양항비가 아닌 항력이 아주 작은 클린 상태(랜딩기어, 플랩, 슬랫 등이 원위치에 있는 상태)에서 얻는다.


아래 그림은 양력 계수에 따른 양항비(양력과 항력과의 비)를 나타낸 그래프로 클린 상태와 착륙 상태에서의 변화를 보여 준다. 양항비는 고양력 장치와 착륙 장치가 작동 중이어서 항력이 증가한 착륙 상태에서보다 클린 상태에서 더 크다는 것을 보여 준다. 그래프에서 최대 양항비는 특정 양력 계수에서 나타나는데, 이것은 받음각에 따른 양력 계수 그래프를 통해 특정 받음각임을 알 수 있다.


비행기가 착륙 상태로 전환하면서 유해 항력이 증가하므로 최대 양항비가 감소하며, 최대 양항비를 나타내는 양력 계수는 증가한다. 따라서 무동력 비행기가 최소 활공각으로 활공하는 경우 착륙 상태의 비행기가 클린 상태의 비행기보다 강하율이 높고, 반면에 항력 증가로 인해 강하 속도는 느려진다.

활공 성능을 나타내는 양항비

여객기 엔진 고장으로 인한 활공 사례


만약 여객기 엔진이 고장난다면 어쩔 수 없이 무동력 강하 비행(활공 비행)해야 한다. 활공할 때의 강하율(rate of descend, RD)은 단위 시간 동안의 고도 감소율이므로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

강하각이 아주 작다면 즉 γ ≤ 15°이면, cos γ ≈ 1, sin γ ≈ γ이므로 강하율은 다음과 같이 표현된다.

이 식에 따라 강하율을 최소로 하는 공력 조건은 (CL3/2|CD)max가 된다. 강하율이 작으면 활공 시간은 길어지며, 결과적으로 체공 시간이 길어진다. 따라서 오랫동안 체공하기 위해서는 (CL3/2|CD)max인 조건으로 비행해야 한다. 그리고 가장 멀리 활공하기 위해서는 활공비를 최대로 하는 최대 양항비 (CL|CD)max로 비행해야 한다. 각 비행기마다 공력 조건을 만족하는 최적의 활공 속도가 존재한다.


저자 장조원

공군 사관 학교 항공 우주 공학과를 졸업하고 서울 대학교 대학원에서 석사 학위를, 한국 과학 기술원(KAIST)에서 항공 우주 공학 박사 학위를 받았다. 공군 사관 학교 항공 우주 공학과 부교수, 미국 메릴랜드 대학교 방문 학자, 캐나다 라이어슨 대학교 겸임 교수 등을 지냈다. 한국 항공 운항 학회 부회장, 한국 가시화 정보 학회 편집 이사, 한국 항공 우주 산학 위원회 공력 해석 및 설계 분과 위원장, 대한민국 공군 발전 협회 연구 위원 등으로 활동하고 있다. 한국 항공 우주 학회 학술상, 현대자동차그룹 우수 논문상, 한국 항공 대학교 최우수 교수상, 교원 업적 종합 부문 최우수상, 한국 항공 운항 학회 우수 논문상, 한국 가시화 정보 학회 우수 논문상 등 다수의 상을 수상했다. 저서로는 항공 우주 과학을 일반인도 읽을 수 있도록 쉽게 풀어 쓴 『하늘에 도전하다』와 『비행의 시대』 등이 있다. 현재 한국 항공 대학교 항공 운항학과 교수, 공군 사관 학교 명예 교수로 있으며, 곤충이나 새와 같은 생체 모방 비행체, 경계층 흐름 제어, 유동 가시화 등을 비롯한 비정상 공기 역학 분야 연구를 활발히 수행하고 있다.

제공 사이언스북스

실시간 인기

    번역중 Now in translation
    잠시 후 다시 시도해 주세요 Please try again in a moment