1차 비행 조종면(Primary Flight Control Surface)

1차 비행 조종면(Primary Flight Control Surface)

고정익항공기에서 1차 비행 조종면 그룹은 도움날개, 승강키, 그리고 방향키가 있다. 도움날개는 양쪽 날개의 뒷전 부분에 부착되어 있는데, 움직일 때 세로축 주위로 항공기를 옆놀이 운동(rolling motion)시킨다. 승강키는 수평안정판의 뒷전에 부착된다. 승강키를 움직이면 수평축(가로축)에 대한 조종인 항공기 키놀이 운동(pitching motion)시킨다. 방향키는 수직안정판의 후방에 힌지로 부착한다. 방향키를 움직이면, 항공기는 수직축을 중심으로 빗놀이 운동(yawing motion)을 한다.

<비행기 3축에 대한 조종면과 운동>

1차 비행 조종면의 구조부재는 대부분 비슷하게 제작된다. 일부 크기, 모양, 그리고 장착 방법만이 다를 뿐이다. 알루미늄 항공기 비행 조종면의 구조부재는 전금속형 날개의 구조부재와 비슷하다. 1차 비행 조종면은 날개보다는 단순하고 작게 제작된 공기역학적 장치이다. 일반적으로 조종면은 1개의 날개보 또는 토크튜브의 주위에 알루미늄구조부재로 만들어서 부착하였다. 대다수 경항공기 리브는 평평한 알루미늄 판재를 프레스를 찍어서 제작한다.

리브에 있는 구멍을 경량 구멍(lightning hole)이라 하는데, 이것은 리브의 무게를 감소시킬 뿐만 아니라 구멍 주위의 플랜지를 통해 강성을 증가시킨다. 알루미늄외피는 리브 또는 스트링거 등에 리벳으로 결합한다. 다음 그림에서는 경항공기뿐만 아니라 중형항공기와 대형항공기의 1차 비행 조종면에서 찾아볼 수 있는 형태의 구조부재를 보여준다.

<알루미늄 조종면의 일반적인 구조>

복합재료로 조립된 1차 비행조종면도 많이 사용된다. 이것은 많은 대형항공기와 고성능항공기뿐만 아니라, 활공기, 자작항공기, 그리고 레저스포츠용 항공기에서 찾아볼 수 있다. 일반적인 금속 구조부재보다 더 큰 무게 대비 강도의 이점이 있으며 여러 가지 재료와 기술이 다양하게 사용된다.

알루미늄 외피(경량) 항공기가 일반적으로 알루미늄 조종면을 가지고 있는 것과 마찬가지로 천 외피 항공기의 조종면은 직물로 덮인 조종면인 경우가 많다. 천 외피 항공기의 조종면은 일부 알루미늄 조종면을 갖춘 일반적인 얇고 가벼운 알루미늄 항공기처럼 천외피 표면을 갖추었다는 것에 주의한다. 1차 비행 조종면은 공기흐름에 의한 진동 또는 플러터(flutter)가 없도록 균형이 잡히는 것이 중요하다.

제작사의 지시에 따라 수행되는 평형작업(balancing)은 일반적으로 특정 장치의 무게중심(CG)이 힌지지점에 있는지 또는 그 앞쪽에 있는지를 확인하는 것이다. 조종면의 평형이 적절하게 맞추지 못하면 비행안전에 심각한 결과를 초래할 수 있다. 그림에서는 조종면 앞전의 후방에 힌지지점이 설치된 몇 가지 도움날개의 장착 상태를 보여준다. 이것은 플러터(flutter)를 방지하기 위해 사용된 일반적인 설계방법이다.

<도움날개(Aileron) 힌지 위치>

---

도움날개(Ailerons)

도움날개는 세로축에 대해 항공기를 움직이는 1차 비행 조종면이다. 다시 말해 비행 중에 도움날개의 움직임은 항공기가 옆놀이(rolling)를 하도록 한다. 도움날개는 보통 양쪽 날개의 외측뒷면에 위치하며, 날개에 내장되어 있으며 날개의 표면젹의 일부분으로 계산된다. 다음 그림은 여러 가지의 날개 띁 설계에서 도움날개의 장착위치를 보여준다.

<다양한 날개의 도움날개(Aileron)>

도움날개는 항공기의 조종석에 있는 조종간의 좌우운동에 의해서 조종되거나, 또는 컨트롤 요크(control yoke)의 회전 운동에 의해서 조종된다. 한쪽 날개에 있는 도움날개는 아래쪽으로 내려가고, 반대쪽 날개에 있는 도움날개는 위쪽방향으로 올라간다. 이것은 세로축을 기준으로 항공기를 회전시킨다. 

다음 그림과 같이, 도움날개 뒷전 아래쪽방향으로 움직이는 날개에서 캠버는 증가하고 양력이 증가한다. 반대로 다른 쪽 날개에서 올라간 도움날개는 양력을 감소시킨다. 항공기를 옆놀이시키기 위한 도움날개의 작동으로 항공기는 민간하게 반응한다.

<도움날개(Aileron) 차동 조종장치의 동작>

도움날개의 상하 작동과 옆놀이에 대한 조종사의 요구는 항공기 특성에 따라 다양한 방법으로 조종석에서 조종면까지 전달된다. 그림과 같이, 조종케이블(control cable)과 풀리(pulley), 푸시풀 튜브(push-pull tube), 유압(hydraulic), 전기(electric) 또는 이들을 조합한 복잡한 기계장치를 사용할 수 있게 된다.

<조종석(cockpit)부터 조종면까지 입력 전달과정>

단순한 경항공기는 보통 유압식과 전기식 플라이바이 와이어(fly-by-wire) 도움날개의 조종 장치를 사용하지 않으며, 대형항공기와 고성능항공기에서 찾아볼 수 있다. 대형 항공기와 일부 고성능항공기는 날개의 뒷전 내측에 위치한 또 하나의 도움날개를 갖추고 있다. 1차 비행조종면과 2차 비행 조종면의 복잡한 시스템의 일부분인 이들은 비행 중에 가로 방향조종과 안정성을 제공하기 위해 사용된다. 저속에서 도움날개의 성능은 플랩과 스포일러의 사용에 의해 증대된다. 고속에서는 다른 조종면은 움직이지 않도록 유지되는 반면에 오직 내측 도움날개의 편향으로 항공기를 옆놀이 운동시킨다. 그림에서는 운송용 항공기에서 찾아볼 수 있는 대표적인 비행조종면의 위치를 보여준다.

---

승강키(Elevator)

승강키는 수평축 또는 가로축을 기준으로 항공기의 기수가 피치업 또는 피치다운이 되도록 조종하는 1차 비행 조종면이다. 승강키는 수평안정판의 뒷전에 힌지로 연결되어 있다. 조종석에서 컨트롤 요크를 앞쪽방향 또는 뒤쪽방향으로 밀어주거나 또는 당겨줌으로써 조종된다.

경항공기는 승강키를 움직이기 위한 조종석의 입력을 전달해 주는 조종케이블, 풀리, 푸시풀 튜브 등의 기계장치를 사용한다. 고성능항공기와 대형 항공기는 승강키를 움직이기 위해 좀 더 복잡한 시스템의 유압을 사용한다. 플라이바이와이어 조종계통을 구비한 항공기에서는 전기와 유압의 힘을 조합하여 사용한다.

---

방향키(Rudder)

방향키는 항공기가 빗놀이 또는 수직축에 대해 움직이도록 하는 1차 비행 조종면이다. 이것은 방향 조종을 제공해 주어 항공기의 기수를 요구하는 방향으로 향하게 한다. 하나의 방향키를 갖추고 있는 항공기 대부분은 수직안정판의 뒷면에 힌지로 연결되어 있으며, 조종석에 있는 발로 움직이는 한 쌍의 방향키페달에 의해 조종된다. 오른쪽 페달을 앞쪽으로 밀었을 때 항공기의 기수가 오른쪽으로 이동하도록 방향키를 오른쪽으로 편향시킨다. 왼쪽 페달은 동시에 뒤쪽방향으로 밀려난다.

방향키페달을 조작하여 다른 기계적 조종장치를 작동시키는 방법은 항공기의 특성에 따라 다르가. 대부분 항공기는 지상 이동 시 방향키 조종장치로 앞바퀴 또는 뒷바퀴의 방향 조종하는 조향장치로 사용한다.

이것은 지상활주 시 대기속도가 느려 조종면에 충분한 공기력을 발생시키지 못하기 때문에 조종사는 방향키페달을 조작해서 항공기의 앞바퀴 또는 뒷바퀴를 조향(steering)하도록 해준다.