[항공 지식] 조종사의 조종입력이 어떻게 조종면으로 전달되는거지?

안녕하세요? SotS 팀원 슈퍼챠저 입니다.

오늘은 비행기 조종사가 조종간을 움직이면 그에 따라 어떻게 조종면이 움직이는지(조종면에 대한 자세한 설명은  - 유로나쿠님의 글인 여기를 참고해주세요!)에 대해 알아보도록 할게요. 비행기의 크기는 매우 다양합니다. 당연히 비행기의 크기에 따라 조종면의 크기도 달라지겠지요. 

항공대나 각종 비행 학교에서 사용되는 자그마한 비행기의 조종면은 사람의 힘으로 움직 일 수 있을 정도로 가볍고 움직이기 쉽지만 여러분들이 공항에서 쉽게 보실 수 있는 대형 여객기의 경우 한번 조종면을 '까딱' 하기 위해서는 수톤의 힘이 필요합니다. 

먼저 비교적 간단하게, 자그마한 비행기들의 조종입력 신호를 어떻게 비행기 밖의 조종실로 연결되는지 알아볼까요?

이 사진은 아담하고 귀엽기까지 한(?!) 세스나 152의 사진입니다. 여러분들이 타고 다니는 자동차의 비슷한 크기이지요:) 정말 저만 그럴지 모르겠지만 날개를 까딱까딱 거리는 모습이 너무 귀여운것 같아요!

세스나 152의 조종실을 살펴보겠습니다. 저기 보이는 핸들(?!) 같은게 보이시지요? 정확히 말하면 요크 이지요. 세스나 152와 같은 소형 항공기는 조종면과 요크, 러더 페달이 직접 연결되어있습니다. 무슨 말이냐구요?

저 요크와 조종면이 직접 강한 줄로 이어져 있다는 것입니다. 전원에 상관없이 전기와 유압, 공압의 도움을 받지 않고 순수하게 사람의 힘으로만 조작할 수 있어요. 비행기 내부를 뜯어보면 저 요크와 비행기의 조종면은 전깃줄 하나 없이 강한 금속 줄 등으로 연결되어있습니다. 조종면을 움직이는데 여러가지 복잡한 것이 필요치 않고 날다가 중간에 엔진이 꺼졌는데 배터리까지 꺼졌다거나(!) 하는 경우에도 조종면을 움직이는데에는 아무 이상이 없습니다. 또 조종사가 직접 바람의 힘을 느끼며 조종할 수 있지요. 하지만 그만큼 조종할때 바람이 불거나 속도가 빠르면 힘이 들기도 해요.

어? 비행기가 많이 커졌어요? 과연 저 커다란 비행기의 커다란 조종면을 사람의 힘으로만 움직일 수 있을까요? 아닙니다. 무언가 더 큰 힘이 필요하지요. 그래서 등장한게 '유압'입니다. 유압식 브레이크, 자동차 좋아하는 분들은 다 들어보셨죠? 

운전자가 페달을 밟으면 일정한 루트를 통해 그게 유체로 전달되고 그 유체가 강한 힘으로 피스톤을 미는 것입니다. 항공기의 조종면 역시 비슷한 원리입니다. 조종사가 조작을 하면 그것이 여러가지 기계적 장치를 통해 유압 시스템에 전달됩니다. 중간에 FCC라는 것을 거치는데 이건 일종의 보정 역할을 하신다고 봅니다. 유압을 다시 조종사가 의도한 대로 맞추어 지게 하는 것이지요. 기계식과 전자식으로 나뉘는데..음...이건 좀있다 자세히 알아보도록 해요 ㅋ 과거에는 커다란 비행기들도 직접 와이어 줄로 연결된 조종면을 조작했어야 했는데 유압식 조종장치로 인해 조종사가 필요한 힘이 많이 줄어들게 되었어요. 하지만 여전히 무겁답니다. 많은 중/대형 항공기에서 이 시스템을 적용하고 있습니다. 유압펌프는 전기나 엔진의 힘으로 작동되지요.

어? 근데 뭔가 허전합니다? 우리가 가장 많이 사용하는 전기는 왜 등장을 하지 못했을까요?

전기가 아예 쓰이지 않은 것은 아닙니다. 아까 말했듯이 유압펌프를 돌리는데 쓰기도 하고 비행기의 유압라인이 나가서 조종불능 상태가 되었을시 고양력장치인 플랩을 작동시키기 위해 사용되고 세스나152같은 자그마한 기종의 경우 플랩에 일반적으로 전기를 사용합니다. 하지만 아직까지 주된 작동장비로 사용되지는 못하고 있습니다. 소비하는 전력도 커야하고 기타 안정성 부분 문제도 있습니다. 그래도 유압식에 비해 효율적인 설계를 할 수 있고 손상된 조종면의 작동중지등의 문제가 발생하거나 조종면이 파손되었을경우 유압이 다 새지는 않을까 쩔쩔 매야하는 유압식 조종면과 달리 나머지는 독립된 액츄에이터로 구동됩니다. 이와 같은 전기로 조종면을 직접 작동시키는 방식을 PBW 라고 하는데 1998년 미 해군 F-18 기종에서 PBW 실험을 한적이 있었고 성공적이였다고 해요. 각종 전파 간섭등으로 인한 오작동 등등 여러가지 문제를 해결했을시 이점이 많은 미래에 각광받고 있는 조종방식 이지요 :) 벌써 무인기나 우주선에 사용되고 있는 경우도 있습니다.

F-18의 PBW 시스템 실험에 사용된 전기 기계식 액츄에이터 입니다. EMA 라고 하지요.

자, 이제 그럼 다시 미래에서 현재로 돌아와 볼까요? 지금 가장 많이 선호 되고 있는 방식은 FBW(Fly-By-Wire)를 이용한 조종면 작동입니다. 줄을 이용한 조종(?) 무슨 말인지 감이 잘 안오시지요?

기존의 유압식 조종방식은 조종사가 조종간을 움직이면 직접 유압이 조종면으로 전달돼 FCC(유압식 작동 부분을 참고해주세요!)의 보정을 받아 다시 유압으로 전달하는 방식이였습니다. 하지만 FBW에서는 조종간의 신호가 각종 기계적 장치를 거치지 않고 전선으로 바로 전자식 FCC, 그러니까 컴퓨터에 의한 보정을 받은 후 최종적으로 조종면에 전달됩니다. 조금 더 정교하게 수동 비행을 할 수 있고 조종사가 잘못된 동작을 하였을시 컴퓨터에서 이를 인지, 조종사의 지시를 무시하고 비행기가 안정적으로 날 수 있게 조종합니다. 또 정비와 설계에 있어서 굉장한 편리함을 가져다 주죠. 70년대부터 개발이 되었고, 이후 민항기에는 처음으로 에어버스사의 A320에 적용이 되었습니다. 이후 대부분의 항공기에는 이 시스템이 작용되었습니다.

 

하지만 결국 조종면을 움직이는 것은 유압입니다. FCC에서 전달받은 전기신호를 다시 유압으로 바꾸는 것에도 종류가 있습니다. 비슷해 보이긴 하지만(!)

전기 유압식 서보 작동기입니다. 전기 신호가 서보 모터가 전달되고 이것이 여러가지 증폭을 거쳐 유압을 작동시키는 것이지요. 

직구동 유압작동기입니다. 전기 신호가 서보모터로 작동되면 바로 유압을 작동시키는 시스템이지요. 요즈음 개발되는 최신 항공기에는 이방식이 사용되고 있습니다. 위에 비해 더 효율적인 설계와 무게 감소가 가능해 집니다. 

또 FBL(Fly-By-Light) 라고 해서 FBW 시스템이 각종 전자파등의 간섭을 받지 않고 무게를 줄이기 위해 광섬유를 사용하는 것입니다.

이상 글 마치겠습니다.

슈퍼챠저 였습니다 :)