[Aerodynamic] Left turning tendency(P-factor, Torque, Slipstream, Gyroscopic) 1장

Left turning tendency 란?

Left turnning tendency 란 프로펠러 항공기에서 발생하는 현상이다. Power를 넣고 이륙 활주를 할 때 바람이 불지 않는 상태에서 항공기가 왼쪽으로 쏠리는 현상을 말한다. 이를 방지하기 위해 처음 이륙 훈련을 할 때 Right rudder 를 이용하여 활주로 중앙에 정대하는 훈련을 한다. 프로펠러 항공기에서 왜 이런 현상이 나타나는지 그 이유에 대해서 자세히 알아보도록 하자.

1. Torque effect

2. P-factor

3. Slipstream

4. Gyroscopic Precession

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Torque Effect

Torque Effect 란 프로펠러 날개가 회전하는 방향의 반대방향으로 항공기가 돌아갈려는 성질을 의미한다. 조금더 쉽게 이해하고자 한다면 고무동력기를 떠올려 보자 고무줄을 감은 상태에서 프로펠러를 잡고 동체를 놓으면 동체는 반대방향으로 돌아가는 현상과 동일하다.

 

여기에서 뉴턴의 제 3법칙인 "작용 반작용" 법칙에 의해 발생하는 현상이다. 프로펠러가 도는 힘(작용)에 의해 동체가 돌아가려는 현상(반작용)이 나타나게 되는 것이다.

 

이러한 현상은 '이륙 활주 시' 프로펠러 회전의 반대쪽 바퀴에 더 큰 힘이 실리게 된다. 그림에서 보면 왼쪽 바퀴에 더 큰 힘이 실리게 되어 더 큰 마찰로 인하여 왼쪽 방향의 Yaw 현상이 발생하게 된다. 대부분의 프로펠러가 시계방향으로 회전하여 왼쪽 방향으로 회전하려는 Left turning tendency가 발생한다.

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P-factor

P-factor란 프로펠러에서 발생할 수 있는 '비대칭 추력'을 의미한다. 왼쪽 그림을 보면 프로펠러 양쪽 날개의 각도가 동일하지만 프로펠러가 회전함에 따라 프로펠러 Airfoil과 상대풍이 이루는 AOA는 항공기의 Pitch가 들리게 됨에 따라 달라지게 된다. 우측 그림을 보면 '기수가 들렸을 때' 좌측의 상승하는 프로펠러와 우측의 하강하는 프로펠러의 AOA가 상이한 것을 확인할 수 있다.

이에 따라 발생하는 양쪽 프로펠러의 추력이 달라지게 된다. 우측 프로펠러에서 더 큰 AOA가 형성됨에 따라 더 많은 양의 추력이 발생하여 항공기가 세로축에 대하여 좌측으로 Yaw가 발생한다.

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Slipstream

Slipstream이란 프로펠러가 회전함에 따라 항공기 동체를 감싸는 위와 같은 형태의 공기 흐름이 발생한다. 이는 우측 그림처럼 항공기의 고리날개에 힘을 가하여 왼쪽으로 Yaw가 발생하게 한다.

 

특히 저속Low speed에서 High RPM으로 회전하는 프로펠러에서 크게 발생한다. 속도가 증가함에 따라 나선형으로 흐르는 흐름이 뒤로 길게 뻗어지기 때문에 꼬리날개에 가해지는 영향이 줄어들게 된다.

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Gyroscopic

기본적으로 회전하는 프로펠러는 위 특성을 가진 Gyroscope이다. 이에 따라 Rigidity in space, Precession 두 가지 특성을 가지고 있다. 이중 Left turning tendency가 나타나는 이유는 Precession 때문이다. Precession 효과는 힘이 작용하는 방향의 90도 지점에서 힘의 결과가 나타나는 현상이다.

위 그림처럼 항공기가 이륙을 위해 Pitch 가 들리게 되면 이에 대한 90도 방향인 우측 방향으로 힘의 결과가 생긴다.

Precession으로 인한 Left turning tendency는 "Tailwheel 항공기"에서 발생한다. 이륙을 하기 위해 꼬리가 들려 Pitch가 아래 방향으로 내려가며 이에 대한 90도 방향인 좌측 방향의 Turning tendency 가 생겨나게 되는 것이다.