Multi Engine : Critical Engine : PAST

안녕하세요 오늘은 Critical Engine을 배워 보겠습니다. Critical Engine을 우리말로 찾아보니까 '임계 엔진'이라고 합니다. 그러나 영어적 표현이 더 detail을 표현하는 것 같아서 Critical Engine으로 하겠습니다.

Multi engine과 Single Engine의 가장 큰 차이점은 OEI (One Engine Inoperative)입니다. 어느 한 엔진이 정지한 상태가 항공기의 Performance와 Control에 큰 차이를 가져오기 때문입니다. 
Critical Engine은 Multi Engine 항공기에서 어느 Engine이 고장 났을 때, 항공기의 Performance와 Control에 더 부정적인 영향을 주는 Engine입니다.

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조종석에 앉아서 볼 때...

1. 양쪽 엔진 모두 시계 방향으로 회전
-> 왼쪽 엔진이 Critical Engine.

2. 양쪽 엔진이 서로 반대 방향으로 회전
-> Critical Engine 없음. (Engine failure 상황에서 양쪽 엔진이 주는 영향이 비슷하다.)

OEI (One Engine Inoperative) 상황이 오면 항공기의 Performance와 Control이 영향을 받는다고 했습니다. Performance 측면에서는 출력이 반으로 줄어드니 직관적으로 이해가 가능합니다. Control이 영향이 받는 것은 한쪽 엔진이 꺼져서 약간 비대칭적 조종이 필요할 거 같은데 상세하게 알아보겠습니다.

OEI 상태에서는 항공기의 yawing과 rolling이 영향을 받습니다. OEI 컨디션에서 yawing과 rolling에 영향을 주는 요소는 각각 두 개씩 있습니다. Yawing을 일으키는 것으로는 P-factor와 Spiraling Slipstream이 있고 Rolling을 일으키는 것으로는 Accelerated Slipstream과 Torque Effect가 있습니다.


1. P-factor

항공기의 Prop은 회전할 때 올라가는 날개와 내려가는 날개가 있습니다. 항공기 pitch가 들리면 양쪽 Prop에서 나오는 출력이 달라지는데 High pitch에서 Prop의 출력은 내려가는 날개가 양력을 더 많이 발생합니다. 추력 또한 마찬가지입니다.

싱글 엔진에서 P-factor는 항공기에 yawing을 일으킵니다. 멀티 엔진에서도 마찬가지입니다. 항공기가 yawing을 하는 vertical axis를 중심으로 왼쪽보다 오른쪽에서 발생하는 출력이 더 강하여 항공기가 왼쪽으로 yawing 하게 됩니다.

Vertical Axis를 기준으로 우측의 엔진 중 내려가는 날개와의 거리가 좌측의 엔진의 내려가는 날개보다 거리가 더 멉니다. 즉 거리가 멀어서 더 큰 힘을 낼 수 있기에 우측의 
엔진 중 내려가는 Prop이 Yawing에 큰 영향을 주게 됩니다.

즉 좌측 엔진이 Inoperative 일 경우에 우측 엔진의 힘이 Yawing을 왼쪽으로 돌리므로 Critical Engine은 좌측 엔진입니다.



2. Accelerated Slipstream

 Accelerated slipstream은 쉽게 말하면 '가속된 후방 기류. 후방 기류는 프로펠러 뒤쪽에 생기는 기류입니다. 앞으로 진행하는 항공기에서 항공기의 다른 부분을 지나는 기류의 속도는 방향만 반대이고 항공기가 앞으로 나아가는 속도와 크기가 같을 것입니다. 프로펠러 뒤쪽의 기류는 그보다 빠릅니다. 

P-factor에서 보신 것처럼, 내려가는 Prop의 Angle of attack이 더 크다는 것은 내려가는 Prop이 더 많은 공기를 밀어낸다는 뜻입니다. 즉, 내려가는 Prop 뒤쪽의 공기 흐름이 더 많다는 소리입니다. 

마찬가지로 내려가는 Prop 뒤쪽 날개 상단에 양력이 강하게 발생합니다.
longitudinal axis와 CG(무게중심)를 기준으로 오른쪽의 양력이 더 큽니다.
다시 말해 항공기가 왼쪽으로 rolling 하려는 힘이 발생합니다.

P-factor와 마찬가지로 오른쪽 엔진의 내려가는 Prop이 왼쪽 엔진의 내려가는 Prop보다 CG로부터 더 멀리 있으므로 왼쪽 엔진이 고장 났을 때 accelerated slipstream에 의한 roll motion이 오른쪽 엔진이 고장 났을 때 보다 더 강하게 작용합니다. 
그래서 왼쪽 엔진이 critical engine입니다.

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3. Spiraling Slipstream

회전하는 Prop에 의해 발행한 후방 기류는 일직선으로 발생하는 것이 아니라 나선형으로 회전하면서 나타납니다. 회전하면서 뒤로 간 후방 기류는 항공기의 vertical stabilizer를 때려 오른쪽으로 힘이 작용합니다. 항공기는 CG를 중심으로 회전하니 꼬리를 오른쪽으로 미는 힘은 머리를 왼쪽으로 yawing 하게 만듭니다. Spiraling Slipstream은 특히 항공기의 속도가 느릴 때 나선의 간격이 더 조밀하고 yawing motion이 더 심해집니다.

Spiraling slipstream이 시계 방향으로 돌면서 점점 우측으로 흘러옵니다. 양쪽 엔진이 모두 살아 있을 때는 왼쪽 엔진에서 나온 후방 기류가 vertical stabilizer를 칩니다. 왼쪽 엔진이 정지하면 Spiraling slipstream에 의한 yawing이 사라질 것 같지만 어째서 왼쪽 엔진이 critical engine일까요?

먼저 오른쪽 엔진이 고장 난 경우를 먼저 보겠습니다. 왼쪽 엔진은 계속 출력을 만들고 있습니다. 항공기는 오른쪽으로 yawing 하려는 힘이 생깁니다. 그런데 왼쪽 엔진에서 나온 spiraling slipstream이 vertical stabilizer를 때리면서 항공기를 왼쪽으로 yawing 하게 만드는 힘이 생깁니다. 오른쪽으로 yawing 하려는 힘과 왼쪽으로 yawing 하려는 힘이 동시에 생겨 오른쪽으로 yawing 하려는 힘을 어느 정도 상쇄합니다.

 반면 왼쪽 엔진이 정지한 경우는 어떨까요?

오른쪽 엔진으로 생성되는 출력으로 인해 왼쪽으로 yawing 하려는 힘이 생깁니다.
그러나 후방 기류는 vertical stabilizer를 치지 못하고 아무런 힘이 생겨나지 않습니다. 상쇄된 값이 없으므로 왼쪽으로 Yawing 하는 힘이 큽니다.
그러므로 멀티 엔진에서는 왼쪽 엔진이 고장 난 경우 항공기가 yawing을 더 심하게 합니다. (Asymmetric thrust)
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4. Torque Effect

뉴턴의 운동 제3 법칙은 "작용에 대해서는 항상 같은 크기에 방향이 반대인 반작용이 있다."입니다. 항공기의 Prop에서도 마찬가지입니다. Prop을 오른쪽으로 돌리면 그 반대인 왼쪽으로 반작용이 옵니다.

왼쪽 엔진으로 인한 토크 효과는 항공기를 왼쪽으로 roll 하게 만드는 힘이 생깁니다. 하지만 동시에 아까 accelerated slipstream에서 보셨던 것처럼 왼쪽 날개에서 오른쪽 날개보다 더 많은 양력을 만듦으로 오른쪽으로 roll 하게 만드는 힘이 발생합니다. 두 힘은 서로를 어느 정도 상쇄합니다.

반대로 왼쪽 엔진이 고장 난 상황입니다. 오른쪽 엔진의 토크 효과에 의해 항공기는 왼쪽으로 roll 하려는 힘을 받습니다. 동시에 accelerated slipstream에 의해 왼쪽으로
roll 하려는 힘도 작용합니다. 두 힘은 서로 가중되어 더 큰 rolling motion을 받습니다. 그러므로 이번에도 왼쪽 엔진이 critical engine입니다.

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쌍발 엔진 항공기의 Critical Engine은 왼쪽 엔진입니다. 명심하시기 바랍니다.
P : P-factor
A : Accelerated Slipstream
S : Spiraling Slipstream
T : Torque Effect

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 오늘도 긴 글 읽어주셔서 진심으로 감사드립니다.