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단거리 이착륙기
단거리 이착륙기(短距離離着陸機, short takeoff and landing, STOL)는 짧은 활주로 또는 저속으로도 이착륙할 수 있는 비행기를 말한다. 가장 짧은 착륙거리에 대한 세계 기록은 9피트 5인치 (= 287.02cm)로, 댄 레이놀즈(D. Reynolds)가 기록을 가지고 있다고 한다.
미국연방항공국(FAA)의 기준으로는 출발점에서 활주하여 고도 15m에 도달하는데 필요한 수평거리, 또는 고도 15m에서 착륙 · 정지하기까지의 거리가 610m 이하인 항공기를 말한다.
수직이착륙기(VTOL)와의 차이가 명확하게 정의되지는 않으나, 짧은 거리에서 이착륙할 수 있으면 단거리 이착륙기라고 한다.
안전을 감안한 이착륙에 필요한 활주거리는 항공기의 크기나 종류에 따라 다르지만, 중형 수송기가 보통 1200m 이상인 데 비해 단거리이착륙 수송기는 600m 정도로 보통의 항공기(CTOL)와 수직이착륙기의 중간에 속한다.
단거리 이착륙기는 보통의 항공기와 동일 안정성과 조종성을 가지며 엔진 추력과 중량의 비율, 날개면 하중, 고양력장치 등을 특별히 고려하여 설계된다. 따라서 순항속도가 빠르고, 단거리 비행장에서도 발착할 수 있는 이점이 있다. 그러나 실용 단거리이착륙기로 개발된 기체(機體)는 적고, 아직 그 특징은 달성되지 않고 있다.
개요
단거리 이착륙기는 이륙·착륙 거리가 짧고, 좁은 비행장에서 발착할 수 있는 항공기를 말한다. 단거리이착륙기는 스톨기라고도 한다. 보통의 항공기에 고양력장치(高陽力裝置)를 부착한 것으로, 약 5m 고도로 상승하는 데 필요한 활주거리가 80m 안팎이다. 이에 대하여 수직으로 이착륙이 가능하여 활주가 필요하지 않는 항공기를 수직이착륙기(vertical take-off and landing aircraft:VTOL)라고 한다(헬리콥터와 달리 상승 후는 고속으로 비행). 대륙간·국가간 등 원거리 고속·대량 항공수송의 급증과 중·근거리의 도시와 교외 간, 도심과 공항 간의 항공수송이 급증하여, 좁은 비행장을 사용하는 단거리이착륙기가 세계적으로 보급되고 있다.
가스터빈을 사용한 사출식 플랩(flap), 도관(導管) 팬(ducted fan), 추진분류(推進噴流)를 아래쪽으로 구부리는 고양력장치 등을 이용하면 단거리 이착륙이 가능해질 것으로 본다. 그러나 헬리콥터의 발달로 인하여 실용적인 단거리이착륙기는 운항되지 않고 있다.
단거리 이착륙기는 속도를 느리게 하면 균형을 잡기가 어렵다. 항공기는 엔진의 추력으로 기체가 앞으로 밀려 나가면 기체 둘레에 공기의 흐름이 생겨 윗면과 아랫면과의 압력 차가 양력이 되고, 날개 윗면의 커브가 크고 속도가 빠를수록 이 양력은 커진다.
단거리 이착륙 비행기는 저속으로 날아 올라가고 내리기 때문에 양력을 다른 방법으로 늘려 주어야만 한다. 그 때문에 STOL기에서는 파워 드리프트 방식이 쓰이는데, 이것은 불필요해진 배기 가스를 이용하여 높은 양력을 얻는 방식으로 배기 가스가 날개 밑을 지나가든지, 가운데를 지나가든지, 위를 지나가든지 하는 3가지 방법이 고안되었다.
우선 배기 가스가 날개 밑을 지나는 EBF(Externally Blown Flap) 방식에서는 엔진의 위치는 보통의 제트기와 거의 같은데, 날개 밑을 빠져나간 배기 가스가 날개 후부에서 내려진 플랩을 따라서 흐른다. 미국의 맥도널 더글러스사가 1975년에 만든 YC－15가 이 EBF 방식이었는데 플랩에서 소음이 많이 나는 것이 문제점이다.
배기 가스가 가운데를 지나는 AW(Augmentor Wing) 방식은 팬 엔진의 분류(噴流)를 날개의 내부로 통하게 하여, 2중의 플랩 사이로 불어넣어, 둘레의 공기도 함께 플랩을 따라서 분출시키는 것이다. 캐나다 정부가 NASA와 협력하여 연구를 추진하고 있는데, 이 방법은 양력은 효율적으로 증가하지만 소음이 심하고 날개·엔진 등에 특수한 구조가 요구된다.
세 번째로, 엔진을 날개 위에 붙이는 USB(Upper Surface Blowing) 방식이 있다. 날개 뒤쪽의 플랩이 아래를 향해서 내려져 있으면, 배기 가스는 플랩 윗면의 곡률을 따라 아래쪽으로 흐른다. 이것은 제트의 특유한 현상으로 '코안다 효과'라 불리는데, 이것이라면 플랩이 소음을 내지 않고 양력이 비약적으로 증대한다. '보잉'사의 YC－14, NASA의 QSRA기에도 채택된 방식이다.
원리
수평속도가 느려도 이륙할 수 있으면 된다. 그렇게 하기 위해서는, 다음의 한 방법을 만족하면 된다.
- 엔진의 추중비/출력 대 중량비를 높이는 방법
- 고출력/고추력 엔진 탑재
- 로켓 등 이착륙시에 보조 추진체계 사용
- TVC 노즐 사용
- 기체 경량화
- 날개의 양력을 높이는 방법
- 고양력-고양항비 에어포일 적용
- 날개면적 증가
- 윙렛 설치
- 엔진 탑재위치의 변경(USB: Upper Surface Blowing)
- 대형 플랩(EBF: Externally Blown Flap)
- 활주로를 단거리 이착륙에 걸맞은 형태로 사용하는 방법[4]
- 캐터펄트/어레스팅 와이어 사용
- 스키점프대 사용
기종
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수직단거리이착륙기
수직단거리이착륙기(垂直短距離離着陸機, vertical or short takeoff and landing aircraft)는 수직이착륙기(VTOL, vertical or short takeoff and landing aircraft)와 단거리이착륙기(STOL)의 2가지 성능을 겸비한 비행기이다.
VTOL은 활주하지 않고 수직으로 승강하는 비행기이고, STOL은 단거리(150∼300 m)에서 이륙 및 착륙을 할 수 있는 비행기이다. V/STOL기는 지면으로부터 상승하여 호버링(공중정지비행)에서 수평비행으로 천이(遷移)하는 비행과정에서 양력(揚力)을 얻는 방법에 따라 4가지 형식으로 구분한다.
① 로터(rotor)를 사용하는 형식:호버링 또는 이에 가까운 비행에는 로터가 가장 효능이 좋으며, 고속 순항시 효율이 저하되기는 하나 이착륙 및 순항시의 안정된 비행을 할 수 있어 틸트로터(tiltrotor)·틸트윙(tilt wing) 방식으로 VTOL에 가장 많이 쓰일 전망이다.
② 프로펠러를 사용하는 형식:주력회전형·후류편향형(後流偏向型)·직립형(直立型)이 있다. 미국은 주력회전형 개발에 힘을 기울이고 있다.
③ 덕트팬(ducted fan)을 사용하는 형식:덕트팬을 사용하면 정지추력(靜止推力)이 크다는 점과 같은 추력을 얻기 위하여 프로펠러의 지름을 작게 할 수 있는 이점이 있다. 원통 속에서 프로펠러를 돌리면 프로펠러로서 유기(誘起)되는 흐름의 영역 속에 원통이 있게 되어 원통에서도 압력차이에 의한 추력이 추가된다. 이론적으로는, 덕트를 설치함으로써 프로펠러의 직경을 √2배만큼 줄일 수 있으나 실제로는 √1.85배 정도 줄일 수 있다. 그러나 비행속도가 등배되면 덕트의 저항이 증가되어 100 kn 이상에서는 오히려 효율이 떨어진다.
④ 터보제트 기관을 사용하는 형식:이착륙시의 불안정한 비행성능과 낮은 추진효율로 인해 일부 전투기(Harrier)에서만 사용되고 있다.
V/STOL기를 필요로 하게 된 이유는, ① 기존 활주로나 항공교통 관제에 방해가 되지 않는 새로운 여객기가 필요하다. ② 대공항과 도심(都心)을 단시간에 연결하는 교통기관이 필요하다. ③ 멀리 떨어져 있는 도시를 연결하는 국제간선과 두 곳의 도심간 또 도심과 그 주변의 지방도시를 연결하는 지선망의 확충과 이동시간의 단축이 필요하다는 등이다.
참고자료
같이 보기
