비행원리 지면효과(Ground Effect)란 무엇인가?

비행을 하다보면 항공기가 땅에 가까워 지면서 항공기가 더이상 강하하지 않는 현상을 보입니다. 이런 현상을 지면효과(Ground Effect)라고 합니다. 지면효과에 관련해서는 아래 동영상을 한번 보시죠.

Glider Ground Effect - 출처 : Martin Orchard''s Youtube

위의 동영상처럼 조종사가 추가 조작을 하지 않지면 항공기가 지면에 가까워진 다음 계속해서 활주로를 따라서 비행하는 모습을 보입니다. 그렇다면 이런 지면효과의 정의와 원인, 조종사의 대처방법에 대해서 알아보겠습니다.

지면효과란 무엇인가?

지면효과란 항공기가 지면가 가까워 질 때 항공기가 침하하지 않는 현상을 말합니다. 이유는 항공기 날개 주변의 공기흐름이 양력을 더 발생하도록 변하기 때문입니다. 그래서 항공기가 침하하지 않고 지면을 따라서 부양하게 되는 것입니다.

이런 지면 효과는 항공기 날개 폭(Wing span) 보다 낮게 비행하면 발생합니다. 예를 들어 날개 폭이 10m라고하면 지면에서 10m부터 효과가 발생하게 됩니다. 강도는 처음 10m에서는 1%정도로 미미하지만 1/10인 1m 정도가 되면 50%정도의 효과를 받습니다.

지면효과의 이유?

지면효과가 발생하는 이유는 지면에 접근할 수록 항공기에 간섭하는 항력(Drag)가 줄어들기 때문입니다. 항력이 줄어 들면서 항공기의 전체적인 양력이 증가합니다.

이런 항력에는 크게 2가지 종류가 있습니다. 하나는 비행할때 나타나는 하강기류(Down wash)와 날개 끝에서 발생하는 익단와류(WIngtip vortex)가 있습니다.

하강기류(Down wash)

항공기가 하늘을 날때는 왼쪽 사진처럼 하강기류가 아래로 향하게 됩니다. 그렇게 되면 양력의 방향이 수직이 아니라 살짝 뒤로 쳐지게 되는데요. 이 힘의 크기 때문에 공중에서는 양력의 크기가 줄어든 상태에서 비행하게 되는 것입니다.

하강기류 때문에 나타는 양력의 손실을 유도항력(Induced Drag)라고도 합니다. 유도항력은 비행을 하면 반드시 나타나는 부과적인 효과입니다.

항공기가 지면에 가까워질 수록 하강기류는 줄어듭니다. 그 이유는 밑으로 가려는 하강기류가 지면에 막혀서 더이상 흐리지 못하고 약해지기 때문입니다. 

따라서 항공기의 항공기의 하강기류가 약해지고 양력은 공중에 있을때보다 수직에 가깝게 힘을 발생시킬 수 있습니다. 결과적으로 지면에 가까워지면 양력이 많아지는 것입니다.

익단와류(Wingtip Vortex)

항공기가 비행할 때는 익단와류가 생깁니다. 익단와류는 항공기 윗면과 아랫면의 기압차이 때문에 발생하는데 날개끝쪽에서 회오리를 그리면서 가장 크게 발생하게 됩니다.

이러한 익단와류도 지면에 가까워지면 약해집니다. 그이유는 하강기류와 같이 지면에 막혀서 큰 힘을 발생시키지 못하기 때문입니다. 결과적으로 하강풍, 익단와류가 줄어들면서 유도기류의 감소로 양력효율이 좋아지는 것입니다.

조종사는 어떻게 해야하는가?

그럼 조종사는 어떻게 비행해야 하는 것일까요? 이륙단계와 착륙단계로 구분해서 알아야 합니다.

이륙단계

지면효과는 항공기가 착륙할때뿐만 아니라 이륙할때도 나타납니다. 항공기가 날개 폭 보다 높이 날개 되면 항공기의 양력이 떨어지게 됩니다. 그래서 파워를 더 받치거나 아니면 피치를 조정해서 원하는 속도로 이륙해야 합니다.

조종사가 인지하지 못하면 항공기가 침하하는 현상을 보이게 되고 이때 조작을 잘못하면 Stall이나 지면 접지 등의 사고가 날 수도 있습니다.

착륙단계

착륙단계에서는 항공기가 침하하지 않을 것을 미리 인지하고 지면효과가 나타났을 때 파워를 줄어주거나 적절한 피치조절을 해야합니다.

글라이더와 같이 날개 폭이 긴 항공기라면 지면효과를 생각해서 착륙거리가 늘어날 것을 예상해서 접지지역을 선정해야 합니다.

마치며

지면효과는 모든 조종사가 이착륙때 겪는 현상입니다. 숙련된 조종사는 지면효과를 받았을 때 자연스럽게 조작이 나와서 일정한 상승, 강하율을 유지할 수 있지만 학생조종사는 계획단계에서 지면효과에 대해 인지하고 있어야 합니다.