방향안정성 (directional stability)
쉽게 풀면
방향안정성은 비행기가 옆으로 미끄러지듯 방향이 틀어졌을 때 다시 원래 진행 방향을 향하도록 스스로 바로잡는 성질입니다. 수직꼬리날개가 마치 화살의 깃처럼 작용해, 기수가 옆으로 돌아가면 그 반대 방향으로 힘을 만들어 원래 방향으로 되돌립니다. 이 성질을 흔히 '풍향계 안정성'이라 부르기도 하는데, 바람개비가 항상 바람이 불어오는 방향을 향하는 것과 비슷한 원리이기 때문입니다.
왜 중요한가
방향안정성은 수직꼬리날개 면적을 결정하는 근거이고, 동체가 길거나 기수에 큰 부속물이 붙으면 불안정 요인이 커지므로 형상 변경 시 반드시 다시 평가하는 항목입니다. 연구에서는 옆미끄러짐각에 대한 요잉모멘트 기울기로 정량화해 풍동 결과와 비행시험을 비교합니다. 동체 앞부분이 길고 부피가 크면 그 자체로 불안정한 요잉모멘트를 만들어내므로, 수직꼬리날개는 동체가 만드는 불안정 기여분까지 상쇄할 수 있는 여유 면적을 갖도록 설계됩니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
꼬리 부분의 수직 날개를 더 크게 만들자, 기체가 옆으로 미끄러질 때 원래 방향으로 되돌리려는 힘이 더 강해졌다는 결과입니다.
수직꼬리날개 외에 후퇴익 형상이 방향안정성에 기여하는 방식을 설명한다.
조금 더 깊게 보면
방향안정성은 옆미끄러짐이 생겼을 때 기수가 상대풍 쪽으로 돌아가려는 성질이지, 항공기가 원래 항로로 돌아가려는 성질은 아니므로 진행 방향 유지와 혼동하면 안 됩니다. 또한 큰 받음각에서는 동체 후류가 수직안정판을 가려 유효성이 급감하며, 이것이 고받음각 스핀 회복이 어려운 이유 중 하나입니다. 수직꼬리날개를 둘로 나눈 쌍수직미익은 높이를 낮추면서 필요한 면적을 확보하고, 고받음각에서 동체 와류에 가려 한쪽 효율이 떨어져도 다른 쪽이 보완할 수 있다는 이유로 일부 전투기에 채택됩니다. 방향안정성 미계수는 옆미끄러짐각 변화에 대한 요잉모멘트계수의 기울기로 정량화되어 설계 목표치와 비교되는 값입니다.
주의할 점
방향안정성과 가로안정성은 서로 독립적이지 않으며, 두 안정성이 부적절하게 결합되면 더치롤과 같은 원치 않는 옆흔들림 진동이 발생할 수 있습니다.