더치 롤(Dutch roll)은 항공기의 비행 동역학에서 나타나는 대표적인 가로·방향 연성 운동 모드 중 하나이다. 빗놀이(yaw) 방향의 진동과 옆놀이(roll) 방향의 진동이 위상차를 두고 결합하여, 기체가 좌우로 꼬리를 흔들며 동시에 좌우로 기울어지는 왕복 운동을 반복하는 현상을 가리킨다.
개요
더치 롤은 항공기의 세로축(종축)을 중심으로 한 롤 운동과 수직축을 중심으로 한 요 운동이 서로 커플링(coupling)되어 발생한다. 항공기가 한쪽으로 기울면(roll) 상대풍에 대한 옆미끄러짐(sideslip)이 발생하고, 이로 인해 방향 안정성(directional stability)이 이를 바로잡으려 요 운동을 일으킨다. 그런데 특정 항공기에서는 가로 안정성(lateral stability)에 비해 방향 안정성이 상대적으로 약하여, 요 운동이 롤 운동보다 늦게 따라오면서 두 운동이 일정한 위상차를 두고 지속적으로 반복되는 진동 형태로 나타난다.
특성
더치 롤의 주기는 항공기 종류에 따라 수 초에서 수십 초에 이르며, 경량 항공기의 경우 수 초, 대형 여객기의 경우 1분 이상 지속되기도 한다. 일반적으로 대부분의 경량 항공기에서는 더치 롤이 잘 감쇠(damping)되지만, 속도가 낮아지거나 고도가 높아질수록 감쇠 특성이 악화될 수 있다. 후퇴익(swept wing), 상반각(dihedral)을 가진 날개, 무게 중심보다 높은 위치에 장착된 날개 등은 롤 복원력을 증가시켜 더치 롤 경향을 키우는 요인으로 알려져 있다.
대책
많은 제트 항공기, 특히 후퇴익을 가진 대형 수송기는 더치 롤을 억제하기 위해 요 댐퍼(yaw damper)를 장착한다. 요 댐퍼는 자동으로 방향타(rudder)를 미세 조정하여 요 운동을 신속히 감쇠시킴으로써 더치 롤이 발생하지 않도록 한다. 비행 시험 시에는 파일럿이 고의로 요 댐퍼를 끈 상태에서 방향타 조작으로 더치 롤을 유발한 뒤, 감쇠 특성을 측정하여 항공기의 동안정성을 평가하기도 한다.
어원
더치 롤이라는 명칭의 정확한 기원은 불확실하나, 19세기 중반 아이스스케이팅에서 사용되던 동작 명칭에서 차용된 것으로 추정된다. 1859년 문헌에는 스케이트 날의 바깥쪽 가장자리를 이용해 중심선을 기준으로 반원을 그리며 활주하는 동작이 "더치 롤(Dutch roll)"로 불렸다는 기록이 있다. 이후 1916년 제롬 C. 헌세이커(Jerome C. Hunsaker)가 항공기 횡방향 운동에 관한 논문에서 이 용어를 처음으로 항공공학에 도입하였다.
주요 사고 사례
- 1959년 10월 19일: 보잉 707-227 시험 비행 중 요 댐퍼가 꺼진 상태에서 훈련생 조종사의 과도한 조작으로 더치 롤이 악화되어 엔진 3개가 분리되고 추락, 4명 사망.
- 1985년 8월 12일: 일본항공 123편(보잉 747SR)은 수직꼬리날개 손실 후 더치 롤과 푸고이드(phugoid) 운동이 결합되어 추락, 단일 항공기 사상 최대 사망자를 기록.
- 2005년 3월 6일: 에어 트랜샛 961편(에어버스 A310)이 순항 중 방향타 구조 고장으로 더치 롤에 빠졌으나 회항에 성공.
- 2013년 5월 3일: 미 공군 KC-135R 급유기가 방향타 작동장치 고장으로 유발된 더치 롤을 극복하지 못하고 공중 분해, 승무원 3명 전원 사망.
- 2024년 5월 25일: 사우스웨스트 항공 746편(보잉 737 MAX 8)이 비행 중 더치 롤 현상을 경험, 착륙 후 검사에서 보조 전원 제어 장치(PCU) 손상이 확인됨. 인명 피해는 없었음.
관련 개념
항공기 동역학에서 더치 롤은 푸고이드(phugoid), 단주기 모드(short period mode), 나선 발산(spiral divergence)과 함께 기본적인 비행 동적 모드 중 하나로 분류된다. 또한 조종 훈련에서 '표제 유지 롤링(rolling on a heading)'이라는 이름으로 학생 조종사에게 방향타와 에일러론의 협응 조작을 가르치는 연습 기동을 지칭하기도 하나, 이는 전문가들 사이에서는 엄밀한 의미에서 더치 롤과 구분되는 용어로 간주된다.
