꼬리날개

1 개요

꼬리날개는 비행기에 안정성을 주기 위해 비행기 후미에 붙인 작은 날개 부분이다. 대개 수직 꼬리날개와 수평 꼬리날개로 구성된다. 이들은 각각 피치(pitch)와 요(yaw)를 제어해서 비행을 안정화 시키는 역할을 한다. 특수한 기종을 제외한 거의 모든 비행기에 장착된다.

이들이 '꼬리'에 달리는 이유는 무게중심으로 부터 최대한 멀리 배치하기 위해서다. 지렛대가 받침점에서 멀 수록 작은힘으로도 큰 회전력(모멘트, moment)을 얻을 수 있듯, 꼬리날개도 무게중심에서 멀수록 더 작은 힘으로도 큰 회전력을 얻을 수 있다.

전익기의 경우 없는 경우도 있다. 대표적인 사례가 B-2 폭격기

2 수평꼬리날개

영어로는 Horizontal Tail, Tail Plane 등으로 부른다.

수평꼬리날개는 항공기의 피치 방향에 대한 안정성을 확보하는 한편, 여기에 붙어있는 엘리베이터(승강타)로 움직임을 제어하기도 한다.

2.1 세로방향 안정성(Longitudinal Stability)

만약 항공기가 받음각이 높아지면 자연스럽게 수평꼬리날개도 받음각이 높아지며 여기서도 주익과 같이 양력이 발생한다. 일반적으로 수평꼬리날개는 주익보다 크기가 작으므로 만드는 양력이 양 자체는 적다. 그러나 수평꼬리날개는 무게중심에서 주익보다 훨씬 멀리 있으므로 회전력(moment)를 크기에 비해 더 많이 만든다. 즉 무게중심이란 받침점이 있는 지렛대로 생각해 볼때 수평꼬리날개는 항공기의 기수를 숙이는 힘을 만든다(있어보이는 말로 수평꼬리날개가 주날개보다 moment arm이 길다). 이 때문에 받음각이 커진 항공기의 기수를 다시 숙여서 자세가 안정되게 하는 역할을 한다.

전통적인 항공기 설계에서는 보통 주익 자체를 무게중심보다 뒤에 둔다. 그래서 항공기의 날개가 양력을 만들면 기본적으로 기수가 숙여지는 정안정성(Static Stability)를 얻도록 설계했다. 그래서 이를 위해 수평꼬리날개는 평소 비행중 기수를 드는 힘을 만들어야 했는데 이는 결과적으로 꼬리부분을 아래로 누르는 힘이다. 즉 아랫방향으로 양력을 만드는 셈. 이때문에 일부 항공기는 아예 수평꼬리날개 자체가 평소에도 아래로 누르는 힘을 만들도록 설계되어있다.

그러나 이는 전체 항공기 입장에서는 주익이 뺑이치며 양력을 만드는데 수평꼬리날개가 아래로 찍어누르는 힘을 만듬으로써 항공기 전체 입장에서는 주익이 이 수평꼬리날개가 만드는 만큼의 양력을 더 만들어야 하는 불합리함이 있다. 양력은 공짜로 만드는게 아니라 항력(유도 항력)이 수반된다는 점을 생각하면....

그래서 아예 수평꼬리날개도 같이 양력을 만들도록 하는 설계도 있다. 그럼 평소에 기수가 숙여짐로 주날개는 무게중심보다 앞에 두어 평소에도 기수를 드는 힘을 만들어 상쇄시킨다. 그런데 주날개가 기본적으로 기수를 드는 힘을 만든다는 것은 결국 여차하면 받음각이 계속 늘어나서 실속할 수 있단 소리가 된다. 즉 안정성이 약해진다는 소리. 이를 정안정성 완화라고 한다. 이렇게 되면 조종사가 쉴새 없이 기수가 위로 오르려는 기체를 조종하느라 진땀을 빼야 하기 때문에 여간 곤란한것이 아니다. 그래서 보통 이렇게 정안정성 완화 개념이 들어간 항공기 설계를 위해서는 플라이 바이 와이어 같은 별도의 장치의 도움을 받는다.

2.2 세로방향 제어(Pitch control)

수평 꼬리날개는 기본적으로 항공기가 세로방향에 대해 안정성을 갖게 해주는 역할을 하지만, 그 자체가 능동적으로 움직여 항공기의 세로방향 자세를 제어할 수도 있다. 쉽게 생각해서 수평 꼬리날개가 평소보다 더 아래로 누르는 힘을 만들면 기수는 들릴 것이며, 평소보다 더 위로 누르는 힘을 만들면 기수는 아래로 숙여진다.

이것을 위해 일반적으로 수평꼬리날개는 다시 동체에 고정된 수평안정판(Horizontal Stabilizer)와 위아래로 각도가 변하는 승강타(엘리베이터)로 나뉜다. 승강타 뒤쪽 끝부분이 위로 꺾인다면 수평꼬리날개이 전체 캠버는 아래로 휘므로 결과적으로 이곳에서 아래로 향하는 양력을 만들고, 항공기 전체 입장에서는 꼬리가 아래로 눌리고 기수가 위로 들린다.

전투기등, 좀 더 민첩한 비행이 필요한 항공기는 더 큰 조종력을 만들기 위해 아예 수평꼬리날개 전체가 움직인다. 이를 전가동형꼬리날개(All moving tail)이라고 부른다.

여객기들은 두 가지를 모두 조합한 방식을 많이 쓴다. 기본적인 자세제어는 승강타를 사용하지만, 순항비행중 기수가 숙여지거나 들리는 것을 막고 현상태를 유지하는데에는 수평꼬리날개 전체를 움직이는 방식을 택하는 것. 이는 승강타만 움직이는 것보다 수평꼬리날개 전체를 움직이는 편이 항력(트림 항력)이 적기 때문이다.

2차대전 및 6.25 시절에 쓰이던 일부 항공기들은 속도가 너무 빠르면 엘리베이터가 먹통이 되는 경우가 종종 있었다. A6M 제로센이나 Bf109의 경우에는 플러터가 문제였다. P-38 라이트닝은 좀 특이한 케이스로, 중앙동체 부근의 주날개에서 초음속흐름이 생겨서(항공기 자체의 속도는 마하 0.6에 불과함에도) 주날개의 효율이 떨어지자 수평꼬리날개의 효율이 너무 높아져서 기수를 계속 숙이는 힘을 만들었다. 이 때문에 다이브 플랩을 설치. 이렇게 고속에서의 엘레베이터 먹통은 급강하중에 생길경우 그대로 자세를 회복못하고 추락으로 이뤄졌기 때문에 조종사들에겐 큰 문제였다. 그러나 유압을 이용해서 크고 튼튼한 수평꼬리날개를 움직이는 현대에 와서는 이러한 문제가 거의 없다(애당초 전투기들이 초음속을 넘나드는데...).

단, 기본적으로 초음속 비행중에는 항공기의 압력중심이 무게중심보다 뒤로 이동하여 의도치 않게 기수를 숙이는 힘을 만드는 경향이 있으므로 초음속에서 조종성이 둔화되는 경향은 여전히 있다.

A-10은 무지막지하 반동의 개틀링건인 GAU-8가 중심축에서 약간 아래를 향해 설치되어있는 관계로 발사시 기수 들리는 힘이 생긴다. 그래서 기관포발사시 엘레베이터가 자동으로 움직여 기수 들림 현상을 막아준다. 총구앙등억제 엘리베이터

2.3 롤 제어(Roll control)

현대의 전투기들은 대부분 수평꼬리날개를 단순히 세로방향 제어에만 쓰지 않고 롤제어에도 함께쓴다. 원리는 간단하여 에일러론(보조익)과 마찬가지로 좌우 수평꼬리날개가 서로 반대방향으로 각도가 엇갈리게 작동하는 것.

이러한 방식의 수평꼬리날개를 꼬리+에일러론이라 하여 테일러론(Taileron)이라고 부르기도 한다.

테일러론 방식을 쓰는 것은 높은 받음각 상황에서 후퇴익(및 델타익) 특유의 날개 끝 실속현상 때문에 에일러론(보조익)이 제 역할을 못하는 경우가 있기 때문.

또한 가변익 항공기들은 주날개를 접으면 구조적으로 에일러론을 쓸 수 없으므로 스포일러와 테일러론 사용하여 롤 제어를 한다.

다만 정상적인 상황이라면 에일러론이 좌우 방향 기준으로 무게 중심에서 더 멀기 때문에 테일러론보다 롤 효율이 좋다.

보통 피치제어만 할 수 있는 수평꼬리날개는 어차피 좌우 수평꼬리날개(엘리베이터)가 함께 움직이므로 구동기가 1개만 필요하지만, 이렇게 롤 제어가 함께 가능한 테일러론을 쓰려면 구동기도 2개가 필요해서 결과적으로 비용 상승의 원인이 되므로 여객기나 일반 항공기에는 잘 쓰이지 않는다.

2.4 수평 꼬리날개의 모양과 배치

수평꼬리날개는 보통 좌우 각각 한개씩, 한쌍만 꼬리부분에 달린다. 물론 복엽기나 삼엽기가 유행하던 시절에는 드물게 수평꼬리날개 역시 복엽, 삼엽인 경우도 있었다.

일반적으로 후퇴각이 있는 날개는 상대적으로 실속에 강하다. 그렇기에 직선익기가 주류를 이루던 1940년대 이전의 항공기에서도 수평꼬리날개에 큰 후퇴각이 들어가있는 경우는 심심치 않게 발견할 수 있다. 항공기가 실속에 빠졌을 때 수평 꼬리날개라도 말을 들어야 어떻게 제어라도 해보지, 이것 마저 실속에 빠지면 답이 없기 때문. 설사 제어를 안한다고 해도 받음각이 높은 상황에서 주날개가 실속에 빠졌을 때 꼬리날개는 실속에 빠지지 않았다면 결국 수평꼬리날개만 위로 힘을 만들게 되므로 자연스레 기수를 숙이는 힘을 만들어 항공기 전체의 받음각을 줄여 실속에서 좀 더 쉽게 빠져나오게 한다.

현대의 항공기도 비슷한 설계개념으로 보통 수평꼬리날개가 주날개보다 후퇴각이 약간씩 더 크다. 다만 스텔스 개념이 들어간 전투기들은 레이더 전파가 여러 방향으로 튀는 것을 막기 위해 주날개와 동일한 후퇴각으로 설계하는 경우가 대부분.

수평꼬리날개는 기본적으로 주날개보다 뒤에 있다보니 비행중 주날개가 만드는 후류이 영향을 받을 수 밖에 없다. 항공기의 양력 발생원리를 보면 알 수 있듯 주날개의 후류는 기본적으로 약간 아래로 흐르는 내리흐름이다. 그렇기에 주날개보다 약간 위쪽에 두면 평소 비행중에 주날개가 만드는 후류의 영향을 덜 받는다. 이때문에 대다수의 항공기들은 수평꼬리날개가 주날개보다 약간 높게 설치된다.

그러나 베트남전을 기점으로 전투기들은 수평꼬리날개를 주날개와 같은 선상에 두거나 더 아래에 두는 경우가 늘었다. 이는 평소 비행시의 불리함을 감수하더라도 높은 받음각에서의 문제점을 해결하기 위해서다.

전투기가 급기동을 위해 받음각을 높이면 결과적으로 주날개는 상대적으로 위로 올라오고, 꼬리는 아래로 내려온다(그냥 기수를 높인 상황을 생각해보자). 그러면 본래는 주날개의 후류 영향을 안받던 수평꼬리날개가 주날개의 후류에 잠겨 평소보다 조종효율이 나빠지는 것은 물론, 주날개 후류가 아랫방향 내리흐름이다보니 수평꼬리날개를 아래로 누르는 힘을 더 만들어 결과적으로 기수를 더 들어버린다. 급기동 중 받음각이 지나치게 높아져서 다시 기수를 숙여야 하는데 수평꼬리날개가 제 역할을 못하다보니 결국 전투기는 실속 크리. 베트남전 중에 이러한 일을 자주 겪다보니 현재는 일부러 수평꼬리날개를 도리어 주날개보다 아래에 다는 것이 전투기계의 주류. 물론 애당초 급기동을 할일이 없는 대부분이 민항기는 효율이 훨씬 좋도록 주날개보다 높은 곳에 꼬리날개를 단다.

F-4는 특이하게 수평꼬리날개라는 이름에 걸맞지 않게 수평꼬리날개가 수평이 아니라 23도 가량 아래로 경사져있다. 이는 개발과정에서 고받음각상황에서 수평꼬리날개가 주날개 후류에 지나치게 잠기는 것을 막는 한편, 초음속 비행시 Yaw 방향안정성이 모자란 것을 발견하여 약간 아래로 경사지게 설계한 것. 그래서 F-4이 수평꼬리날개는 약간이나마 수직꼬리날개의 역할을 겸한다.

또한 F-4나 버키니어는 수평꼬리날개의 실속을 막기 위해 별도의 고양력장치를 가지고 있다.

2.5 카나드

수평꼬리날개가 앞에 있다고 선미익이라 부르기도 한다. 현재는 전투기나 일부 스포츠용 경비행기 외에는 잘 안쓰지만, 최초의 비행기인 라이트 형제의 플라이어도 카나드 형태의 항공기였다. Su-33등의 경우처럼 카나드와 수평꼬리날개를 다 쓰는 경우도 있다. 자세한 것은 카나드 항목 참조.

2.6 무미익(Tailess)

말 그대로 꼬리가 없는 것. 단 여기서는 수평꼬리날개만 없는 것을 말한다. 의외로 적절한 설계를 통해 수평꼬리날개가 없어도 안정적인 비행을 할 수 있다. 당장 종이비행기나 행글라이더만 해도 수평꼬리날개가 없다. 사실 1910년에 Dunne이란 양반이 벌써 수평꼬리날개가 없는 항공기를 만들어 잘 날렸다.

다만 이경우 무게중심이 앞뒤로 움직이는 것에 상대적으로 더 민감하다.

미라지 시리즈나 F-102, F-106, 콩코드 등 초음속 항공기중 적잖은수가 무미익기이며, 발칸 폭격기처럼 아음속기임에도 무미익으로 설계한 경우가 있다. 이는 두말 할 것도 없이 항력감소를 위한 설계. 그러나 수평꼬리날개가 없다보니 제약사항도 많기에 미국과 소련은 1960년대 이후로는 거의 무미익 항공기를 만들지 않다가 최근에야 스텔스 때문에 다시 만들고 있다.

무미익기의 경우에는 주날개 끝에 있는 조종면을 이용해 날개 전체의 압력중심을 이동시킴으로써 기수를 숙이거나 들거나 한다. 보통 이 조종면들은 에일러론의 역할을 겸하는데, 이때문에 에일러론 + 엘레베이터 = 엘레본(Elevon)이라고 부른다.

문제는 엘레본으로 기수를 들려면 엘레본이 뒤쪽 끝방향 기준으로 위로 들어야 한다. 즉 이착륙시 플랩과 반대로 움직이는 셈. 그래서 무미익기로 설계하면서 이착륙 성능을 좋게하려면 플랩을 사용할 수 있는 수평꼬리날개 방식에 비해 주날개가 과도하게 커져야 한다. J35 드라켄은 이때문에 날개가 상당히 큰 편. 한면 무미익기의 명가인 다쏘는 단거리 이착륙 특성을 높이기 위해 미라지 F1만은 수평꼬리날개 + 플랩 조합을 택했다.

이후 J37 비겐을 기점으로 카나드를 사용함으로써 무미익기의 단점을 커버할 수 있게 되었다. 사실 라팔, 유로파이터, JAS39 그리펜 등의 항공기도 기본적인 피치제어는 카나드가 아니라 엘레본으로 한다.

최근에는 TVC의 발전으로 다시 무미익기가 발전할 가능성이 대두되고 있다. 특히 수평꼬리날개를 줄이는건 여러모로 스텔스 측면에서 이득.

3 수직꼬리날개

영어로는 Vertical Tail, Tail Fin 등으로 부른다.

3.1 가로방향 안정성(Lateral Stability)

기수의 방향에 대한 안정성이라 하여 방향 안정성(Direction Stability)라고 부르기도 한다.

수직 꼬리날개는 기본적으로 수평꼬리날개를 90도 돌려 놓은 것이라 볼 수 있으며, 가로 방향에 대한 안정성을 담당한다.

사실상 하는 일은 풍향계의 꼬리부분과 같으며, 항공기의 기수가 항상 비행방향과 정렬되도록 하는 역할을 한다.

수평꼬리날개와 달리 수직꼬리날개는 주날개와의 관계를 고민할 필요가 별로 없다. 기본적으로 주날개는 요우 방향에 대해서는 별다른 역할을 하지 않기 때문. 대신 전방동체의 측면면적이나 전방동체의 단면형상은 요우 방향에 영향을 주므로 수직 꼬리날개 설계시 이 부분이 영향을 고려해야 한다.

초음속 비행중에는 충격파등의 영향으로 인해 항공기 전체의 가로방향 안정성이 떨어지기도 한다. 이때문에 일부러 수직꼬리날개를 더 크게 만드는 경우도 있으며, XB-70 발키리처럼 초음속 비행중 일부러 주날개 바깥을 아래로 꺾어 수직꼬리날개의 역할을 돕도록 한 경우도 있다.

3.2 가로방향 제어(Yaw Control)

수직 꼬리날개의 뒷부분에도 수평꼬리날개와 마찬가지로 움직일 수 있는 부분이 붙는데, 이를 러더(방향타)라 하며 좌우로 움직인다. 러더는 보통 조종사의 페달에 연결되어있으며, 왼쪽 페달을 앞으로 밀면 자연스레 오른쪽 페달은 뒤로 당겨지도록 회전하는 구조다. 항공기도 이 페달 회전 움직임에 맞춰서 왼쪽페달을 밀면 기수는 오른쪽으로 회전한다. 러더는 페달을 이용해 제어하다보니 '러더를 찬다.'라고 표현 하는 경우도 종종 있다.

러더의 뒤쪽 끝부분이 왼쪽으로 꺾이면 수직꼬리날개의 전체 형상은 캠버가 오른쪽으로 휜 셈이므로 수직꼬리날개에서 오른쪽 방향으로 양력이 생긴다. 그러면 자연스레 항공기의 기수는 왼쪽으로 돌아간다.

그러나 항공기는 기수가 왼쪽으로 돌아갔다고 바로 비행방향이 왼쪽으로 돌아가지 않는다. 자동차라면 바퀴와 지면의 마찰력 때문에 바로 진행방향이 바뀌지만 항공기는 그런게 없다. 그래서 러더를 움직인 항공기는 마치 빙판에서 미끄러진 자동차처럼 기수만 돌아간채로 비행방향은 거의 바뀌지 않는다. 러더를 잔뜩 주면 보통 기수만 옆으로 돌아간채로 앞으로 비행하는데 이것을 게걸음 비행이라고 하기도 한다. 일반적으로는 쓸일이 없지만 옆바람이 매우 심한 경우 종종 쓰기도 한다.

또 좀 위험하지만 경비행기나 위급상황에서 일부러 게걸음 비행을해서 속도를 줄이기도 한다. 게걸음 상태면 아무래도 기수가 맞바람 방향과 일치할때에 비해 항력이 커지니까. 물론 일반적인 방식은 아니고 임기응변에 가깝다.
혹은 러더를 찬 반대방향으로 엘레베이터를 누르면서 반대방향 롤을 주게되면 비행기가 게걸음을 통해서 하강률을 높이게된다. 쉽게 말하자면 게걸음을 통해서 비행기를 브레이크로 사용하는데 속도가 아니라 하강률을 높여서 빠르게 하강할때 쓰는 기술이다. 이를 Forward Slip 이라고 한다. 다만 이 기술을 사용하게되면 최종 착륙 순간에 활주로 방향과 비행기가 보는 방향이 달라지게 되는데 (게걸음 중이기때문) 이를 바로잡기 위해 가장 마지막 순간에 사이드 슬립이라는 기술로 바꿔서 한쪽 날개를 더 낮게 위치한 상태로 착륙하게 된다.

그렇기에 러더를 쓰는건 주로 방향전환이 아니라 자세제어용이다. 이를테면 선회중에 여러가지 요인으로 인해 기수가 한쪽으로 돌아가려하면 이를 바로 잡는다거나, 혹은 전투기들이 기관총 사격시 미세 조준을 위해 쓴다.

일부 전투기들은 기관포가 중심축에서 벗어나 좌, 혹은 우로 벗어나있다. 이런 경우 기관포 발사시 기체이 기수가 한쪽으로 돌아가는 현상이 생기므로 자동으로 러더가 움직여 기수가 똑바로 있도록 해준다.

곡예비행이나 일부 전투기동중에는 일부러 러더를 잔뜩 찬 상태에서 엘리베이터를 이용해 기수를 순간적으로 잡아당기는데, 이러면 좌우날개의 순간적인 양력 불균형에 의해 자동으로 스핀에 빠져버린다.

반대로 의도했건, 의도하지 않았건 스핀에 빠진 경우에는 회전방향의 반대방향으로 기수가 움직이도록 러더를 차면 보통은 원상회복 된다.

수직꼬리날개가 두개인 F-22는 좌우 러더를 각각 반대방향으로 움직이게 하여 감속용 스피드브레이크 대용으로 쓰도록 했다. 다만 나중에 이게 시원찮았는지 스피드브레이크를 추가로 달았지만...

전가동형꼬리날개와 달리, 수직꼬리날개는 전가동형인 경우가 드물다. 아무래도 엘리베이터와 달리 항공기 방향제어에 큰 역할을 하지 않기때문. 그러나 초음속에서의 안정성 약화를 수직꼬리날개의 능동적인 제어를 통해 해결하려고 Tu-160은 전가동형 수직꼬리날개를 사용했다. Pak-fa도 스텔스를 위해 수직꼬리날개를 매우 작게 설계한 관계로 조종력 확보 차원에서 전가동형 수직꼬리날개를 사용.

3.3 수직꼬리날개의 모양 과 배치

수평꼬리날개와 마찬가지로 수직꼬리날개도 가능한 무게중심보다 뒤에 있을 수록 좋다. 그렇기에 대부분의 경우 수직꼬리날개는 수평꼬리날개와 거의 같은 동체 맨 뒤에 위치.

그러나 현대의 많은 전투기와 곡예비행기등은 수직꼬리날개가 수평꼬리날개보다 좀 더 앞쪽에 있다. 이는 높은 받음각에서 수평꼬리날개에서 생기는 후류가 수직꼬리날개에 영향을 미치는 것을 막기 위해서다. 만약 수직꼬리날개가 수평꼬리날개의 후류에 잠기면 스핀에서 빠져나오기 더 힘들다.

수직꼬리날개와 마찬가지로 수평꼬리날개도 직선익기시절부터 후퇴각이 있는 경우가 많다. 마찬가지로 후퇴각이 있는 경우가 수직꼬리날개가 실속에 빠질 위험이 적기 때문. 급격한 옆미끄러짐(High Angle of Side slip)이나 측풍, 스핀등의 상황에서 수직꼬리날개가 실속에 빠져버리면 방향안정성을 크게 잃어서 답이 없어진다.

특히 F/A-18은 수직꼬리날개가 상당히 앞쪽에 있다. 이는 스트레이크가 만드는 고속의 흐름 덕을 보기 위한 것도 있고, 스핀 상황에서 영향을 덜 받기 위한것도 있으며, 면적법칙에 맞춰 각 구성품을 배치하다보니 나온 결과이기도 하다.

더불어 수직꼬리날개 앞쪽이 길게 연장된 경우가 많은데 이는 도살핀(Dorsal Fin, 등지느러미)라고 부르는 것으로 수직꼬리날개가 실속에 좀 더 빠지지 않도록 도와준다. 사실상 그 역할은 스트레이크와 같아서 높은 옆미끄러짐각 상황에서 도살핀이 와류(Vortex, 소용돌이)를 생성, 수직꼬리날개의 실속을 막는다.

현대에 와서 항공기의 수평꼬리날개는 거의 100% 좌우 하나씩 한쌍이지만, 수직꼬리날개는 하나만 있거나 두 개가 있거나 한다.

가격과 중량, 효율등의 면에서는 여러모로 하나인편이 낫다. 그러나 만족스러운 방향안정성을 얻기 위해서 너무 크기가 커지는 경우에는 별 수 없이 두 개로 만들어야 한다. 효율자체는 물론 같은 면적이라도 두 개인 경우보다 하나인 경우가 더 방향안정성이 좋지만, 너무 큰 수직꼬리날개는 구조적으로 튼튼하게 만들기 어렵기 때문. 특히 전투기의 경우에는 급기동중 수직꼬리날개에 걸리는 힘을 무시할 수 없기 때문에 더더욱 그렇다.

같은 전투기지만 유럽의 토네이도는 수직꼬리날개가 항공기 전체 크기에 비해 매우 크기로 유명하다. 이는 대공포로부터 피격될 요소를 줄이기 위해 동체 길이를 최대한 줄이다보니 수직꼬리날개가 무게중심에 가까워져서, 원하는 조종성능/안정성을 얻으려면 수직꼬리날개가 커질 수 밖에 없었기 때문. 그러나 F-15와 달리 토네이도는 격렬한 공중전을 벌이는 전투기가 아니라 지상공격기 내지 요격기로만 쓰일 예정이었으므로 큰 수직꼬리날개를 사용한다고 구조강도 면에서 문제가 생길일이 없었다.

두 개로 쪼개려다 하나로 합친 경우도 있다. F-16은 개발 초기에 수직꼬리날개를 하나로 할 까, 두 개로 할 까 고민하였다. 전체적으로는 수직꼬리날개가 두 개인 설계가 더 좋긴 했지만 무게, 가격이 문제였으며 특히 스트레이크에서 생긴 공기흐름이 수직꼬리날개에 안좋은 영향을 미치는것이 발견되어 결국 가운데 하나를 달기로 했다.

F/A-18은 F-16의 경우와 반대로 수직꼬리날개가 스트레이크의 공기흐름을 최대한 이용하도록 설계하였다. 덕분에 수직꼬리날개가 두 개일 뿐만 아니라, 좌우로 약간 기울어져 있다. 이렇게 스트레이크가 만드는 빠른 소용돌이 흐름속에 일부러 수직꼬리날개가 잠기도록 하면 상대적으로 느린속도에서도 수직꼬리날개가 좋은 효율을 얻을 수 있다. 그러나 만들어놓고 나니 특정 상황에서는 오히려 수직꼬리날개에 주기적인 진동을 만들었다. 그래서 양산형은 수직꼬리날개 뿌리부분에 구조적인 보강을 해야 했다.

S-3 바이킹이나 A-5 비질란테 등은 전투기가 아니므로 토네이도의 경우와 마찬가지로 구조적 문제가 없기에 커다란 수직꼬리날개 하나만 사용하였다. 문제는 이 두 항공기는 항공모함에서 뜨고내려야 하는 함재기라는 점. 항공모함 갑판 위에 있을 때는 상관 없으나 갑판 아래의 격납고로 들어가려면 이 커다란 수직꼬리날개가 입구에 걸릴 수 밖에 없었다. 그래서 이 두 항공기는 특이하게 수직꼬리날개를 한 쪽으로 접어서 높이를 낮출 수 있다.

E-2 호크아이의 경우에는 큰 수직꼬리날개를 쓰면 등짝 위의 레이더와 간섭문제가 생기는 등, 여러 문제가 있기 때문에 특이하게도 수직꼬리날개가 4개다.

함재기는 아니지만 스웨덴의 J37 비겐 역시 수직꼬리날개를 접을 수 있다. 스웨덴 특유의 산이나 계곡등에 숨겨 놓은 비상격납고에 집어 넣기 좋게 하기 위해서.

수직꼬리날개는 이름과 같이 수직으로 서있을 경우, 옆면에서 날아오는 레이더 전파를 매우매우 잘 반사한다. 이때문에 일반적인 항공기의 RCS(레이더 반사 면적, 레이더에 얼마나 잘 반사되는지 나타내는 척도)는 정면보다 도리어 측면에 더 크다. 그래서 스텔스 전투기들은 대부분 수직꼬리날개를 좌우로 20~30도 가량 기울여서 측면에서 날아오는 전파가 레이더로 되돌아가지 않고 다른 곳으로 반사되도록 하고 있다. 수직꼬리날개를 하나만 만들어서 한쪽으로 기울일 수는 없는 노릇이니 필연적으로 스텔스기들은 두 개의 수직꼬리날개를 사용한다.

한편 수직꼬리날개가 두 개면 생존성 면에서 약간의 이점이 있다. 대체로 군용기가 공격받는 것은 꼬리부분인데, 꼬리날개가 두 개라면 둘 중 하나가 파괴되더라도 나머지 하나라도 어찌어찌 남아서 살아돌아올 가능성이 있기 때문.

물론 정말 운 좋게도 하나의 수직꼬리날개를 가진 B-52가 비행시험 중 수직꼬리날개가 뜯겨 나갔는데도 불구하고 살아 돌아온 경우도 있다.

SR-71의 경우 초음속 항공기임에도 불구하고(초음속 비행 중에는 대체로 아음속일 때보다 방향안정성이 떨어진다) 수직꼬리날개가 매우 작은데, 이것도 스텔스를 위한 배려다. 대신 이 항공기도 F/A-18의 경우와 마찬가지로 거대한 스트레이크가 만드는 공기흐름을 이용, 수직꼬리날개의 효율을 높였다. 스트레이크의 배치상 SR-71은 수직꼬리날개가 바깥쪽이 아니라 안쪽으로 기울어있다.

3.4 벤트럴 핀(Ventral Fin, 배지느러미)

높은 받음각 상황에서는 수직꼬리날개가 주날개, 수평꼬리날개, 동체등에서 생긴 후류로 인해 제 역할을 못할 수 있다. 그래서 마치 배지느러미처럼 동체 아래쪽에도 수직, 혹은 수직에 가까운 날개를 붙이는데 이것을 벤트럴 핀이라고 부른다.

벤트럴 핀은 각종 후류에 잠기지 않는다는 큰 장점이 있으나 동체 밑에는 공간이 없기에 쉽게 설치가 어렵다. 비행중에야 상관 없지만 이착륙시에는 활주로를 갈판삼아 벤트럴핀을 다 갈아 먹게 된다. 그렇다고 벤트럴핀이 땅에 닿지 않도록 하려고 랜딩기어(착륙용 바퀴다리)를 길게 만들면 무게도 늘어나고 착륙시 충격에 '똑'하고 부러지지 않도록 더 튼튼하게 만들어야해서 무게가 '더' 늘어나는 안습한 상황이 온다.

그래서 보통은 벤트럴핀을 최대한 위아래 폭이 좁게 만들고 대신 앞뒤로 좀 더 길게 만든다. 그러나 이러한 형상은 기본적으로 동체주변을 따라 흐르다가 마찰저항으로 인해 흐트러진 공기흐름 에 잠기기 때문에 원래의 넓이 만큼 효율이 나오진 않는다.

그럼에도 역시 후류의 영향을 덜 받는 다는 점은 크나큰 장점이기에 여러 항공기가 사용중이다. 대표적으로 F-14, F-16, Su-27, J-20 등등.

F-104는 좀 특이한 이유로 벤트럴핀을 썼는데, 밑에 설명된 T-tail 형태와 짧은 날개의 조합으로 인해 측풍이 불면 수직꼬리날개가 바람막이 역할을 해버려서 기체 중심축을 중심으로 항공기 전체가 한쪽으로 기울어지는 경향이 생겼다. 그래서 벤트럴핀으로 반대방향으로 도는 힘을 약간 더 만들어서 이를 막았다.

F-15는 초기형상에서는 수직꼬리날개를 좀 더 작게 만드는 대신 벤트럴핀으로 방향안정성을 보충하려고 했다. 그러나 동체 뒤쪽이 지나치게 복잡해짐에 따라 각 구성품들이 서로 간섭을 일으켜 전체적인 항력이 너무 커지는 현상이 발생, 결국 개발 막바지에 벤트럴핀을 없애고 수직꼬리날개를 더 높게 만들었다.

반면 F-14는 수직꼬리날개를 높게 만들려고해도 함재기 특성상 갑판 아래의 격납고 입구에 꼬리날개가 걸릴 수 있기 때문에 벤트럴 핀을 써야 했다.

A-12(및 SR-71)과 달리 큰 레이돔이 생긴 YF-12는 이 레이돔의 늘어난 면적 만큼 기수쪽이 옆바람의 영향을 더 많이 받아서 본래의 수직꼬리날개 크기로는 충분한 방향안정성을 얻을 수 없었다. 대신 벤트럴핀을 달았는데, 각각의 엔진 나셀부근에 하나씩 짧은 벤트럴핀을 달았으며 동체 중앙에는 좀 더 크기가 큰 벤트럴 핀을 달았다. 단 이 큰 벤트럴핀은 이착륙시에는 땅에 끌리지 않도록 한쪽으로 접혔다가 비행중에 아래로 펼쳐지는 방식을 택했다. 이는 주로 이착륙시보다는 초음속 비행중에 특히나 방향안정성이 모자랐기 때문이다.

MiG-23 역시 상당히 큰 수직꼬리날개를 가지고 있음에도 일부 상황에서 방향안정성이 부족했기에 지상에서는 접혔다가 공중에서는 펼쳐지는 벤트럴 핀을 사용.

스텔스기들은 뭐라도 하나 더 줄여서 RCS를 줄이려고 하지만 특이하게도 중국의 J-20은 벤트럴핀도 사용한다. 대신 수직으로 아래로 내려오진 않고 옆으로 경사진 형태다.

프로펠러 항공기 중에도 곡예비행기들은 벤트럴핀을 많이 사용하는 편.

J7W 신덴과 Do335등은 프로펠러가 동체 뒤쪽에도 있기 때문에 상당히 큰 벤트럴핀을 사용, 이착륙시 프로펠러가 땅에 갈리기전에 벤트럴핀이 먼저 땅에 닿아서 최악의 대참사를 막도록 설계하였다. 특히 J7W 신덴의 경우에는 아예 벤트럴핀 끝에 바퀴까지 달려 있다.

4 V 꼬리(V-tail)

V꼬리는 뒤에서 보면 말 그대로 꼬리가 V자인 형태다. 단, 여기서 V꼬리라고 하는 것은 F/A-18이나 F-22 같은 형태가 아니라 말 그대로 V자 밖에 안 보이는 형태를 말한다. 즉 수직/수평꼬리날개가 따로 있는 것이 아니라 한쌍의 꼬리날개가 V자 형태로 경사지게 설치된 것.

당연히 이 경우에는 V자 꼬리날개가 수평/수직꼬리날개의 역할을 모두 다 한다.

아무래도 중량을 줄일 수 있고, 꼬리날개들과 동체간의 간섭등에 의해 생기는 항력도 줄일 수 있다는 이점이 있다. 특히 스텔스 항공기들의 경우에는 레이더 전파를 반사하는 꼬리날개를 하나라도 뭘 줄일 수 있다는 장점이 있다. F-117과 YF-23이 이러한 이유로 V자 꼬리를 사용하였다.

그러나 V꼬리는 수평/수직꼬리날개의 역할을 모두 한 쌍의 꼬리날개로 해결해야 하므로 설계가 까다롭다. 특히 요우 방향으로만 제어하려는데 의도치 않게 기체가 기울어지는 롤까지 일어나는 경향이 커진다.

특히 일부 상황에서는 수평꼬리날개 역할도, 수직꼬리날개 역할도 제대로 못할 수 있다. 그렇다고 이 역할 모두를 다 잘하도록 만들려면 크기가 엄청 커져서 결국 중량이나 항력을 줄일 수 있다는 이점이 사라질 수도 있기에 여러모로 설계가 까다롭다.

V꼬리의 선구주자는 의외로 군용기가 아니라 경비행기에서 나왔다. 비치크래프트사에서 개발한 보난자 시리즈는 모델35 부터 V꼬리를 사용하였는데 이 항공기의 첫 비행은 무려 1945년이었다. 그러나 몇 차례 꼬리부분의 강도문제가 지적되었고 급기야 꼬리가 떨어져나가는 사고가 났다. 원인분석 결과 FAA의 구조강도 조건 자체는 만족하였으나, 애당초 FAA의 요구조건이 V꼬리의 특수한 경우를 제대로 파악하지 못하고 일반 꼬리날개와 똑같은 강도를 요구하여 생긴 일이다. 이후 이 V자 꼬리 보난자 시리즈는 생산이 중단되고 다시 평범한 수평-수직꼬리날개를 가진 항공기가 나온다.

그러나 앞서 언급한바와 같이 군용기는 F-117이나 YF-23처럼 V꼬리를 사용하는 경우가 있다.

굳이 스텔스가 아니더라도 중량이나 항력면에서 V꼬리는 이용가치가 있기 때문에 급기동을 하지 않는 UAV중에는 이 형태를 사용한 항공기들이 종종 있다. 대표적인 경우가 RQ-4 글로벌 호크. 사실 글로벌 호크가 V꼬리를 사용한 것은 엔진을 동체 위에 얹는 배치때문에 수직꼬리날개를 사용할 수 없었던 이유도 좀 있다. 아님 수직꼬리날개 써서 엔진에 통구이 되던가

MQ-1 프레데터 등의 경우에는 뒤집어진 V꼬리(Inverted V-Tail)을 사용한다. 이 형태는 요우 제어를 하려는데 롤까지 일어나는 경향이 줄어든다. 대신 꼬리를 땅에 질질 끌지 않도록 설계해야 한다.

5 H 꼬리(H-tail)

프로펠러 항공기, 특히 쌍발 이상의 엔진을 가진 항공기에서 많이 볼 수 있는 구조. 수평꼬리날개 좌우 끝부분에 수직꼬리날개가 붙어서 H자 형태가 된다. 이 구조의 장점은 수평꼬리날개의 효과가 올라간다는 점이다. 수평꼬리날개의 좌우 끝부분이 막히므로 수직꼬리날개가 윙렛 같은 역할을 해준다.

사진은 B-25

이 구조가 유독 쌍발 이상의 프로펠러 엔진 항공기에 많이 쓰이는 것은 프로펠러 뒤쪽에 수직꼬리날개를 오게 하기 좋기 때문이다. 항공기 개발자들이 단발 엔진 항공기에 비해서 쌍발엔진 항공기의 평범한 수직꼬리날개는(H 꼬리가 아닌) 효율이 떨어지는 것을 종종 발견하였는데, 이는 단발 일때는 프로펠러의 강력한 바람 뒤에 있던 수직꼬리날개가 쌍발일 때는 엔진이 좌우로 배치다되보니 정작 동체 가운데 있던 수직꼬리날개가 이 바람을 받지 못해서 효율이 떨어진 것.

그래서 H꼬리 형태의 프로펠러 항공기는 거의 십중팔구 수직꼬리날개가 프로펠러와 같은 선상에 있다.

제트엔진을 쓰는 항공기는 제트 엔진의 배기가스가 지나치게 뜨겁고 속도가 빨라서 되려 수직꼬리날개에 무리를 주게 되므로 함부로 쓰기 어렵다.

초창기의 제트엔진 전투기인 He 162의 경우에는 엔진이 동체 위에 얹혀있으므로 도리어 평범한 수직꼬리날개를 썼다가는 엔진 후류에 수직꼬리날개가 잠겨서 부득불 H꼬리를 썼다.

날으는 기관포는 기관포 손잡이로 쓰려고 독특한 엔진배치와 맞물려 엔진에서 뿜어져 나오는 적외선 아래와 옆에서 덜 보이도록 하기 위해서 이 방식을 택했다. 엔진의 제일 뜨거운 부분인 배기구를 가리는 것만으로도 상당히 적외선을 줄일 수 있고, 이는 적 적외선 미사일에 포착될 확률을 줄여준다. [

6 T 꼬리(T-tail)

H꼬리가 수평꼬리날개의 끝을 가로 막는 구조라면, T꼬리는 수직꼬리날개의 끝을 가로막는 구조다. 즉 이 경우에는 일반 수직꼬리날개보다 수직꼬리날개의 효율이 더 좋아진다.

또한 수직꼬리날개에 어느정도 후퇴각을 주면 동체 끝 부분보다 더 먼 곳에 수평꼬리날개를 배치할 수 있으므로 결과적으로 수평꼬리날개를 좀 더 무게중심에서 뒤쪽에 배치할 수 있다. 이는 당연히 안정성, 조종성 증가로 이어진다.

게다가 수평꼬리날개가 주날개보다 상당히 위쪽에 설치되므로 웬만해서는 주날개의 후류에 수평꼬리날개가 잠길일이 없다는 점도 수평꼬리날개의 효율을 올려주는 주요 포인트. 그래서 다른 수평꼬리날개 배치 방식보다 특히나 이착륙시 효율면에서 유리하므로STOL 기에 많이 쓰인다. 좀 더 느린 속도에서도 기수를 들 수 있도록 하기 위해.

하지만 수직꼬리날개처럼 얇은 판이 수평꼬리날개처럼 힘을 많이 받는 부분을 지탱해야하므로 수직꼬리날개의 상당한 구조보강이 필요하다. 그래서 전투기에는 거의 안쓰지만 드물게 요격기나 전폭기는 좀 썼다.

또한 T꼬리날개는 일단 한 번 실속에 빠지면 것잡을 수 없게 만드는 경향이 있다. T꼬리날개가 실속에 빠질 정도면 받음각이 엄청 증가한 상황이란 소리인데, 이 상황에서 꼬리날개가 제 역할을 하지 못하면 압력중심이 무게중심보다 더 앞쪽으로 증가, 항공기의 기수를 더욱 들어 올리는 힘을 만들어서 항공기가 실속에서 빠져나오질 못하게 한다. 이러한 상황을 Deep Stall이라고 한다.

F-101 부두 전투기는 실제로 T꼬리를 썼다 이 Deep Stall 현상으로 크게 고생하여 조기퇴역 크리.

F-104는 초기 개발 당시 기수가 어느순간 갑자기 들리는 문제가 생길 소지가 있다는 점이 풍동실험 결과 발견되었다. 매우 뾰족한 주날개 앞전과 길고 뾰족한 동체등의 조합으로 전방동체 부근에서 발생한 복잡한 흐름탓에 생긴 문제. 이 때문에 설계자들은 카나드를 포함하여 매우 다양한 방법으로 수평꼬리날개를 배치해보려 하였다. 가장 최적은 주날개보다 수평꼬리날개를 아래에 배치하는 거였지만, 그러면 T꼬리에 비해 방향안정성이 떨어졌다. 결과적으로 방향안정성을 높여서 스핀에 잘 빠지지 않도록 해보려 했지만 해당 항목에서 알 수 있듯 F-104는 워낙에 스핀에 잘 빠지던 기체라...

영국의 버캐니어 공격기도 F-101처럼 Deep Stall 현상을 겪을 위험이 있엇는데, 이를 막으려고 주날개에서 후류를 억제시키기 위해 수평꼬리날개와 같은 선상에 있는 부군에만 경계층제어기를 사용하였다. 더불어 Deep stall에 빠질것 같은 상황에서 수평꼬리날개가 더 제역할을 할 수 있도록 여기에도 경계층 제어기가 붙었다.

7 십자형 꼬리(Cross-Tail)

T꼬리와 일반꼬리의 중간적인 형태. 수평꼬리날개가 수직꼬리날개의 중간쯤에 달려 있다. 그래서 장점과 단점도 서로 어중간하게 섞인 형태. B-1이나 T-37등이 대표적이다.

8 링 꼬리(Ring-tail)

보통 항공기에는 잘 쓰지 않는 형태의 꼬리. 꼬리부근에 말 그대로 링모양의 날개를 다는 방식이다. 이것은 그 자체로서 수평/수직꼬리날개 역할 모두를 해낼 수 있고 날개 끝 와류 문제등이 생길 수 없을것 같지만 크게 만드는데 한계가 있기 때문에 생각보다 수직/수평꼬리날개로서의 역할 모두를 만족하기 어렵다. 드물게 초경량 항공기 등에서 효율보다는 모양을 위해 사용. 주로 항공기보다는 폭탄이나 어뢰에 종종 쓰인 방식이다. 항공기만큼 큰 조종력이 필요하지 않은 반면 상하좌우 구분이 없으니.

• 참조항목

항공기의 기본 3축