비행속도에 대한 이해 (일부분은 번역).

[지바고]

시작하기 전에

경량항공기는 보통 고도 5,000 피트 내외, 비행속도는 많아야 120kts (220km/h) 정도에서 비행을 합니다.

따라서 복잡한 IAS, TAS, CAS 등의 속도 용어를 몰라도 계기판에 나오는 속도(Air speed Indicator) 만 보고 비행하여도 큰 무리 없이 안전하게 비행할 수 있습니다.

그러나 최근에는 비행기 제작기술이 큰 발전을 하여 경량항공기에서도 순항속도 140kts (260km/h) 에서 160kts(300Km/h), 비행고도는 16,000 feet, 914 Turbo 엔진 장착시 35,000 피트 까지 올라 가는 제너럴급의 경량항공기도 판매가 이루어 지고 있습니다.

(가격은 대략 풀옵션 시 2억원 정도)

 * 최근 판매되는 고속 기종 경량항공기의 예.

Type	국가	Vne	순항속도 (at 5000 RPM)	순항고도	비고
Black-Wing	스웨덴	400km/h (216 kts)	278km/h (150kts)	10,000 ft	Rotax-912 100hp
Pipistrel Virus	체코	302km/h (160 kts)	270km/h (145 kts)	max 35,000 ft	Rotax-914 115hp
Siren	스위스	350km/h (190 kts)	260km/h (140 kts)	10,000 ft	Rotax-912 100hp

문제는 위와 같은 고속 기종으로 높은 고도에서 비행시에는 비행속도에 대한 정확한 이해가 없으면 불행한 사태( Flutter에 의한 기체파손)을 야기하게 됩니다. 따라서 비행속도에 대한 정확한 이해가 필요할 듯 하여 비행기의 속도에 관한 자료들을 여기저기 뒤져서 정리하여 보았습니다.

뒷부분에는 Pipistrel 항공사(체코)에서 생산되어 판매되는 경량항공기인 Pipistrel Virus-SW 기종의 비행매뉴얼(Pilot Operation Manual)을 번역하였습니다.

Pipistrel 사의 Virus 기종과 sinus란 두 개의 기종에서 사고가 발생하였는데 사고발생원인을 분석하여 보니 모두 조종사가 속도에 대한 개념을 몰라 발생한 사고라 판단하고 아예 조종사 매뉴얼에 속도에 대한 상세한 기술을 하여 놓았습니다. 좋은 참고자료가 될듯하여 번역하였습니다

Air Speed의 종류

1) IAS(Indicated Airspeed) : 지시 대기속도

 Pitot-Tube를 이용해서 측정된 속도로서 Air speed Indicator에 표시 되는 값이며 여러 오류 값들도 포함하고 있는 수치입니다.

2) CAS(Calibrated Airspeed) 보정 대기속도.

IAS에서 Pitot-Tube의 설치 오차와 계기오차를 제거한 값입니다. 

주로 저속인 상황에서 IAS에 오류 값이 많이 들어가게 되는데 저속에서 수평 비행을 하려면 피치를 위로 많이 올린 상태로 앞으로 나아가게 되는데 그러면 pitot-tube가 바람을 직접적으로 맞지 못하고 위로 살짝 틀어져서 맞게 되어 실제보다 작은 압력이 측정되어 작은 IAS 값이 나오게 되는데 CAS는 이 같은 오류들을 수정한 값입니다.

3) EAS(Equivalent Airspeed) 등가 대기속도

200KT 이상의 속도로 운용하는 항공기들은 비행할 때 항공기 앞의 공기가 압축된 상태로 있게 됩니다.

고속으로 움직여서 항공기에 부딪힌 공기가 뒤로 흘러가지 못하고 순간적으로 압축이 되는데, 그러면 에어압력도 높아져서 실제보다 큰 속도가 측정됩니다.

이러한 오류를 CAS에서 보정한 것이 바로 EAS입니다. 그래서 EAS는 CAS보다 적은 값을 가지고 있습니다.

그러나 보통 훈련기로 사용되는 C172나 120 kts 이하에서 비행하는 경량항공기의 경우에는 저속에서 운용되므로 EAS는 필요하지 않습니다.

4) TAS(True Airspeed) 진대기속도

CAS를 altitude(고도)와 nonstandard temperature를 고려하여 수정한 값이 TAS입니다,

고도가 높아질수록 공기밀도가 희박해져서 공기저항이 줄어들어 TAS는 빨라지게 됩니다.

CAS는 이러한 고도에 따른 오류가 있기 때문에 TAS가 중요합니다.

ISA(sea level, 섭씨 15도, 기압 29.92inHg) 조건이라고 가정하면, TAS는 고도가 1000ft 올라갈 때마다 약 2%씩 증가하게 됩니다. TAS는 Flight Plan에서 이용되므로 대단히 중요합니다.

5) GS(Ground Speed) 대지속도

Ground Speed는 지면을 기준으로 한 항공기의 실제속도를 의미합니다.

TAS에서 바람의 영향을 수정해주면 GS가 나옵니다.

비행기가 맞바람(Headwind)을 맞으며 비행하면 GS는 감소하고, 뒤에서 부는 바람(Tailwind)를 맞으며 비행하면 GS는 증가합니다.

이정도로 Air speed의 정의를 알아 보았습니다.

아래 부터는 Pipistrel사의 Pilot Manual 에 나와 있는 조종사들이 반드시 숙지하여야 할 속도에 대한 글을 제가 번역한 것입니다

원문출처 : Pipistrell Virus SW Flight manual Page 86.

                http://www.pipistrel.si/plane/virus-sw/manuals

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빠르다는 것이 얼마나 빠른가 ?

두 명의 조종사가 새로 인수 한 Sinus 와 Virus 항공기를 잃어버린 최근의 두 가지 불행한 사건을 토대로, 당사의 조종사 팀은 대기 속도의 중요성을 더욱 강조하기로 결정했습니다.

아래에 언급 된 모든 것이 파일럿에게 직접 영향을 주기 때문에 아래 사항들을 철저히 숙지하시기 바랍니다.

두가지의 사례

두 가지 사건 모두 조종사들이 새로운 항공기로 비행 한 첫 두 시간 동안 발생했습니다.

따라서 그들은 Sinus와 Virus가 제공하는 모든 비행 단계에 완전히 익숙해지지 않았다고 확신하며 두 사건의 상황은 놀랍게도 비슷하였습니다.

조종사가 딜러로 부터 새 항공기를 인수 한 직후, 항공기는 많은 손상을 입었습니다. 

하나는 최초의 크로스 컨트리 비행 중이었으며 다른 하나는 국내 비행장에서의 첫 비행 중이었습니다.

딜러는 300 ~ 500m (900 ~ 1500 피트)에 이르는 고도에서 VNE까지 언급하며 두 항공기를 독립적으로 테스트를 하였으며 성공적이었습니다.  조종사는 높은 고도에서 매우 빠른 속도로 비행했습니다.

그들 중 한 명은 속도 285km/h(155 kts)에서 에어브레이크(spoiler)를 사용하였으며 (항공기의 VNE는 225km/h(122kts), 다른 한명은 10,000ft (3000m) 에서 270km/h (145 kts)로 (VNE는 250km/h (135kts) 로 비행하였습니다.

두 경우 모두 떨림에 의한 심한 진동(Flutter)를 겪었습니다.

이로 인해 캐빈 뒤의 반이 쪼개지고 파손되어 졌습니다 (낙하산시스템 덕분에)

다른 하나의 손상은 Flapperon control tubes (?) 만 파손되는 손상을 입었습니다.

두 번째 항공기의 조종사는 엘리베이터와 방향타만 사용하여 안전하게 착륙하였으며 다행히도 두 조종사 모두 사망사고 없이 가벼운 부상만을 입었습니다. 

Brauniger ALPHA 사의 “통합 항공 데이터 레코더” 덕분에 우리는 비행을 재구성하고 실제로 일어난 일을 밝힐 수 있었습니다.

두 가지 사고를 일으킨 Flutter (진동)의 원인은 무엇이었을까?
두 조종사는 절대로 초과해서는 안되는 속도 인 VNE를 크게 초과했습니다.
IAS에서 TAS까지의 보정 계수를 고려해 볼 때, 둘 다 315 km/h (170 kts)보다 빠른 속도로 날고 있었습니다!

여러분들은 "왜 그들은 비행속도를 안전한 제한속도 이내에서 비행하지 않았을까?

왜 그들은 VNE를 초과한다는 것을 인지하지 못 하였을까? 라는 생각을 하실 것입니다.
두 조종사와 이야기하여 보니 두 조종사 모두 비행속도가 초과된다는 것을 인지하지 못하였다 하며 두 명 모두 "모든 일이 갑자기 그렇게 일어났다!" 라고 이야기 하였습니다.

그러므로 VNE를 인지하지 못하는 수준까지 비행에 영향을 줄 수 있는 모든 요소에 익숙해 져야 하는 것이 대단히 중요합니다.

인적인 요소와 비행성능

사람의 신체는 250km/h (135kt)로 비행 할 의도가 없으며 비행하기 위하여 만들어진 것도 아닙니다.

그러므로 비행 중에는 인체에서 발생하는 신호는 항상 신뢰하면 안됩니다.

움직이는 속도를 확인하려면 보통 귀와 눈의 두 가지 감각을 이용하십시오.

주변의 물체가 빠르게 지나갈수록 더 빨리 움직일 수 있습니다.

다시 말하자면 기체 순환 공기로 인한 소음이 클수록 대기 속도가 빠릅니다. 그러나 우리 모두를 두 경우의 시나리오에만 국한 시키십시오.

높은 고도에서 인간의 눈은 움직임의 속도를 정확하게 확인하는 능력을 잃어버립니다.

높은 고도에서 비행하는 조종사들에게는 대단히 느리게 느껴집니다.  

고속에서 기체를 순환하는 공기는 엄청난 소음을 야기한다?  틀렸습니다.

실제로 소음은 항력 때문에 발생합니다. 컴퍼짓으로 제작된 Sinus 및 Virus와 같은 현대의 항공기는 항력이 거의 없어 예상보다 소음이 적게 들립니다.

특히 비행 중에 헤드셋을 착용하였다면 여러분의 귀에 의존하지 말아야 하며 속도에 관련된 계기에 의존하여야 합니다.  

높은 고도로 비행시 대기 속도를 결정하는 유일한 신뢰할 수 있는 도구는 계기(Air speed Indicator)라는 것을 반드시 기억하시기 바랍니다.

Airspeed Indicator의 지시 값을 읽고 이해하는 방법 

먼저 아래와 같은 용어에 익숙 하여야 겠습니다. 

1) IAS(Indicated Air Speed) 지시대기속도 :

에어스피드 지시계가 나타내는 에어스피드 값입니다. 

2) CAS(Calibrated Air Speed) 수정대기속도 :

이는 항공기의 자세 요소가 반영 되어진 IAS 값 입니다. 

피토관(대기 속도를 나타내는 데 사용되는 가압 장치를 측정하는 장치)는 기류와 정확히 평행하게 배치되어 있지 않으므로 입력 속도(IAS)를 수정하여 적절한 대기 속도 판독 값을 얻어야 합니다.

Sinus기체와 Virus 기체의 경우 IAS와 CAS의 보정 계수는 1,00에서 1,04 사이입니다

3) TAS(True Air speed, 진대기속도) :

TAS는 종종 항공기의 에어 프레임이 노출되는 공기의 속도로 간주됩니다.
TAS를 얻으려면 CAS를 입력 값으로 하며 압력고도, 온도 및 공기 밀도의 변화에 따라 보정해야 합니다. 

최대 구조 속도는 IAS와 연결됩니다. 그러나 탄소 강화 플라스틱으로 제조 된 길고 매끄러운 날개를 가진 경비행기는 구조적 결함보다 고속에서 Flutter(진동)이 오는 경향이 있습니다

그래서 Flutter는 저희 회사는 물론 탄소강화플라스틱 항공기를 생산하는 모든 업체들에게 VNE를 결정짓는 주된 요소입니다. 

Flutter의 속도는 기체를 순환하는 공기의 속도 차이가 작기 때문에 TAS와 관련이 있습니다.

따라서 공기 밀도는 하나의 요인이 아닙니다.

여전히 이것을 의심하는 모든 사람들을 위해 TAS와 관련된 Flutter에 대한 확실한 출처의 두 가지 인용문이 있습니다 :

“Flutter 는 EAS(equivalent air-speed 등가대기속도) 보다는 TAS(True Air speed 진대기속도)와 관련이 있다 할 수 있겠습니다. 그러므로 VNE 나 그 이상에서 운용되는 항공기들은 Flutter에 더 많은 영향을 받게 됩니다".  (출처 : New Zealand CAA’ Vector Magazine) 

(full passage at page 5 of http://www.caa.govt.nz/fulltext/vector/vec01-4.pdf) 

“ Flutter의 임계속도는 TAS, 공기밀도 및 임계 Mach(마하)넘버에 달려 있습니다.

공기밀도 요소는 TAS 요소에 의하여 대부분 상쇄 되어지며 저희들 대부분은 Mach(마하) 넘버가 변수가 될 정도로 빠르게 비행하지는 않습니다. 그러므로 TAS는 파일럿들이 인식하고 있어야 하는 것입니다. 

(출처 : Bob Cook, Flight Safety International) 

Airspeed는 당신에게 IAS를 보여주지만 안타깝게도 이는 항공기 에어프레임의 대기속도는 아닙니다. 

IAS와 TAS는 해수면에서는 동일하지만 고도가 상승할수록 현저한 차이가 나게 됩니다.

따라서 공기층이 희박한 높은 고도에서의 비행시에는 지시되는 에어스피드는 다르게 나타나는 결과를 가져옵니다.  표시되는 Airspeed 값은 실제로 항공기가 노출되는 속도인 TAS보다 훨씬 낮을 수 있습니다.

그래서 VNE는 IAS 또는 TAS로 간주됩니까?
이는 실제로 4000m / 13100ft 이상의 TAS로 간주 됩니다 !!!
앞에 언급 된 두 조종사처럼 VNE를 초과하지 않도록 주의해야 합니다. 

실제로 IAS와 TAS는 어느 정도의 차이가 있는가?

아래의 데이터는 표준대기입니다.

아래의 표는 일정한 고도에서 일정한 True Air Speed (TAS)를 유지하는 속도를 나타냅니다

아래의 표는 일정한 고도에서 일정한 Indicated Air speed (IAS)를 유지하는 속도를 나타냅니다

위의 표에서 알 수 있듯이 IAS와 TAS의 차이는 작지 않으므로 항상 명심하여야 합니다.

번역자 주) :

예를 들면 고도 3,000피트에서 속도계가 250km/h 를 나타내면 실제비행 속도는 266km/h가 되며

10,000 피트에서 250km/h 로 비행시의 실제비행 속도는 290km/h 가 되고

이 같은 차이는 고도가 높아질수록 더욱 커진다는 의미입니다.

그러나 고도 5천 피트 이내에서 200km/h (110 knots) 정도로 비행시의 IAS와 TAS 차이는 대략 10여 Km/h 정도 밖에 안되므로 너무 신경쓰지 않아도 되겠습니다.

기억하십시요

 * 당신의 귀를 믿지 마십시요

 * 당신의 눈을 믿지 마십시요

 * 항상 계기판을 믿고 IAS 와 TAS의 차이를 명심하시기 바랍니다.

 * 항상 매뉴얼에 지시되어진 한계치 이내에서 운용하십시요 !!

  절대로 VNE를 초과하지 마십시요. 치명적입니다.

번역자 주) : 

결론은 위의 속도관계를 숙지하여 계기판에 나타나는 속도만 보지말고 TAS 를 고려하여 비행하면서 Flutter에 의한 사고를 방지하라는 의미 입니다.

TAS를 모르고 IAS만 보고 비행하면 VNE 를 초과하는 비행을 하게 되고 결과적으로 기체에 Flutter가 발생하여 극심한 진동이 발생하고 이로 인하여 기체가 공중분해 되거나 기체의 일부분이 파손되므로 각별한 주의가 필요하다는 이야기 입니다. (끝).

[에어포일]

좋은 글 감사합니다,^^

[지바고]

읽어주셔서 감사합니다.

[정용구(쫄각하)]

잘보고 갑니다.

[지바고]

감사합니다

[돈브로]

어려운 내용 쉽게 정리해주셔서 잘 봤습니다. 감사합니다.

[지바고]

넹