스크랩 계기에 관한 고찰(1)(Airspeed and attitude indicator)

[날탱이]

이번에는 실제 비행에서 가장 중요한 부분중의 하나인 항공기의 다향한 계기, 그 중에서도 비행과 가장 밀접한 관련이 있는 Flight Instrtuments 에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

일단 아래 사진을 보시면 Cessna 172 trainer 의 조종석 계기판(instrument panel)

이 보입니다.

우리가 flgith instruments 라고 부르는 것들은 바로 아래에 있는 6개입니다. 위쪽줄 제일 왼쪽부터 시계방향으로 보았을 때 Airspeed indicator, Attitude Indicator, Alimeter, Vertical Speed Indicator, Heading Indicator, Turn Coordinator 입니다.

첫번째는 Airspeed Indicator 되겠습니다.  Airspeed indicator 는 비행기에 있는 pitot-static port 를 둘다 사용하는 유일한 계기입니다.  Airspeed Indicator 는 ram air pressure 와 static pressure 와의 차이를 나타내는 계기입니다.  항공기가 빨리 움직이면 움직일수록 ram airpressure 가 증가하므로 static pressure 와의 차이는 커지고, 커진 양만큼이 계기안에 있는 압력의 차에 따라 수축과 팽창을 하는 diaphragm 에 의해 속도로 나타나는 것입니다.

Airspeed 에는 Calibrated airspeed, equivalent airspeed, true airspeed가 있습니다.

다양한 서적들에 나오는 내용입니다만 빠뜨릴 수 없는 것중의 하나가 airspeed indicator 에 있는 각각의 color-coded arcs 입니다.

계기를 유심히 보시면 하얀색, 초록색, 노란색 그리고 빨간색으로 표시된 arcs 들과 선이 보이시죠.  하얀색의 처음 시작 부분은 Vso, 즉 stall speed or minimum steady flight speed, in the landing configuration at the maximum landing weight 입니다. 다시 말해서 Cessna 172 의 경우에는 flaps 30 에서의 stall speed 를 나타내는 것입니다. 40 knots 미만이 되면 landing configuration 에서는 stall 이 일어나서 비행기가 정상적인 비행 상태를 유지할 수 없게 됩니다.  이륙이나 착륙중에 이런 상황이 발생하면 매우 위험하므로 교육을 받으면서 회복절차나 stall 에 근접했을 때의 비행특성에 대해 배우는데 많은 시간을 소모하게 됩니다.  white arc 의 끝부분은 full flap operating range 를 나타냅니다.  구형의 Cessna 172 의 경우에는 flaps 10 도부터 85 knots 미만이 되어야 extension 이 가능했는데 신형의 172는 110 knots 까지는 10도 까지는 extension 이 되도록 바뀌었습니다.  FS2004 에 있는 172 부터 적용하시면 되겠습니다. 

어느것이 적용되는 비행기인지는 항상 해당 POH 를 보셔야 합니다.

초록색의 arc 가 시작되는 지점의 속도는 Vs1, 즉 stall speed in clean configuation at maximum takeoff weight 입니다.  power-off stall speed in landing configuration 이라고도 말합니다.  이 계기판에는 약 47knots 정도로 표시가 되어 있네요.  비행기들을 잘 보시면 안전과 밀접한 관계가 있는 항목들은 어떤식으로든 표시가 되어 있습니다.

Green arc 는 색깔에서 짐작할 수 있듯이 normal operating range 를 의미합니다.

yellow arc 의 처음 시작부분은 Vno ,즉 maximum structural cruising speed 입니다.  고요한 기류가 있는 곳에서만 운용할 수 있고 잘 못하면 항공기 구조상의 문제가 생길 수 있어서 매우 세심한 주의가 요구되는 speed range 입니다.  이 노란곳에서 날아다니는 일은 없다고 보시면 됩니다.

마지막으로 빨간 선은 Vne Never Exceed speed 를 의미합니다.  설명 안해도 아시겠죠?

자 이제 속도와 원리에 대해서 대충 알아보았으니 pitot static port 가 막혔을 때 airspeed indicator 가 어떤 이상징후를 보이는지 알아 봅시다.

먼저 Pitot tube 가 막혔을 경우입니다.

pitot tube 에는 두개의 구멍이 있습니다.

하나는 ram air 가 들어오는 구멍이고 다른하나는 물이나 비등이 뒤로 빠지도록 만들어 놓은 drain hole 입니다.  그런데 ram air 가 들어오는 구멍만 막히고 drain hole 은 막히지 안았다면 어떻게 될까요?  그렇습니다.  pitot tube 의 drain hole 이 static port 와 같은 역할을 하게 되겠지요.  결과적으로 pitot tube 와 ram air pressure 와 static port 의 static pressrue 가 같아져서 airspeed indicator 는 0 을 가리키게 됩니다.

 그러면 pitot tube 의 구멍 두개가 다 막히면 어떻게 될까요?

그렇습니다.static port 가 막히지 않았다면   airspeed는

고도계와 같은 행동을 하게 됩니다.  비행기의 고도가 높아지면 속도도 증가하고 고도가 낮아지면 속도도 감소하게 됩니다.  실제로 이런상황과 맞닥뜨리게 된다면 매우 혼란스러울 뿐만 아니라 위험한 상황까지 갈 가능성이 있습니다. 

실제로 조종사들이 사망에까지 이른 사고가 이로 인해 있었습니다.

위와 같이 pitot tube 의 두 구멍이 모두 막힌 상태에서 고도를 높인다고 합시다.

고도가 올라가면 올라갈 수록 속도도 늘어 나는 것처럼 보이겠지요. 

늘어나는 속도는 결국에는 never exceed speed 에 근접하게 될것이고 조종사는 급격히 control yoke/stick 을 뒤로 잡아당기게 되겠지요.  고도가 올라가고 있는데 조종간을 더 잡아 당기니 실제 속도는 더 급격하게 떨어지게 될것이고 결국 stall 과 spin 으로 이어져 추락하게 되는 위험한 상황이 올 수도 있다는 것입니다.

이런 상황이 일어 날수도 있다는 것을 알면 같은 상황이 닥쳤을 때 예방을 곧잘 할 수 있을 것이라 생각하시겠지만 상식적인 판단과 완전히 반대되는 위와 같은 상황에 실제로 직면한다면 올바로 대처하기란 쉽지가 않을 것 같습니다.

Pitot tube 와 static port 가 완전히 다 막히면 airspeed indicator는 움직이지 않고 막히기 직전의 속도를 나타내고 고정되어 있게 됩니다.

자, 이제 가장 중요한 attitude indicator 에 대해서 알아 보겠습니다. 

Attitude Indicator 는 보시는 바와 같이 위의 반은 하늘을 나타내고 아래의 갈색부분은 땅을 나타냅니다.  중간아래쪽 쯤에 보시면 vacuum 이라고 나와 있습니다.

이 놈은 우리가 엤날에 문방구에서 가지고 놀던 쇠로된 팽이(top or more precisely, gyroscope) 와 vacuum pump 를 이용해서 작동하는 계기입니다.  옛날의 기억을 더듬어 보시면 팽이를 줄을 감아 힘껏 돌리면 팽이는 서서 가만히 있게 됩니다.  바로 이 성질 rigidity in space 우리 말로는 강직성 뭐 이렇게도 표현하는데 그냥 원 용어 그대로 알아두시면 되겠습니다.  우리말이 더 햇갈립니다. ㅎㅎ 

돌아가는 팽이에는 이 rigidity in space 말고도 precession 이라는 또하나의 중요한 성이 있습니다. 비행공부 하면서 단골로 자주 등장하는 놈중의 하나가 바로 이 precession 입니다.  단어가 의미하듯 무언가 앞서간다는 의미가 있습니다.  무엇이 어떻게 앞서갈까요?

우리말로는 세차성이라고 합니다.  한자인데 도대체 무슨 의미인지를 모르겠습니다.

그냥 우리나라에서는 그렇게 이야기 한다는 정도로만 알아 두시기 바랍니다.

이 precession 은 양날의 검입니다.  때로는 계기의 오차를 바로 잡기도 하고 또 어떤 때는 계기의 오차를 유발하기도 합니다. 

아래 그림을 보시죠

원반이 시계방향으로 회전하고 있을때 회색의 힘이 주어지면 빨간색의 힘이 주어지는 것과 같은 현상이 나타나서...

아래의 그림처럼 원반이 기울어 지게 됩니다.  precession 이라는 말 처럼 회전방향과 같이 가면서 실제로 힘이 주어진 지점보다 90 도 앞선 지점에서 결과적인 힘이 나타나게 되는 것입니다.

위에서 말씀드린 대로 바로 rigidity in space 에 의해서 attitude indicator 가 내부에 있는 spinning gyroscope 와 연결되어서 gyroscope 는 움직이지 않지만 자세계의 비행기를 나타내는 오랜지색의 표식이 airificial horizon 을 기준으로 움직이는 원리로 조종사에게 현 자세를 알려주는 것입니다.  이 자세계에 연결된 gyroscope 를 일정 rpm 이상으로 돌려 주어야 rigidity in space가 유지가 된는데요, gyroscope 를 돌려주는 힘의 원천이 바로 engine driven vaccum pump 인 것입니다.

taxi 즉 지상활주 중에는 엔진의 rpm 이 그리 높지 않아서 gryoscope 가 제대로 서 있으려고 하는 힘이 충분하지 않은데요 이 것을 gyroscope 에 네개의 바람구멍과 pendulus vanes 을 달아놓음으로써 위에서 말씀드린 precession 이라는 성질을 이용해서 gyroscope 가 삐딱해 지려고 하면 다시 똑바로 세워주고 하게 됩니다.

근데 앞서 말씀드린 것처럼 이 precession 은 양날의 검입니다.

지상활주중에 자세계의 오차를 바로 잡고자 고안된 네개의 공기구멍, pendulus vanes 이 precession 때문에 비행중에는 오차가 발생하게 됩니다.

여기서 글과 사진으로만 설명을 하기에는 너무 길어 질것같아서 일단 그런 원리로 자세계가 작동을 한다는 것만 알아 두시기 바랍니다.