MAP·RPM 관계와 기화기 착빙 — 조종사 핸드북 7장 (2/8)

앞 편은 왕복엔진·프로펠러와 매니폴드 압력까지 다뤘습니다. 이번 편은 같은 rpm에서 넘기면 안 되는 매니폴드 압력, 프로펠러 오버스피드, 흡기계통과 기화기 착빙입니다.

매니폴드 압력과 RPM

어떤 rpm이든, 넘기면 안 되는 매니폴드 압력(MAP)이 있습니다. 그 rpm에 비해 매니폴드 압력이 과도하면 실린더 안 압력이 한도를 넘어 실린더에 무리한 응력이 걸립니다. 이런 일이 자주 반복되면 실린더 구성이 약해지고, 결국 엔진 고장으로 이어질 수 있습니다.

조종사는 rpm을 늘릴 때 특히 rpm을 끊임없이 의식해, 실린더에 과응력이 걸리는 상태를 피합니다. 해당 엔진의 출력 설정은 제작사 권고를 보고, 매니폴드 압력과 rpm의 관계를 지킵니다.

매니폴드 압력과 rpm을 둘 다 바꿔야 하면, 엔진 과응력을 피하려고 출력 조절 순서를 지킵니다.

• 출력을 줄일 때는 매니폴드 압력을 먼저 내리고, 그다음 rpm을 내립니다. rpm을 먼저 내리면 매니폴드 압력이 저절로 올라가 제작사 한도를 넘을 수 있습니다.
• 출력을 올릴 때는 순서를 반대로 합니다. rpm을 먼저 올리고, 그다음 매니폴드 압력을 올립니다.
• 성형엔진(radial engine) 손상을 막으려면 최대 rpm과 최대 매니폴드 압력에서의 운용 시간을 줄이고, 최대 rpm에 낮은 매니폴드 압력 조합은 피합니다.

고성능 왕복엔진의 심한 마모·피로·손상을 막으려면 엔진 또는 기체 제작사의 권고를 따릅니다.

피스톤 엔진 항공기의 프로펠러 오버스피드

2010년 3월 17일, 미국 연방항공청(FAA)은 특수감항정보회보(SAIB, Special Airworthiness Information Bulletin) CE-10-21을 냈습니다. 제목은 프로펠러/추진장치, 피스톤 엔진 항공기의 프로펠러 오버스피드로, 가변피치 프로펠러를 단 피스톤 엔진기에서 오버스피드가 났을 때 어떻게 대응하는 것이 최적인지를 운영자·조종사·제작사에 알리기 위한 것이었습니다. SAIB는 규제력이 없지만, FAA는 비행 안전을 위해 읽고 고려할 것을 권고합니다.

회보는 단발기가 7,000 ft 순항 중 프로펠러 오버스피드를 겪은 사례를 설명합니다. 조종사는 스로틀을 넣었더니 프로펠러가 오버스피드 하면서 추력이 거의 없었다고 보고했습니다. 근처 공항으로 활공하려고 조종사운영교범(POH)에 나온 “베스트 글라이드” 속도 110 kt를 잡았으나 공항에 닿지 못해 장외 착륙을 했습니다.

조사 결과 프로펠러 피치 변환 기구가 저피치 스톱(low pitch stop) 위치로 가 버린 고장이었습니다. 프로펠러는 고정피치처럼 동작해, 출력과 속도가 바뀌면 rpm도 따라 바뀝니다. 저피치 설정은 이륙 때 최대 출력을 내기 위한 것이지만, 속도가 높으면 오버스피드가 납니다.

해당 기종의 그 비행 상태를 성능 평가해 보니, 베스트 글라이드보다 낮은 속도가 추력을 키워 수평 비행을 유지할 수 있는 쪽이었습니다. 항공기·엔진·프로펠러 변수가 많아 성능이 달라집니다. 어떤 기종은 프로펠러 블레이드가 저피치 스톱에 붙어 있는 이 상황에서, 교범의 베스트 글라이드가 충분한 추력을 내기에는 너무 높을 수 있습니다.

가변피치 프로펠러 운영자는, 오버스피드의 어떤 경우에는 수평 비행에 필요한 속도가 엔진 정지 베스트 글라이드와 다를 수 있음을 알아 둡니다. 오버스피드가 나면 해당 비상 절차를 따르는 것이 우선입니다. 다만 속도를 조금 낮추면 계속 비행해 착륙할 수 있는 경우가 있습니다. 엔진 정지 베스트 글라이드보다 나은 속도를 찾는 것은, 당장 착륙하는 것 외에 다른 선택을 고를 시간이 있는 안전한 고도에서만 합니다.

흡기계통

흡기계통(induction system)은 바깥 공기를 들여와 연료와 섞고, 그 연료-공기 혼합기를 연소가 일어나는 실린더로 보냅니다. 바깥 공기는 엔진 카울링 앞쪽 흡입구로 들어갑니다. 이 흡입구에는 보통 공기 필터가 있어 먼지와 이물질 유입을 막습니다. 필터는 가끔 막히므로 대체 공기원이 있어야 합니다. 대체 공기는 보통 엔진 카울링 안에서 나와, 막힌 필터를 우회합니다. 대체 공기원은 자동인 것도 있고 수동인 것도 있습니다.

소형기 엔진에서 흔히 쓰는 흡기계통은 두 가지입니다.

1. 기화기(carburetor) 계통 — 흡기 매니폴드에 들어가기 전에 기화기에서 연료와 공기를 섞습니다.
2. 연료분사(fuel injection) 계통 — 각 실린더에 들어가기 직전에 섞거나, 연료를 각 실린더에 직접 분사합니다.

기화기 계통

항공기 기화기는 플로트식(float-type)과 압력식(pressure-type)으로 나뉩니다. 아이들링, 가속, 혼합비 조절, 아이들 컷오프, 출력 농후 계통을 갖춘 플로트식이 둘 중 훨씬 흔합니다. 압력식은 소형기에는 거의 없습니다. 기본 차이는 연료를 보내는 방식입니다. 압력식은 연료펌프로 압력을 걸어 연료를 보냅니다.

플로트식 기화기 계통에서는 바깥 공기가 먼저 공기 필터를 지납니다. 필터는 보통 엔진 카울링 앞 흡입구에 있습니다. 걸러진 공기는 기화기로 들어가 벤투리(venturi), 곧 기화기 안의 좁은 목을 지납니다. 공기가 벤투리를 지나면 저기압 구역이 생기고, 그 차압이 목 부근 주 연료 제트를 통해 연료를 끌어올립니다. 연료는 기류로 나와 흐르는 공기와 섞입니다.

연료-공기 혼합기는 흡기 매니폴드를 지나 연소실로 빨려 들어가 점화됩니다. 플로트식이라는 이름은 플로트 챔버 안 연료 위에 떠 있는 플로트에서 왔습니다. 플로트에 달린 니들이 기화기 보울 바닥의 구멍을 열고 닫아, 플로트 위치 곧 챔버 연료 수위에 따라 들어오는 연료량을 잽니다. 연료 수위가 플로트를 올리면 니들 밸브가 연료 구멍을 막아 기화기로 가는 연료를 끊습니다. 엔진이 연료를 더 필요로 하면 니들 밸브가 다시 열립니다. 연소실로 가는 혼합기 유량은 조종석 스로틀이 조작하는 스로틀 밸브가 조절합니다.

플로트식에는 뚜렷한 단점이 있습니다. 첫째, 급기동에서 잘 작동하지 않습니다. 둘째, 저압으로 연료를 내보내므로 기화가 불완전하고, 어떤 과급 계통에는 연료를 넣기 어렵습니다. 그러나 가장 큰 단점은 착빙 경향입니다. 플로트식은 저압 지점에서 연료를 내보내야 하므로 토출 노즐이 벤투리 목에 있어야 하고, 스로틀 밸브는 토출 노즐의 엔진 쪽에 있어야 합니다. 연료 기화로 인한 온도 강하가 벤투리 안에서 일어난다는 뜻입니다. 그 결과 벤투리와 스로틀 밸브에 얼음이 쉽게 생깁니다.

압력식 기화기는 대기압보다 훨씬 높은 압력으로 기류에 연료를 토출합니다. 기화가 더 잘되고, 스로틀 밸브의 엔진 쪽 기류에 연료를 넣을 수 있습니다. 토출 노즐이 이 위치에 있으면 연료 기화는 공기가 스로틀 밸브를 지난 뒤에서, 온도 강하를 엔진 열이 상쇄하는 지점에서 일어납니다. 따라서 연료 기화 착빙의 위험은 거의 사라집니다. 연료 챔버가 모든 운용 조건에서 차 있으므로, 급기동과 난기류가 압력식에 미치는 영향은 무시할 만합니다.

혼합비 조절

기화기는 보통 해면 기압에서 교정되어, 혼합비 조절(mixture control)을 풀 리치(FULL RICH)에 두면 올바른 연료-공기 혼합비가 나옵니다. 그러나 고도가 오르면 기화기로 들어오는 공기의 밀도는 떨어지고, 연료 밀도는 그대로입니다. 혼합비는 점점 진해져 엔진이 거칠어지고 출력이 꽤 떨어질 수 있습니다. 거칠음은 보통 점화플러그에 탄소가 과도하게 쌓여 오염되기 때문입니다. 진한 혼합비가 실린더 안 온도를 낮춰 연료가 완전히 타지 못합니다. 고지 공항에서 이륙 전 런업, 상승, 고고도 순항에서 이런 일이 날 수 있습니다. 올바른 혼합비를 유지하려면 혼합비 조절로 린(lean) 합니다. 린을 하면 연료 유량이 줄어, 고고도에서 낮아진 공기 밀도를 보정합니다.

고고도에서 강하할 때는 연료-공기 혼합비를 농후하게 하지 않으면 너무 희박해질 수 있습니다. 과도하게 희박한 혼합비는 디토네이션(detonation)을 일으켜 엔진 거칠음, 과열, 출력 상실로 이어질 수 있습니다. 올바른 혼합비를 유지하는 가장 좋은 방법은 엔진 온도를 감시하며 필요할 때 혼합비를 농후하게 하는 것입니다. 연료분사 엔진은 배기가스온도계(EGT)로 혼합비를 맞추면 조절이 정확해지고 연료도 아낄 수 있습니다. 혼합비 조절 절차는 항공기마다 다르므로, 해당 기의 항공기비행교범(AFM) 또는 POH를 봅니다.

기화기 착빙

앞에서 말한 대로 플로트식의 단점 하나가 착빙 경향입니다. 기화기 착빙(carburetor icing)은 연료 기화와 벤투리 안 기압 강하가 겹쳐 기화기 온도가 급격히 떨어지면서 생깁니다. 공기 속 수증기가 응결할 때 기화기 온도가 빙점 이하이면, 스로틀 밸브를 포함한 기화기 안쪽 표면에 얼음이 생길 수 있습니다.

기압이 낮아진 것과 연료 기화가 함께 기화기 온도를 떨어뜨립니다. 얼음은 보통 스로틀 밸브 부근과 벤투리 목에 생깁니다. 혼합기 흐름이 막혀 출력이 줄고, 얼음이 충분히 쌓이면 엔진이 멈출 수 있습니다. 기화기 착빙은 기온이 화씨 70도(°F) 곧 섭씨 21도(°C) 아래이고 상대습도가 80%를 넘을 때 가장 잘 생깁니다. 기화기 안에서 냉각이 급하므로, 외기온이 100 °F(38 °C)이고 습도가 50%로 낮아도 착빙이 날 수 있습니다. 이 온도 강하는 절대(상대가 아닌) 화씨 온도로 60~70도에 이를 수 있습니다(70 × 100/180 = 38.89 섭씨도). 어는점부터 끓는점까지 화씨는 180도, 섭씨는 100도입니다. 따라서 외기온 100 °F(38 °C)에서 절대 70 °F(38.89 섭씨도)가 떨어지면 기화기 안 공기 온도는 30 °F(−1 °C)가 됩니다.

고정피치 프로펠러 항공기에서 기화기 착빙의 첫 징후는 엔진 rpm 감소이고, 이어 엔진이 거칠어질 수 있습니다. 정속 프로펠러에서는 보통 매니폴드 압력은 떨어지지만 rpm은 줄지 않습니다. 프로펠러 피치가 출력 손실을 보상하도록 자동으로 바뀌어 rpm이 유지됩니다. 기화기 착빙은 어느 비행 단계에서나 날 수 있지만, 강하 중 출력을 줄였을 때 특히 위험합니다. 조건에 따라서는 출력을 넣을 때까지 착빙이 쌓여도 알아채지 못할 수 있습니다. 플로트식 기화기 엔진은 이 영향을 막으려고 카뷰레터 히트 계통을 씁니다.

카뷰레터 히트

카뷰레터 히트(carburetor heat)는 공기가 기화기에 닿기 전에 미리 데우는 방빙 계통으로, 연료-공기 혼합기를 빙점 위로 유지해 기화기 착빙을 막습니다. 이미 생긴 얼음이 너무 많지 않으면 녹이는 데도 쓸 수 있지만, 예방으로 쓰는 편이 낫습니다. 또 흡기 필터가 막혔을 때, 예를 들어 갑작스럽거나 예상하지 못한 기체 착빙에서는 대체 공기원으로도 씁니다. 카뷰레터 히트는 엔진 런업 때 점검합니다. 사용할 때는 제작사 권고를 따릅니다.

비행 중 기화기 착빙이 나기 쉬운 조건이면 주기적으로 점검해 존재를 확인합니다. 착빙이 확인되면 즉시 카뷰레터 히트를 전부 넣고, 얼음이 다 없어졌다고 확신할 때까지 ON에 둡니다. 얼음이 있는데 부분 히트만 넣거나 시간이 부족하면 상황이 나빠질 수 있습니다. 착빙이 심한 경우에는 얼음을 없앤 뒤에도 추가 착빙을 막으려고 풀 히트를 유지합니다. 기화기 온도계가 있으면 히트를 언제 넣을지 판단하는 데 도움이 됩니다.

비행 중 스로틀을 닫으면 엔진이 빨리 식고, 엔진이 따뜻할 때보다 연료 기화가 덜 됩니다. 이 상태에서는 기화기 착빙에도 더 취약합니다. 착빙 조건이 의심되고 스로틀을 닫을 운용을 예상하면, 스로틀을 닫기 전에 카뷰레터 히트를 풀 ON으로 두고 닫은 동안에도 유지합니다. 열이 연료 기화를 돕고 착빙을 막습니다. 엔진을 따뜻하게 유지하려고 주기적으로 스로틀을 몇 초 부드럽게 엽니다. 그렇지 않으면 히터가 착빙을 막을 열을 충분히 내지 못할 수 있습니다.

카뷰레터 히트를 쓰면 엔진 출력이 줄고, 때로는 최대 약 15%까지 떨어집니다. 가열된 공기가 그전에 들어오던 외기보다 밀도가 낮기 때문입니다. 혼합비는 진해집니다.

조종사는 비행 중 기화기 착빙을 알아채 출력·고도·속도 손실을 막아야 합니다. 진동이나 엔진 거칠음이 함께 올 수도 있습니다. 출력 손실이 보이면 이미 생긴 얼음을 없애고 더 생기는 것을 막으려고 즉시 조치합니다. 방법은 카뷰레터 히트를 전부 넣는 것입니다. 히트는 출력을 더 떨어뜨리고, 녹은 얼음이 엔진을 지나며 거칠음을 일으킬 수 있습니다. 이 증상은 착빙 정도에 따라 30초에서 수 분까지 갑니다. 그동안 히트를 줄이고 싶은 충동을 참습니다. 정상 출력이 돌아올 때까지 풀 핫에 둡니다.

카뷰레터 히트는 엔진 출력을 떨어뜨리고 운용 온도를 올리므로, 이륙처럼 전부력이 필요할 때나 평소 엔진 운용에서는 쓰지 않습니다. 착빙이 있는지 확인하거나 없앨 때만 예외입니다.

기화기 공기온도계

일부 항공기에는 기화기 공기온도계(carburetor air temperature gauge)가 있어 착빙이 나기 쉬운 조건을 탐지하는 데 씁니다. 계기 면은 보통 섭씨로 눈금이 매겨져 있고, 착빙이 날 수 있는 기화기 공기온도를 노란 호로 표시합니다. 이 노란 호는 보통 −15 °C ~ +5 °C(5 °F ~ 41 °F)입니다. 기온과 공기 속 수분이 착빙이 거의 없는 조건이면, 지시가 노란 구간에 있어도 엔진을 운용해도 해롭지 않습니다. 대기 조건이 기화기 착빙에 유리하면, 카뷰레터 히트를 넣어 지시를 노란 호 밖으로 유지해야 합니다.

어떤 기화기 공기온도계에는 엔진 제작사가 권고하는 기화기 입구 공기온도 상한을 빨간 방사선으로 표시합니다. 있으면 녹색 호가 정상 운용 범위입니다.

외기온도계

대부분 항공기에는 섭씨와 화씨가 함께 눈금 매겨진 외기온도계(OAT)도 있습니다. 진대기속도 계산에 쓰는 바깥 곧 주위 기온을 알려 주고, 착빙이 나기 쉬운 조건을 탐지하는 데도 쓸모가 있습니다.

연료분사 계통

연료분사 계통에서는 연료를 실린더에 직접, 또는 흡기 밸브 바로 앞에 분사합니다. 공기 흡입은 기화기 계통과 비슷하고, 대체 공기원은 엔진 카울링 안에 있습니다. 바깥 공기원이 막히면 이 공기를 씁니다. 대체 공기원은 보통 자동이고, 자동이 고장 나면 쓰는 수동 백업이 있습니다.

연료분사 계통은 보통 여섯 가지 기본 구성으로 이뤄집니다. 엔진구동 연료펌프, 연료-공기 조절 유닛, 연료 매니폴드(연료 분배기), 토출 노즐, 보조 연료펌프, 연료 압력/유량 지시계입니다.

다음 편은 이 여섯 구성의 작동과 과급기·터보과급기입니다.

이 글은 미국 연방항공청(FAA)의 Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge(FAA-H-8083-25B)(퍼블릭 도메인)를 번역·재구성한 시리즈입니다.