피토-정압계통과 고도계 — 조종사 핸드북 8장 (1/5)

앞 편은 산소계통과 방빙·제빙까지 다뤘고 7장이 끝났습니다. 이번부터는 8장 비행 계기이고, 피토-정압계통(pitot-static system)과 고도계입니다.

도입

어떤 항공기든 안전하게 날려면 조종사는 비행 계기를 읽고 다루는 법을 알아야 합니다. 계기의 오차와 고장도 알아챌 수 있어야 합니다. 이 장은 피토-정압계통과 관련 계기, 진공계통과 관련 계기, 자이로 계기, 자기나침반을 다룹니다. 각 계기가 어떻게 도는지 알고 고장을 알아채면, 계기를 안전하게 최대한 쓸 수 있습니다.

피토-정압 비행 계기

피토-정압계통은 정압(static pressure)과, 항공기가 공기를 가르며 생기는 동압(dynamic pressure)을 함께 쓰는 계통입니다. 이 두 압력을 속도계(ASI, airspeed indicator), 고도계(altimeter), 승강계(VSI, vertical speed indicator) 작동에 씁니다.

충격압 챔버와 배관

피토관(pitot tube)은 항공기가 공기를 가를 때 생기는 합쳐진 전체 압력을 잽니다. 정압은 주위압력(ambient pressure)이라고도 하며, 항공기가 움직이든 서 있든 항상 있습니다. 그 지역의 기압일 뿐입니다. 동압은 항공기가 움직일 때만 있으므로, 운동으로 생기는 압력으로 보면 됩니다. 바람도 동압을 만듭니다. 항공기가 고요한 공기 속을 70노트로 가든, 70노트 바람을 정면으로 받든 동압은 같습니다.

기수에서 90° 미만으로 바람이 불면, 그 동압이 속도계에 나타날 수 있습니다. 익면을 가로지르는 바람 20노트는 고요한 공기 속을 항공기가 20노트로 가는 것과 같습니다. 피토관은 동압과, 항상 있는 정압을 함께 받습니다.

피토관 앞의 작은 구멍으로 전압(total pressure)이 압력 챔버로 들어갑니다. 전압은 동압 더하기 정압입니다. 앞의 큰 구멍 외에, 챔버 뒤에도 작은 구멍이 있어 강수에 들어가면 수분이 빠지게 합니다. 비행 전에 피토관 두 구멍 모두 막히지 않았는지 확인합니다. 오래 세워 두는 항공기에는 피토관 커버를 씌우는 경우가 많습니다. 벌레와 이물질이 피토관 입구에 끼지 않게 하기 위해서입니다.

피토관을 쓰는 계기는 속도계뿐입니다. 전압은 피토관 압력 챔버에서 가는 관으로 속도계에 전달됩니다. 정압은 속도계 반대쪽에도 들어가, 양쪽 정압이 서로 상쇄되고 동압만 계기에 남습니다. 동압이 바뀌면 속도계는 그 방향으로 증가 또는 감소를 가리킵니다. 나머지 두 계기(고도계와 승강계)는 정압구에서 오는 정압만 씁니다.

정압 챔버와 배관

정압 챔버는 항공기 옆면의 흐트러지지 않은 공기로 작은 구멍을 통해 통합니다. 대기압이 바뀌면, 계기와 정압계통을 잇는 가는 관을 통해 압력이 계기 안팎으로 자유롭게 드나듭니다. 일부 항공기에는 주 정압원이 막혔을 때를 위한 예비 정압원(alternate static source)이 있습니다. 예비 정압원은 보통 조종실 안에 있습니다. 동체 주위를 흐르는 공기의 벤투리 효과 때문에, 조종실 안 기압은 바깥보다 낮습니다.

예비 정압원을 쓰면 계기는 이렇게 가리킵니다.

1. 고도계는 실제보다 약간 높은 고도를 가리킵니다.
2. 속도계는 실제보다 큰 속도를 가리킵니다.
3. 승강계는 순간 상승을 보이다가, 고도를 유지하면 안정됩니다.

예비 정압원을 쓸 때 계통에 들어가는 오차량은 항공기 비행교범(AFM) 또는 조종사 운용교범(POH)에서 확인하는 것이 조종사 책임입니다. 예비 정압원이 없는 항공기에서 막힘이 생기면, 정압을 넣는 다른 방법은 승강계 유리면을 깨는 것입니다. 이러면 승강계는 대개 못 쓰게 됩니다. 승강계를 깨는 이유는, 정압을 쓰는 계기 가운데 비행에 가장 덜 중요하기 때문입니다.

고도계

고도계는 주어진 기압면 위로 항공기의 높이를 재는 계기입니다. 기압면은 뒤에서 자세히 다룹니다. 고도를 가리킬 수 있는 계기는 고도계뿐이라, 항공기에 달린 가장 중요한 계기 중 하나입니다. 고도계를 제대로 쓰려면 작동과 오차, 각 오차가 지시에 미치는 영향을 알아야 합니다.

밀봉된 아네로이드 웨이퍼(aneroid wafer) 더미가 고도계의 주된 부품입니다. 아네로이드 웨이퍼는 내부 압력을 29.92수은주인치(“Hg)로 비운 밀봉 웨이퍼입니다. 정압 변화에 따라 팽창·수축합니다. 정압이 높으면 웨이퍼를 눌러 찌그러뜨립니다. 정압이 29.92 “Hg보다 낮으면 웨이퍼가 팽창합니다. 기계 링크가 웨이퍼 움직임을 지시판 바늘에 전달해, 수축은 고도 감소, 팽창은 고도 증가로 바꿉니다.

정압은 밀봉된 고도계 케이스 뒤로 들어갑니다. 바깥 챔버가 밀봉되어 정압이 아네로이드 웨이퍼를 둘러쌉니다. 정압이 웨이퍼 안 압력(29.92 “Hg)보다 높으면, 웨이퍼 안 압력이 주위 정압과 같아질 때까지 웨이퍼가 압축됩니다. 반대로 정압이 웨이퍼 안보다 낮으면 웨이퍼가 팽창해 부피가 커집니다. 이 팽창·수축이 기계 링크를 움직여 고도계 면의 바늘을 돌립니다.

작동 원리

기압 고도계는 고도계가 있는 높이의 대기 압력을 재는 아네로이드 기압계이고, 고도를 피트로 보여 줍니다. 작동원은 정압입니다. 공기는 해면에서 더 짙고, 고도가 오르면 대기압이 떨어집니다. 높이마다 다른 이 압력이 고도계에 고도 변화를 나타냅니다.

고도 표시 방식은 고도계 형식마다 꽤 다릅니다. 바늘이 하나인 것도 있고 둘 이상인 것도 있습니다. 이 핸드북은 다중 바늘형만 다룹니다. 전형적인 고도계 눈금은 0부터 9까지 시계 방향으로 숫자가 배열됩니다. 아네로이드 요소의 움직임이 기어를 통해 고도를 가리키는 세 바늘로 전달됩니다. 그림 8-2에서, 끝에 역삼각형이 있는 가늘고 긴 바늘은 만 피트 단위, 짧고 굵은 바늘은 천 피트 단위, 위에 겹친 긴 바늘은 백 피트 단위입니다.

다만 이 지시고도가 맞는 것은, 해면 기압이 표준(29.92 “Hg)이고 해면 외기온이 표준(+15℃ 또는 59℉)이며 고도가 오를 때 기압과 기온이 표준률로 떨어질 때뿐입니다. 비표준 기압은 고도계 면에 있는 기압 눈금에 보정된 기압을 넣어 맞춥니다. 이 기압창을 콜스만 창(Kollsman window)이라고도 하며, 고도계를 세팅한 뒤에야 올바른 고도를 가리킵니다. “올바르다”는 말은 고도의 종류를 다룰 때 더 정확히 풀어 써야 하지만, 여기서는 대략의 해면 위 고도를 뜻하는 흔한 쓰임입니다. 즉 지시고도(indicated altitude)는 콜스만 창에 기압 수정치를 넣은 뒤 고도계에서 읽는 값이고, 아직 다른 보정은 하지 않은 값입니다. 다른 종류의 고도는 뒤에서 다룹니다.

비표준 기압·기온의 영향

기압과 기온이 일정하면 지면 위 높이를 일정하게 유지하기 쉽지만, 그런 일은 거의 없습니다. 국지 비행에서도 이륙과 착륙 사이에 기압과 기온이 바뀔 수 있습니다. 이 변화를 고려하지 않으면 비행이 위험해집니다.

고도계를 비표준 기압에 맞출 수 없다면 위험한 상황이 생길 수 있습니다. 예를 들어 고기압 구역에서 저기압 구역으로 가면서 고도계를 맞추지 않으면, 지시 고도는 그대로인데 실제 지면 위 높이는 지시보다 낮아집니다. 옛 항공 격언이 있습니다. “고기압에서 저기압으로 가면, 아래를 조심하라(GOING FROM A HIGH TO A LOW, LOOK OUT BELOW).” 반대로 저기압에서 고기압으로 가면서 고도계를 맞추지 않으면, 실제 고도는 지시보다 높습니다. 일단 비행에 들어가면, 지형·장애물 회피를 위해 항로에서 현재 고도계 수정치를 자주 받습니다.

많은 고도계는 31.00 “Hg를 넘는 기압을 정확히 맞출 수단이 없습니다. 더 높은 수정치를 넣을 수 없으면, 항공기의 실제 고도는 고도계 지시보다 높습니다. 기압이 매우 낮을 때(28.00 미만) 실제 수정치를 넣을 수 없는 항공기의 비행은 권고되지 않습니다.

비표준 기압을 보정하는 조작은 비표준 기온까지 보정하지 않습니다. 찬 공기는 따뜻한 공기보다 짙으므로, 표준보다 추운 기온에서 운용하면 실제 고도는 고도계 지시보다 낮습니다.

이 “차이”의 크기가 오차의 크기를 정합니다. 조종사에게 문제가 되는 것은 추운 기온으로 생기는 차이입니다. 지시 고도를 일정하게 유지한 채 더 차가운 기단으로 들어가면 진고도(true altitude)가 낮아집니다. 순항고도를 고를 때 지형·장애물 회피가 문제이고 특히 산악이면, 표준보다 추운 기온이 항공기를 고도계 지시보다 아래에 둔다는 점을 미리 계산합니다. 그래서 충분한 지형 회피를 위해 더 높은 지시고도가 필요할 수 있습니다. 기압용 기억구를 조금 바꾼 것이 여기에도 씁니다. “더운 곳에서 추운 곳으로 가면, 아래를 조심하라(FROM HOT TO COLD, LOOK OUT BELOW).” 공기가 표준보다 따뜻하면 항공기는 고도계 지시보다 높습니다. 온도에 대한 고도 보정은 항법 컴퓨터로 계산할 수 있습니다.

극한의 한랭도 고도계 지시에 영향을 줍니다. ICAO 공식에서 만든 그림 8-4는, 기온이 극히 낮을 때 오차가 얼마나 클 수 있는지를 보여 줍니다.

고도계 세팅

대부분의 고도계에는 기압 수정 창(또는 콜스만 창)이 있어 고도계를 맞출 수 있습니다. 계기 아래쪽에 이 조정을 위한 노브가 있습니다.

대기압 변화를 맞추려면, 고도계 세팅 창의 기압 눈금—수은주인치(“Hg) 및/또는 밀리바(mb)로 눈금이 매겨져 있습니다—을 주어진 고도계 수정치에 맞춥니다. 고도계 수정치(altimeter setting)는 관측소 기압을 해면으로 환산한 값으로 정의되지만, 그 수정치가 정확한 것은 보고 관측소 부근뿐입니다. 그래서 비행이 한 관측소에서 다음으로 진행되면 고도계를 다시 맞춥니다. 항공교통관제(ATC)가 갱신된 고도계 수정치를 알려 줍니다. ATC를 쓰지 않으면, 지역의 자동기상관측장비/자동지상관측계통(AWOS/ASOS) 또는 자동터미널정보방송(ATIS)을 듣고 국지 수정치를 받을 수 있습니다. (역주: 국내는 해당 공항 ATIS·AWOS와 관제 제공 수정치를 확인하세요)

많은 조종사는 현재 고도계 수정치가 모든 고도의 기압 불규칙까지 보정한다고 믿지만, 항상 그렇지는 않습니다. 지상국이 방송하는 고도계 수정치는 관측소 기압을 평균해면으로 보정한 값입니다. 더 높은 층의 불규칙, 특히 비표준 온도의 영향은 넣지 않습니다. 같은 구역의 조종사가 같은 수정치를 쓰면, 각 고도계가 온도·기압 변동 오차를 같이 받아 항공기 사이 원하는 수직 분리를 유지할 수 있습니다. 다만 이것만으로 수직 분리가 보장되지는 않습니다. 침입 교통에 대한 규칙적인 육안 스캔은 여전히 필수입니다.

높고 험한 산악 위를 날 때, 어떤 대기 조건은 고도계가 실제보다 1,000피트 이상 높게 가리키게 합니다. 그래서 고도 여유를 넉넉히 둡니다. 가능한 고도계 오차뿐 아니라, 강풍과 함께 올 수 있는 하강기류까지 대비합니다.

고도계 세팅 계통의 쓰임을 보려면, 텍사스 댈러스 러브 필드에서 미네랄웰스를 거쳐 애빌린 시립공항으로 가는 비행을 따라가 봅니다. 러브 필드 이륙 전에 조종사는 관제탑 또는 ATIS에서 현재 고도계 수정치 29.85 “Hg를 받아 고도계 세팅 창에 넣습니다. 그다음 고도계 지시를 알려진 공항고도 487피트와 비교합니다. 대부분의 고도계는 교정이 완벽하지 않아 오차가 있을 수 있습니다.

미네랄웰스 상공에서 현재 수정치 29.94 “Hg를 받아 고도계 창에 넣는다고 합시다. 애빌린 시립공항 장주(traffic pattern)에 들어가기 전에 애빌린 관제탑에서 새 수정치 29.69 “Hg를 받아 고도계 세팅 창에 넣습니다. 지형 위 약 800피트에서 장주를 돌고 싶고 애빌린 공항고도가 1,791피트이면, 지시고도 2,600피트를 유지합니다 (1,791피트 + 800피트 = 2,591피트, 2,600피트로 반올림).

고도계를 제대로 세팅하는 일의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 애빌린에서 현재 수정치로 바꾸지 않고 미네랄웰스 값 29.94 “Hg를 그대로 썼다고 합시다. 지시고도 2,600피트로 애빌린 장주에 들어가면, 항공기는 올바른 장주고도보다 약 250피트 아래에 있습니다. 착륙하면 고도계는 공항고도보다 약 250피트 높게 가리킵니다.

오차를 더할지 뺄지를 정할 때는, 실제 기압이 고도계 창에 넣은 값보다 낮으면 항공기의 실제 고도가 지시보다 낮다는 점을 기억합니다.

고도 편차를 계산하는 다른 방법은 다음과 같습니다. 원래 수정치 29.94 “Hg에서 현재 수정치를 뺍니다. 항상 원래 세팅을 위 숫자로 두고, 현재 수정치를 뺍니다.

이제 더 높은 기압 수정치로 바꿔 봅니다. 29.94에서 30.56 “Hg로 맞춥니다.

차이가 음수인 것에 주목합니다. 현재 지시고도 2,600피트에서 음수를 빼는 것은 두 숫자를 더하는 것과 같습니다. 이 방법을 쓰면 현재 고도계 수정치를 쓰는 일의 중요성을 더 잘 이해합니다. 오차가 어디에, 어느 방향으로 있는지를 잘못 계산하면 안전에 영향을 줍니다. 실제 고도가 지시보다 낮으면 장애물과 충돌할 위험이 있습니다.

다음 편은 고도계 작동과 고도의 종류(지시·진·절대·압력·밀도고도)입니다.

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