글래스 칵핏·자이로 원리와 선회경사계 — 조종사 핸드북 8장 (3/5)

앞 편은 고도계 작동·승강계·속도계와 피토-정압 막힘까지 다뤘습니다. 이번 편은 전자식 비행 표시장치(EFD), 대기자료컴퓨터와 경향 벡터, 자이로 원리, 진공계통, 선회경사계입니다.

전자식 비행 표시장치(EFD)

기술이 바뀌면서 모든 기종의 계기가 달라졌습니다. 전자식 비행 표시장치(EFD, Electronic Flight Display)는 흔히 글래스 칵핏(glass cockpit)이라고 합니다. EFD에는 주비행표시장치(PFD, primary flight display)와 다기능표시장치(MFD, multi-function display)가 들어갑니다.

조종사에게 어떤 정보가 나오느냐뿐 아니라, 그 정보가 어떻게 보이느냐가 바뀌었습니다. 계통 신뢰성이 올라가 전체 안전이 좋아지고, 최신 계기를 다는 비용도 줄었습니다. 전자식 주계기 패키지는 아날로그보다 고장이 적습니다.

필요한 계기를 다 넣느라 계기판을 빽빽하게 짤 필요가 없습니다. 여러 패널을 디지털로 모아 한 화면에 올리면 그것이 PFD입니다. 전통적인 식스팩(six pack)이 이제 액정표시장치(LCD) 한 장에 나옵니다.

속도 테이프

전통 계기판과 비슷하게, 속도계(ASI)는 화면 왼쪽이고 세로 테이프입니다. 속도가 오르면 큰 숫자가 테이프 위에서 내려옵니다. 진대기속도(TAS)는 테이프 아래, 외기온(OAT) 탐침이 대기자료컴퓨터(ADC, air data computer)로 넣은 값입니다.

최대상승각속도(V_X), 최대상승률속도(V_Y), 회전속도(V_R) 마크가 참고용으로 나옵니다. 조종사가 원하는 참고 속도에 맞출 수 있는 속도 버그(airspeed bug)도 있습니다.

아날로그 속도계처럼 전자 테이프에도 색호가 있습니다. 플랩 운용 범위, 정상 운용 범위, 주의 범위입니다. 지시 숫자가 절대초과금지속도(V_NE)를 넘으면 빨강으로 바뀌어 최대속도 제한 초과를 알립니다.

자세지시기

아날로그보다 나아진 점 하나는 EFD의 자세지시기가 더 크다는 것입니다. 인공지평선이 PFD 가로 전체를 차지합니다. 전 비행 단계와 모든 기동에서 기준이 넓어집니다. 자세 정보는 자세기수기준장치(AHRS, Attitude Heading and Reference System)에서 받습니다.

고도계

고도계는 PFD 오른쪽에 있습니다. 고도가 오르면 큰 숫자가 테이프 위에서 내려오고, 현재 고도는 테이프 가운데 검은 상자에 나옵니다. 눈금은 20피트 단위입니다.

승강계

승강계(VSI)는 고도 테이프 오른쪽에 있습니다. 원호형 지시이거나 세로 테이프입니다. 둘 다 수직속도 버그가 있습니다.

기수지시기

기수지시기는 인공지평선 아래이고, 대개 수평상황지시기(HSI, Horizontal Situation Indicator)를 본떴습니다. 자세지시기와 같이, 자력계가 AHRS로 넣고 AHRS가 PFD로 냅니다.

선회 지시·슬립/스키드·선회율

선회 지시는 전통 계기와 모양이 조금 다릅니다. 삼각형 아래 막대가 좌우로 미끄러지며 조화비행에서 얼마나 벗어났는지를 보여 줍니다. 조화의 기준은 AHRS 안의 가속도계입니다.

슬립/스키드 지시는 롤 포인터 아래 가로선입니다. 선회경사계의 볼처럼, 막대가 중심에서 한 칸 벗어나면 볼 한 개 편차와 같습니다.

선회율 지시는 대개 회전 나침반 카드 바로 위입니다. 러버 라인 좌우 눈금이 선회를 가리킵니다(표준선회 대 반표준선회). 대개 경향선으로 나타내며, 경향 벡터가 두 번째 눈금까지 가면 항공기는 표준선회입니다.

회전계와 MFD

식스팩의 여섯 번째 계기는 회전계입니다. PFD에 없는 유일한 계기이며, 대개 MFD에 있습니다. 화면이 하나 고장 나면, 남은 화면에 PFD 비행 계기와 함께 나옵니다.

개별 패널 화면은 소프트웨어만 바꿔 여러 기종에 맞출 수 있습니다. 제작사는 같은 방식으로 기존 표시장치를 올려, 계기를 하나씩 갈지 않고도 개량할 수 있습니다.

대기자료컴퓨터(ADC)

EFD도 전통 아날로그 계기와 같은 종류의 입력을 쓰지만, 처리가 다릅니다. 피토-정압 입력은 ADC가 받습니다. ADC는 전압(총압)과 정압의 차를 계산해 PFD에 속도를 올리는 정보를 만듭니다. 외기온도 여러 구성에 들어가고 PFD에도 나옵니다.

ADC는 별도 솔리드스테이트입니다. PFD뿐 아니라 오토파일럿 조종 계통에도 자료를 줄 수 있습니다. 고장이 나면 빨리 빼서 갈아 끼워 운항 중단과 정비 회송 시간을 줄입니다.

고도 정보는 아날로그와 같이 정압구에서 오지만, 정압이 다이아프램으로 들어가지 않습니다. ADC가 받은 기압을 계산해 PFD에 디지털 신호를 보내 고도를 올립니다. EFD는 고도와 속도가 어디로 가는지도 경향 벡터로 보여 줍니다.

경향 벡터

경향 벡터는 속도계와 고도계 테이프를 위아래로 움직이는 자홍 선입니다. ADC가 변화율을 계산해, 항공기가 6초 뒤 어디에 있을지를 투영합니다.

조종사는 경향 벡터로 자세를 더 잘 잡을 수 있습니다. 계기 스캔에 넣으면 속도와 고도를 정밀하게 유지합니다. 더 자세한 내용은 Instrument Flying Handbook이나 해당 항전 제작사 교재를 봅니다.

자이로 비행 계기

여러 비행 계기가 자이로의 성질을 씁니다. 자이로가 들어 있는 가장 흔한 계기는 선회조정계(turn coordinator), 기수지시기, 자세지시기입니다. 이 계기가 어떻게 도는지 알려면 동력 계통, 자이로 원리, 각 계기의 작동 원리가 필요합니다.

자이로 원리

회전하는 물체는 모두 자이로 성질을 보입니다. 그 성질을 쓰도록 설계·장착한 바퀴 또는 로터를 자이로스코프라고 합니다. 계기 자이로의 설계에서 중요한 두 가지는, 크기에 비해 무게가 큰 것(고밀도)과, 저마찰 베어링으로 고속 회전하는 것입니다.

장착은 크게 두 가지이고, 어느 자이로 성질을 쓰느냐에 따라 고릅니다. 자유 장착 또는 전방향 장착 자이로는 무게중심을 중심으로 어느 방향으로든 돕니다. 이런 바퀴는 자유도 세 평면을 가집니다. 로터는 받침에 대해 어느 평면에서든 돌 수 있고, 정지해 있어도 놓은 자세를 유지하도록 균형이 잡혀 있습니다. 제한 장착 또는 반강체 장착 자이로는 자유도 평면 하나를 받침에 대해 고정합니다.

자이로 운동의 기본 성질은 둘입니다. 공간 강성(rigidity in space)과 세차(precession)입니다.

공간 강성

공간 강성은 자이로가 회전하는 그 평면에서 고정 자세를 유지한다는 원리입니다. 예는 자전거 바퀴입니다. 바퀴가 빨라질수록 회전 평면에서 더 안정됩니다. 그래서 자전거는 저속에서 불안정하고 조향이 쉽고, 고속에서는 안정되고 조향이 어렵습니다.

이 바퀴, 곧 자이로를 짐벌 고리에 달면 어느 방향으로든 자유롭게 돕니다. 짐벌을 기울이거나 비틀거나 옮겨도, 자이로는 처음 돌던 평면에 남습니다.

세차

세차는 편향력에 반응해 자이로가 기울거나 도는 것입니다. 그 반응은 힘을 가한 지점에서 일어나지 않습니다. 회전 방향으로 90° 뒤에서 일어납니다. 이 원리로 자이로는 방향 변화가 만든 압력의 크기를 감지해 선회율을 알아냅니다. 세차 비율은 로터 속도에 반비례하고, 편향력에 비례합니다.

자전거로 보면, 세차가 바퀴에 작용해 선회를 가능하게 합니다. 보통 속도에서는 가고 싶은 쪽으로 핸들을 돌릴 필요가 없습니다. 가고 싶은 쪽으로 몸을 기울이면 됩니다. 오른쪽에서 보면 바퀴는 시계 방향으로 돕니다. 왼쪽으로 기울이면 바퀴 꼭대기에 왼쪽 힘이 가해집니다. 그 힘은 회전 방향으로 90°에서 실제로 작용해, 타이어 앞에 힘이 가해진 것과 같아지고 자전거가 왼쪽으로 갑니다. 저속에서는 느리게 도는 자이로가 불안정해서, 그리고 선회율을 키우려고, 핸들을 돌려야 합니다.

세차는 일부 계기에 작은 오차도 만듭니다. 베어링 마찰 등으로 자유 회전 자이로가 의도한 회전 평면에서 벗어날 수 있습니다. 기수지시기처럼, 비행 중 바로잡아 다시 맞춰야 하는 계기가 있습니다.

동력원

어떤 항공기는 자이로가 모두 진공, 압력, 또는 전기입니다. 다른 항공기는 기수·자세지시기에 진공 또는 압력을 쓰고, 선회조정계에는 전기를 줍니다. 대부분의 항공기는 동력원이 적어도 둘입니다. 하나가 꺼져도 뱅크 정보가 하나라도 남게 하려는 것입니다.

진공 또는 압력 계통은 로터 날개에 공기 흐름을 때려 고속으로 돌립니다. 물레방아나 터빈과 같습니다. 계기에 필요한 진공 또는 압력은 기종마다 다르지만, 대개 4.5–5.5 inHg입니다.

자이로 진공의 한 원은 엔진 보기 케이스에 달린 베인형 엔진구동 펌프입니다. 펌프 용량은 자이로 수에 따라 기종마다 다릅니다.

전형 진공계통은 엔진구동 진공펌프, 릴리프 밸브, 공기 필터, 게이지, 그리고 연결 배관입니다. 게이지는 계기판에 있고, 계통의 압력 크기를 가리킵니다. 진공은 주위 압력보다 낮은 수은주 인치로 잽니다.

공기는 엔진구동 진공펌프가 진공계통으로 빨아들입니다. 먼저 필터를 지나 이물질이 진공 또는 압력 계통으로 못 들어가게 합니다. 그다음 자세지시기와 기수지시기를 지나며 자이로를 돌립니다. 릴리프 밸브는 진공압, 곧 흡입이 규정 한도를 넘지 못하게 합니다. 그 뒤 공기는 기외로 나가거나, 공압 제빙 부츠처럼 다른 계통에 쓰입니다.

비행 중 진공압을 감시하는 것이 중요합니다. 흡입이 낮으면 자세지시기와 기수지시기가 믿을 수 없는 정보를 줄 수 있습니다. 진공 또는 흡입 게이지에는 대개 정상 범위가 표시되어 있습니다. 어떤 항공기는 진공압이 허용 이하로 떨어지면 경고등이 켜집니다.

진공압이 정상 운용 범위 아래로 떨어지면 자이로 계기가 불안정하고 부정확해질 수 있습니다. 계기를 습관적으로 교차확인하는 것이 좋습니다.

선회계기

항공기는 선회계기를 두 종류 씁니다. 선회경사계(turn-and-slip indicator)와 선회조정계(turn coordinator)입니다. 자이로를 다는 방식 때문에, 선회경사계는 초당 도수인 선회율만 보여 줍니다. 선회조정계는 기울여(canted) 달아서, 처음에는 롤 비율을 보여 줍니다. 롤이 안정되면 선회율을 가리킵니다.

둘 다 선회 방향과 질(조화)을 가리키고, 자세지시기가 고장 났을 때 뱅크의 예비 정보이기도 합니다. 조화는 경사계(inclinometer)로 봅니다. 액체가 든 휘어진 관 안에 볼이 있습니다.

선회경사계

선회경사계의 자이로는 항공기 종축에 해당하는 수직 평면에서 돕니다. 짐벌이 하나라 자이로가 기울 수 있는 평면이 제한되고, 스프링이 중앙을 유지합니다. 세차 때문에 요 힘이 있으면, 조종석에서 볼 때 자이로가 왼쪽 또는 오른쪽으로 기울니다.

선회경사계는 선회침(turn needle)으로 선회 방향과 비율을 보여 줍니다. 억제 스프링 때문에 회전축에서 “텀블”하지는 못합니다. 극단적인 힘이 가해지면 자이로가 정상 회전 평면에서 밀려 지시가 무효가 됩니다. 어떤 계기는 특정 피치·뱅크 한계를 넘으면 자이로가 텀블합니다.

다음 편은 선회조정계(turn coordinator)입니다.

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