선회조정계·자세·기수지시기와 받음각 — 조종사 핸드북 8장 (4/5)

앞 편은 글래스 칵핏·자이로 원리와 선회경사계까지 다뤘습니다. 이번 편은 선회조정계, 자세지시기, 기수지시기(AHRS·플럭스 게이트·원격 나침반), 받음각 지시기입니다.

선회조정계

선회조정계(turn coordinator)의 짐벌은 기울여(canted) 달려 있습니다. 그래서 자이로가 롤 비율과 선회율을 둘 다 감지합니다. 훈련기에는 선회조정계가 더 흔해서, 여기서는 이 계기를 중심으로 봅니다. 선회에 들어가거나 나올 때, 소형 항공기는 항공기와 같은 쪽으로 뱅크합니다. 롤이 빠르면 소형 항공기의 뱅크도 느린 롤보다 더 깊어집니다.

소형 항공기의 날개를 선회 지표(turn index)에 맞추면 표준선회를 잡고 유지할 수 있습니다. 계기 얼굴 좌우에 표식이 둘씩 있습니다. 첫 표식은 날개 수평, 선회율 영입니다. 좌우 두 번째 표식이 표준선회입니다. 표준선회는 선회율 3°/초입니다. 선회조정계는 선회율과 방향만 가리키고, 특정 뱅크각은 표시하지 않습니다.

경사계

경사계(inclinometer)는 항공기의 요, 곧 기수가 좌우로 움직이는 것을 보여 줍니다. 조화 직선수평비행에서는 중력이 볼을 관의 가장 낮은 곳, 기준선 한가운데에 둡니다. 볼을 가운데 두면 조화비행입니다. 볼이 한쪽으로 가면 러더로 가운데로 돌립니다.

볼이 치우친 쪽 러더를 밟습니다. 「볼을 밟아라(step on the ball)」가 어느 페달인지 기억하는 간단한 규칙입니다. 선회 중 에일러론과 러더가 맞으면 볼은 관 한가운데에 남습니다. 공기력이 안 맞으면 볼이 가운데에서 벗어납니다. 그림 8-22처럼, 슬립에서는 선회율이 뱅크각에 비해 너무 느려 볼이 선회 안쪽으로 갑니다. 스키드에서는 선회율이 뱅크각에 비해 너무 커서 볼이 선회 바깥으로 갑니다. 선회 질을 높이려면 「볼을 밟아라」를 기억하면 됩니다. 뱅크각을 바꿔도 슬립·스키드에서 조화로 돌아올 수 있습니다. 슬립이면 뱅크를 줄이거나 선회율을 키웁니다. 스키드이면 뱅크를 키우거나 선회율을 줄입니다.

요 스트링

항공기에 더할 수 있는 도구가 요 스트링(yaw string)입니다. 앞유리 중앙에 붙인 실 또는 털실입니다. 조화비행이면 실이 앞유리 위를 곧게 뒤로 흘러갑니다. 슬립이거나 스키드이면, 그 방향에 따라 실이 오른쪽 또는 왼쪽으로 갑니다.

계기 점검 — 선회조정계

비행 전 점검에서 경사계에 액체가 가득하고 기포가 없는지를 봅니다. 볼은 가장 낮은 곳에 있어야 합니다. 지상활주 중 선회조정계는 올바른 방향으로 선회를 가리키고, 볼은 선회 반대쪽으로 움직여야 합니다.

자세지시기

자세지시기(attitude indicator)는 소형 항공기와 지평선 바로, 항공기 자세의 그림을 보여 줍니다. 소형 항공기와 지평선 바의 관계는 실제 항공기와 실제 지평선의 관계와 같습니다. 아주 작은 자세 변화도 즉시 나타납니다.

자세지시기의 자이로는 수평면에 달려 있고, 공간 강성으로 작동합니다. 지평선 바가 진 지평선을 나타냅니다. 이 바는 자이로에 고정되어, 항공기가 횡축이나 종축으로 피치·뱅크해도 수평면에 남습니다. 진 지평선에 대한 항공기 자세를 가리킵니다.

자이로는 수평면에서 돌며 회전 경로가 꺾이는 것을 버팁니다. 공간 강성에 의존하므로, 실제로는 항공기가 도는 자이로 주위를 돕니다. 맞춤 손잡이가 있어, 조종사가 소형 항공기를 위아래로 옮겨 지평선 바와 시선에 맞출 수 있습니다. 보통은 직선수평 순항에서 날개가 지평선 바와 겹치게 맞춥니다.

피치·뱅크 한계는 제작·형식마다 다릅니다. 뱅크 평면 한계는 대개 100°–110°, 피치 한계는 대개 60°–70°입니다. 어느 쪽이든 넘으면 계기가 텀블(tumble) 또는 스필(spill)하여, 다시 맞출 때까지 지시가 틀립니다. 요즘 자세지시기 가운데는 텀블하지 않는 것도 있습니다.

모든 조종사는 그림 8-24의 뱅크 눈금을 읽을 수 있어야 합니다. 계기 위쪽 뱅크 눈금은 대부분 항공기가 실제로 뱅크한 쪽과 같은 쪽으로 움직입니다. 어떤 형식은 실제 뱅크와 반대쪽으로 움직입니다. 눈금으로 뱅크 방향을 판단하면 헷갈릴 수 있습니다. 이 눈금은 원하는 뱅크의 크기만 잡는 데 씁니다. 뱅크 방향은 소형 항공기와 지평선 바의 관계로 봅니다.

자세지시기는 믿을 수 있고, 계기판에서 실제 비행과 가장 가까운 계기입니다. 지시는 항공기 실제 자세에 매우 가깝습니다.

기수지시기

기수지시기(heading indicator)는 본질적으로 기계 계기이며, 자기나침반을 쓰기 쉽게 하려고 만들었습니다. 자기나침반의 오차는 많아서, 직선비행과 기수로의 정밀 선회가 어렵습니다. 난기류에서는 더합니다. 기수지시기는 자기나침반을 읽기 어렵게 만드는 힘의 영향을 받지 않습니다.

작동은 공간 강성입니다. 로터는 수직면에서 돌고, 로터에 나침반 카드가 고정되어 있습니다. 로터가 공간에서 강성을 유지하므로, 카드의 각 점은 자이로 수직면에 대해 같은 공간 위치를 지킵니다. 항공기가 도는 자이로 주위를 도는 것이지, 그 반대가 아닙니다. 계기 케이스와 항공기가 자이로 수직축 주위를 돌면, 카드가 기수를 분명하고 정확하게 보여 줍니다.

마찰로 인한 세차 때문에, 기수지시기는 맞춘 위치에서 기어 오르거나(creep) 표류합니다. 표류량은 무엇보다 계기 상태에 크게 좌우됩니다. 베어링이 닳거나, 더럽거나, 윤활이 나쁘면 표류가 지나칠 수 있습니다. 또 다른 오차는 자이로가 공간에 정렬되어 있고, 지구가 공간에서 1시간에 15° 돈다는 사실에서 옵니다. 마찰 세차를 빼더라도, 기수지시기는 운용 1시간마다 최대 15°까지 오차가 날 수 있습니다.

수평상황지시기(HSI, horizontal situation indicator)라고 부르는 어떤 기수지시기는 자기 슬레이브 송신기에서 자북 기준을 받아, 대개 맞출 필요가 없습니다. 이 송신기를 자력계(magnetometer)라고 합니다.

자세기수기준장치(AHRS)

전자식 비행 표시장치는 자유 회전 자이로를 솔리드스테이트 레이저 계통으로 바꿨습니다. 어떤 자세에서도 텀블 없이 비행할 수 있습니다. 이 능력은 자세기수기준장치(AHRS, Attitude and Heading Reference System) 개발의 결과입니다.

AHRS는 자세 정보를 PFD로 보내 자세지시기의 피치·뱅크를 만듭니다. 기수 정보는 지구 자속선을 감지하는 자력계에서 옵니다. 처리된 뒤 PFD로 나가 기수 표시가 됩니다.

플럭스 게이트 나침반 계통

앞에서 본 것처럼, 지구 자기장의 자속선에는 성질이 둘입니다. 자유로운 자석이 그에 정렬하고, 자속선을 가로지르는 도선에는 전류가 유도됩니다.

슬레이브 자이로를 돌리는 플럭스 게이트 나침반(flux gate compass)은 전류 유도 성질을 씁니다. 플럭스 밸브(flux valve)는 자속을 잘 받아들이는 연철로 만든 작은 분할 고리입니다. 세 다리 각각에 코일을 감아, 지구 자기장이 이 고리에 유도한 전류를 받습니다. 프레임 중앙의 철 스페이서에 감은 코일에는 400 Hz 교류가 흐릅니다. 이 전류가 정점에 닿는 동안—매 주기 두 번—이 코일이 만드는 자기가 너무 커서, 프레임은 지구 자기장의 자속선을 받아들이지 못합니다.

정점 사이에서 전류가 바뀌면 프레임이 탈자되어, 다시 지구 자기장의 자속을 받습니다. 이 자속이 세 코일의 권선을 자르면 전류가 흐릅니다. 세 코일은 항공기 기수가 바뀔 때 흐르는 전류가 바뀌도록 연결되어 있습니다.

세 코일은 계기 케이스 안 싱크로(synchro)의 비슷하지만 더 작은 세 코일에 연결됩니다. 싱크로가 무선자기지시기(RMI, radio magnetic indicator) 또는 HSI의 다이얼을 돌립니다.

원격 지시 나침반

원격 지시 나침반(remote indicating compass)은 옛 기수지시기의 오차와 한계를 보완하려고 나왔습니다. 전형 계통의 계기판 구성은 둘입니다. 그림 항법 지시기(pictorial navigation indicator)와 슬레이브 제어·보정 장치입니다. 그림 항법 지시기를 흔히 HSI라고 합니다.

슬레이브 제어·보정 장치에는 누름 버튼이 있어 「슬레이브 자이로」 또는 「자유 자이로」 모드를 고릅니다. 슬레이브 미터와 수동 기수 구동 버튼 둘도 있습니다. 슬레이브 미터는 표시 기수와 자기 기수의 차를 가리킵니다. 오른쪽 편향은 나침반 카드의 시계 방향 오차, 왼쪽 편향은 반시계 방향 오차입니다. 항공기가 선회 중이라 카드가 돌면, 슬레이브 미터는 한쪽으로 끝까지 편향합니다. 「자유 자이로」 모드에서는 해당 기수 구동 버튼을 눌러 나침반 카드를 맞출 수 있습니다.

별도 장치인 자기 슬레이브 송신기는 원격에, 대개 날개 끝에 달아 자기 간섭을 없앱니다. 여기에 방향 감지 장치인 플럭스 밸브가 있습니다. 자기력선이 모인 뒤 증폭되어 신호가 되고, 이 신호도 원격에 달린 기수지시기 장치로 갑니다. 신호가 기수지시기 안의 토크 모터를 돌려, 자이로가 송신기 신호에 맞을 때까지 세차시킵니다. 자기 슬레이브 송신기는 HSI에 전기로 연결됩니다.

원격 지시 나침반의 설계는 여러 가지라, 여기서는 기본만 다룹니다. 계기비행 조종사는 자기 항공기의 장비 특성을 익혀야 합니다.

계기판이 더 빽빽해지고 조종사가 쓸 수 있는 스캔 시간이 조종석 업무량 때문에 줄자, 제작사는 계기를 합치는 쪽으로 갔습니다. 좋은 예가 그림 8-30의 RMI입니다. 나침반 카드는 플럭스 밸브 신호로 돌고, 침 둘은 자동방향탐지기(ADF, automatic direction finder)와 초단파 전방향무선표지(VOR, VHF omni-directional radio range)가 돌립니다.

이렇게 자동으로 북을 찾지 못하는 기수지시기를 「자유」 자이로라고 하며, 주기적으로 맞춰야 합니다. 지시를 자주(대략 15분마다) 확인하고, 필요하면 기수지시기를 자기나침반에 다시 맞춥니다. 나침반 오차를 피하려면, 항공기가 직선수평이고 속도가 일정할 때 기수지시기를 자기나침반 기수에 맞춥니다.

기수지시기의 뱅크·피치 한계는 설계·제작마다 다릅니다. 경량기에 있는 어떤 기수지시기의 한계는 피치 약 55°, 뱅크 약 55°입니다. 이 자세 한계를 넘으면 계기가 「텀블」 또는 「스필」하여, 다시 맞출 때까지 올바른 지시를 주지 않습니다. 스필 뒤에는 케이지 손잡이(caging knob)로 다시 맞출 수 있습니다. 요즘 계기 가운데는 텀블하지 않도록 만든 것이 많습니다.

자이로가 정렬을 유지할 만큼 충분히 빠르지 않으면 세차 오차가 더 생길 수 있습니다. 진공계통이 자이로 속도를 유지할 흡입을 못 내면, 기수지시기와 자세지시기 자이로가 느려지기 시작합니다. 느려질수록 회전 평면에서 더 쉽게 꺾입니다. 어떤 항공기는 진공이 낮으면 경고등이 켜집니다. 다른 항공기는 흡입을 가리키는 진공 게이지만 있습니다.

계기 점검 — 자세·기수지시기

자이로가 속도를 올릴 때 이상 소리가 없는지를 봅니다. 지상활주 중 계기는 올바른 방향으로 선회를 가리켜야 하고, 세차는 정상이어야 합니다. 아이들 출력에서는 진공을 쓰는 자이로 계기가 운용 속도에 못 미칠 수 있어, 비행 때보다 세차가 더 빠를 수 있습니다.

받음각 지시기

받음각(AOA, angle of attack) 지시기의 목적은 날개의 공기역학 건강, 곧 실속 여유(stall margin)를 조종사에게 더 잘 보여 주는 것입니다. 지금 날개가 있는 받음각과, 날개가 실속하는 받음각(임계 받음각) 사이의 여유입니다.

속도만으로는 실속을 피하기에 믿을 수 없습니다. 항공기는 어떤 속도에서도 실속할 수 있습니다. 실속을 피하는 데는 받음각이 더 나은 변수입니다. 형상이 같으면 항공기는 언제나 같은 받음각, 곧 임계 받음각에서 실속합니다. 이 임계 받음각은 다음이 바뀌어도 변하지 않습니다.

• 중량
• 뱅크각
• 기온
• 밀도고도
• 무게중심

일반항공기에 받음각 지시기를 달면 이점이 여러 가지이고, 그중 작지 않은 것이 상황인식입니다. 지시기가 없으면 받음각은 조종사에게 「보이지 않습니다」. 이 장치는 여러 변수를 동시에 재어 현재 받음각을 구하고, 현재 받음각과 임계 받음각에 얼마나 가까운지를 눈으로 보여 줍니다.

이 장치는 항공기의 에너지 관리 상태도 눈으로 보여 줄 수 있습니다. 항공기의 에너지 상태는 속도, 고도, 항력, 추력의 균형이며, 날개가 얼마나 효율적으로 일하는지를 나타냅니다.

다음 편은 나침반 계통(magnetic compass)입니다.

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