자기나침반·편차·자차와 선회오차 — 조종사 핸드북 8장 (5/5)

앞 편은 선회조정계·자세·기수지시기와 받음각까지 다뤘습니다. 이번 편은 나침반 계통, 자기나침반의 편차·자차·복각 선회오차·가감속 오차, 수직 카드 나침반, 외기온도계와 8장 요약입니다.

나침반 계통

지구는 거대한 자석입니다. 우주에서 자전하며, 눈에 보이지 않는 자력선(magnetic flux)으로 된 자기장에 둘러싸여 있습니다. 이 선은 자극(magnetic North Pole)에서 지표를 떠나 남자극에서 다시 들어갑니다.

자력선에는 중요한 성질이 둘 있습니다. 자유롭게 회전하는 자석은 자력선을 따라 정렬하고, 자력선을 가로지르는 도체에는 전류가 유도됩니다. 항공기에 다는 방향 지시기 대부분은 이 둘 가운데 하나를 씁니다.

자기나침반

방향을 가리키는 계기 가운데 가장 오래되고 단순한 것이 자기나침반(magnetic compass)입니다. 미국 연방규정 14 CFR part 91은 VFR·IFR 모두에 기본 계기로 요구합니다. (역주: 국내는 항공안전법 기준이 다를 수 있으니 확인 필요)

자석(magnet)은 보통 철을 품은 금속처럼, 자력선을 끌어당겨 붙잡는 물질입니다. 크기와 상관없이 극은 언제나 둘, 북과 남입니다. 한 자석을 다른 자석의 장에 두면 이극은 끌어당기고 동극은 밀어냅니다.

그림 8-32 같은 항공기 자기나침반은, 등유와 비슷한 투명한 나침반액이 든 그릇 안에 금속 부표가 봉입되고, 그 부표에 작은 자석이 둘 달려 있습니다. 눈금이 매겨진 스케일, 곧 카드(card)가 부표를 두르고, 유리창과 그 위를 가로지르는 러버 라인(lubber line)으로 읽습니다. 카드에는 기본 방위 북·동·남·서를 글자로 쓰고, 그 사이 30°마다 숫자를 둡니다. 일의 자리 0은 생략합니다. 예를 들어 3 = 30°, 6 = 60°, 33 = 330°입니다. 글자와 숫자 사이에는 긴 눈금과 짧은 눈금이 있고, 긴 눈금은 10°, 짧은 눈금은 5°입니다.

부표·카드 조립체의 중심에는 단단히 단련한 강철 피벗이 있고, 스프링으로 받친 경질 유리 주얼 컵(jewel cup) 안에서 돕니다. 부표의 부력이 피벗 하중의 대부분을 덜고, 액이 부표와 카드의 진동을 감쇠합니다. 이 주얼-피벗 장착은 부표가 회전하고, 뱅크각 약 18°까지 기울어질 여지를 줍니다. 그보다 깊은 뱅크에서는 지시가 불규칙하고 예측할 수 없습니다.

나침반 하우징은 액으로 가득 찹니다. 온도 변화에 액이 팽창·수축해도 손상이나 누설이 없도록, 케이스 뒤는 유연한 다이어프램, 어떤 나침반은 금속 벨로즈로 막습니다.

자석은 지구 자기장에 정렬하고, 조종사는 러버 라인 맞은편 눈금을 읽습니다. 그림 8-32에서 조종사는 카드를 뒷면에서 봅니다. 나침반이 북을 가리킬 때 조종사 오른쪽이 동입니다. 카드에서는 북의 서쪽 330°를 뜻하는 「33」이 북의 오른쪽에 있습니다. 눈금이 거꾸로 매겨진 것처럼 보이는 이유는, 카드는 그대로 있고 나침반 하우징과 조종사가 그 주위를 돌기 때문입니다. 그래서 자기나침반은 읽기가 헷갈릴 수 있습니다.

자기나침반이 만드는 오차

자기나침반은 패널에서 가장 단순한 계기이지만, 반드시 헤아려야 할 오차가 여럿입니다.

편차

지구는 지리축을 중심으로 자전하고, 지도와 차트는 지리극을 지나는 경선으로 그립니다. 지리극을 기준으로 잰 방향이 진방향(true direction)입니다. 자기나침반이 가리키는 자극은 지리 북극과 겹치지 않고 약 1,300마일 떨어져 있습니다. 자극을 기준으로 잰 방향이 자방향(magnetic direction)입니다. 항공 항법에서 진방향과 자방향의 차이를 편차(variation)라고 합니다. 측량·육상 항법에서는 같은 각 차이를 복각편차(declination)라고 합니다.

그림 8-33은 그 지역의 편차 도수를 나타내는 등편차선(isogonic line)입니다. 시카고 근처를 지나는 선이 무편차선(agonic line)입니다. 이 선을 따라서는 두 극이 정렬되어 편차가 없습니다. 이 선의 동쪽에서는 자극이 지리 북극보다 서쪽에 있으므로, 나침반 지시에서 진방향을 얻으려면 보정을 해야 합니다.

예를 들어 워싱턴 D.C. 부근의 편차는 10° 서입니다. 진침로 남(180°)을 날려면 편차를 더해 자침로 190°를 잡아야 합니다. 로스앤젤레스 부근의 편차는 14° 동입니다. 진침로 180°를 날려면 편차를 빼 자침로 166°를 잡습니다. 편차 오차는 항공기 침로에 따라 바뀌지 않습니다. 같은 등편차선 위에서는 어디든 같습니다.

자차

나침반의 자석은 어떤 자기장에도 정렬합니다. 항공기 안의 자기장은 흐르는 전류, 자화된 부품, 지구 자기장과의 간섭 등에서 생깁니다. 이 기내 자기장이 만드는 나침반 오차가 자차(deviation)입니다.

자차는 편차와 달리 항공기 침로에 따라 달라집니다. 또한 편차와 달리 항공기의 지리적 위치는 자차에 영향을 주지 않습니다. 편차 오차는 줄이거나 바꿀 수 없지만, 항공정비사(AMT)는 「나침반 스윙(swinging the compass)」으로 자차를 최소화할 수단을 마련할 수 있습니다.

스윙하려면 AMT가 항공기를 이미 아는 침로 열에 세웁니다. 보통 콤파스 로즈(compass rose)에서 합니다. 콤파스 로즈는 공항 램프에 30°마다 그은 선으로, 자북에 맞춰 있습니다. 여기에는 자기 간섭이 거의 없습니다. 조종사, 또는 권한이 있으면 AMT가 항공기를 콤파스 로즈로 지상활주해 AMT가 지정한 침로로 기수를 맞춥니다.

항공기를 「스윙」해 각 로즈 침로에 맞출 때마다, AMT는 나침반 위 또는 아래의 보상기(compensator assembly)를 조정합니다. 보상기에는 축이 둘 있고, 끝의 드라이버 홈은 나침반 앞에서 접근합니다. 각 축은 작은 보정 자석을 하나 또는 둘 돌립니다. 한쪽 끝은 E-W로 표시되어 기수가 동·서를 향할 때 나침반에 영향을 주고, 다른 축은 N-S로 표시되어 기수가 북·남을 향할 때 영향을 줍니다.

이 조정은 보정 자석의 위치를 잡아, 나침반 지시와 실제 항공기 자침로의 차이를 최소화합니다. AMT는 남은 오차를 그림 8-35 같은 나침반 수정 카드(compass correction card)에 기록하고 나침반 근처 홀더에 둡니다. 나침반을 조정하거나 수정 카드를 작성할 수 있는 것은 AMT뿐입니다. 조종사는 카드에 적힌 자차로 나침반 침로를 구해 납니다. 라디오, 방빙 장비, 피토 히트, 레이더, 자성을 띤 화물처럼 운용 중 자기 간섭을 일으키는 장비의 사용도 적어야 합니다.

편차와 자차 보정은 원하는 진침로에서 시작해 아래 순서로 적용합니다.

1단계 — 자침로
진침로(180°) ± 편차(+10°) = 자침로(190°)

자차 오차를 적용할 일이 없으면 자침로 190°를 조타합니다. 이제 수정 카드에서 190°에 해당하는 나침반 침로를 봅니다.

2단계 — 나침반 침로
자침로(1단계의 190°) ± 자차(수정 카드의 −2°) = 나침반 침로(188°)

수정 카드에 없는 중간 자침로는 보간해야 합니다. 따라서 진침로 180°를 조타하려면 나침반 침로 188°를 따릅니다.

나침반 침로가 알려져 있을 때 지금 나는 진침로를 구하려면 다음입니다.

나침반 침로 ± 자차 = 자침로 ± 편차 = 진침로

복각 오차

지구 자기장은 자기적도, 곧 자극과 남자극의 중간에서만 지표와 나란합니다. 자기적도에서 자극 쪽으로 갈수록, 지구 자기장의 연직 성분이 지표와 이루는 각이 점점 커집니다. 이 각이 복각(dip angle)입니다. 복각은 자극 쪽으로 갈수록 아래 방향으로 커지고, 남자극 쪽으로 갈수록 위 방향으로 커집니다.

나침반 바늘이 3차원으로 자유롭게 피벗할 수 있다면, 자기장에 정렬해 그 지역 자북 방향으로 복각만큼 위를 보거나 아래를 봅니다. 복각은 항법에 쓸 값이 아니므로, 나침반은 수평면에서만 돌도록 만듭니다. 무게중심을 피벗보다 아래로 내리고, 연직 성분이 조립체를 수평에서 크게 기울이지 못할 만큼 무겁게 합니다. 그러면 위도마다 따로 복각 보정을 하지 않아도 나침반이 됩니다. 다만 자극 가까이에서는 지구 자기장의 수평 성분이 너무 작아 나침반이 정렬하지 못해, 항법에 쓸 수 없습니다.

이 제약 때문에 카드가 수평일 때만 나침반이 바르게 가리킵니다. 수평면에서 기울어지면 지구 자기장의 연직 성분을 받아, 아래의 북방·남방 선회오차가 됩니다.

북방 선회오차

부표 조립체의 무게중심은 피벗보다 아래에 있습니다. 항공기가 선회하면 복각에서 오는 힘이 부표 조립체를, 부표가 도는 것과 같은 쪽으로 흔듭니다. 결과는 거짓 북방 선회 지시입니다. 나침반 카드, 곧 부표 조립체가 앞서므로, 북방 선회는 목표 침로에 도착하기 전에 멈춰야 합니다. 이 오차는 어느 쪽이든 자극에 가까울수록 커집니다. 앞섬을 보정하는 경험법칙은 선회를 15°에 위도의 절반을 더한 값만큼 목표보다 먼저 멈추는 것입니다. 위도 40° 근처라면 15+20=35°, 목표 침로 35° 전에 선회를 멈춥니다. [그림 8-36A]

남방 선회오차

남쪽 방향으로 선회할 때는 힘이 달라, 나침반 부표 조립체가 앞서지 않고 뒤처집니다. 결과는 거짓 남방 선회 지시입니다. 카드, 곧 부표 조립체가 목표 침로를 지나간 뒤에 선회를 멈춰야 합니다. 북방 오차와 같이, 자극에 가까울수록 커집니다. 뒤처짐을 보정하려면 항공기가 목표 침로를 지난 뒤에 선회를 멈춥니다. 여기에도 15° + 위도의 절반이 같습니다. 위도 30° 근처라면 15+15=30°, 목표 침로를 30° 지난 뒤에 선회를 멈춥니다. [그림 8-36B]

가감속 오차

복각과 관성력 때문에, 동·서 침로에서 가속·감속할 때 자기나침반 오차가 납니다. 추처럼 매달린 장착 탓에, 속도가 바뀔 때 가속하면 카드 뒤끝이 위로, 감속하면 아래로 기울니다. 동 또는 서 침로에서 가속하면 오차는 북으로 선회하는 지시로 나타납니다. 이 침로에서 감속하면 나침반은 남으로 선회하는 것처럼 가리킵니다. 가감속 오차를 기억하는 말은 「ANDS」(Acceleration-North / Deceleration-South)입니다.

가속은 북 쪽 지시를, 감속은 남 쪽 지시를 만듭니다.

진동 오차

진동(oscillation)은 앞에서 말한 오차가 모두 겹친 것으로, 실제 침로에 대해 나침반 카드가 흔들립니다. 자이로 기수지시기를 자기나침반에 맞출 때는, 흔들림 사이의 평균 지시를 씁니다.

수직 카드 자기나침반

수직 카드 자기나침반(vertical card magnetic compass)은 자기나침반에서 생기는 오차와 혼동을 일부 없앱니다. 다이얼에는 기본 방위 글자, 30°마다 숫자, 5°마다 눈금이 있습니다. 축에 달린 자석의 기어가 다이얼을 돌리고, 계기 유리의 상징 항공기 기수가 러버 라인이 되어 다이얼에서 침로를 읽습니다.

북쪽 침로에서 선회를 시작하면 나침반이 선회보다 뒤처집니다(lags). 남쪽 침로에서 선회를 시작하면 나침반이 선회를 앞섭니다(leads).

맴돌이 전류 감쇠

수직 카드 자기나침반에서는, 진동하는 영구자석의 자속이 감쇠 디스크 또는 컵에 맴돌이 전류(eddy current)를 만듭니다. 맴돌이 전류가 만드는 자속은 영구자석의 자속에 반대되어 진동을 줄입니다.

외기온도계

외기온도계(OAT, outside air temperature gauge)는 단순하고 유효한 장치로, 감지 요소가 바깥 공기에 노출되도록 답니다. 감지 요소는 바이메탈 온도계입니다. 서로 다른 두 금속을 한 띠로 용접해 나선(helix)으로 꼰 것입니다. 한쪽 끝은 보호관에 고정하고, 다른 끝은 지침에 붙여 원형 눈금을 읽습니다. OAT는 ℃, ℉, 또는 둘 다로 교정합니다. 정확한 외기온은 고도 변화에 따른 기온감률을 가늠하는 데 쓸모가 있습니다.

8장 요약

비행 계기는 항공기를 최대 성능으로, 특히 장거리에서 안전을 높여 운용하게 합니다. 제작사가 필요한 비행 계기를 달아 주지만, 유효하게 쓰려면 조종사가 작동 원리를 이해해야 합니다. 피토-정압계통과 그 계기, 진공계통과 그 계기, 자이로 계기, 자기나침반의 운용 측면을 아주 익혀 두는 것이 중요합니다.

다음 편은 9장, 비행 교범과 문서입니다.

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