지난 포스팅에서 항공기의 기본 계기인 식스팩(six pack)에 대해 다뤄보았습니다. 오늘은 그중 항공기의 속도를 측정하여 표시해 주는 항공기 속도계, Airspeed indicator에 대해 자세히 정리해 보겠습니다.
항공기 속도계, ASI(Airspeed indicator)는 항공기의 6가지 기본 계기 중 왼쪽 상단에 위치한 계기판으로, 항공기의 속도를 측정하여 노트(knot) 단위로 표시해 주는 계기판입니다.
먼저 항공기의 속도계의 구조와 원리에 대해 살펴보겠습니다. 속도계의 구조는 아래 그림처럼 피토관(Pitot tube)과 정압계(Static port)를 통해 측정된 압력을 다이어프레임을 통해 차이를 측정하고 속도(knot 노트 단위)로 변환하여 다이얼로 속도를 표현해 줍니다.
속도계의 원리를 이해하기 위해 속도를 측정하는 방법을 살펴보겠습니다. 항공기의 속도는 동압(dynamic pressure)에 비례합니다. 베르누이 방정식에 의하면 전체압력(전압, Total pressure)은 동압(dynamic pressure)과 정압(static pressure)의 합입니다.
정압 (static pressure) + 동압 (dynamic pressure) = 전압 (Total pressure)
속도를 측정하기 위해서는 동압 (dynamic pressure)이 필요한데, 동압 (dynamic pressure)은 전압 (Total pressure)과 정압 (static pressure)의 차이로 구할 수 있습니다.
동압 (dynamic pressure) = 전압 (Total pressure) – 정압 (static pressure)
그럼 이젠 동압을 구하기 위해 필요한 것은 전압과 정압을 측정하는 것입니다. 먼저 전압은 항공기 외부에 설치되어 있는 피토관을 통해 측정합니다. 피토관(Pitot tube)은 날개 혹은 항공기 앞쪽 동체에 설치가 되어있습니다.
정압은 항공기 동체에 설치되어 있는 정압관으로부터 측정합니다.
피토관(Pitot tube)을 통해 들어온 외부 공기(Ram air)는 다이어프램(Diaphragm) 안으로 연결되어 흘러 들어가고, 정압관(Static port)으로 들어온 공기는 속도계(Airspeed indicator) 안, 다이어프램 밖으로 들어가게 연결되어 있습니다. 다이어프램 안으로 들어온 외부공기(Ram air)는 다이어프램을 부풀려 팽창시키고, 다이어프램 밖을 채우고 있는 정압관을 통해 들어온 공기(Static air)는 다이어프램을 압축해 수축시킵니다. 결국 Ram air(전체압력)과 Static air(정압)의 압력 차이만큼 다이어프램이 부풀려 있게 됩니다. 다이어프램이 부풀리고 수축되면서 다이어프램에 연결되어 있는 기어를 통해 니들을 움직여 속도단위로 표현해 줍니다. (아래 그림)
동압을 통해 속도를 환산하기 위해 속도계는 피토관(Pitot tube)을 통해 들어오는 공기 (전압, Total pressure)와 정압관(Static port)을 통해 들어오는 공기 (정압, Static pressure)와 연결되어 있습니다. 그것을 동정압 계통 (Pitot-Static system)이라고 합니다.
비행을 할 때 중요한 항공기 속도계에서 속도를 읽을 수 있기 위해서는 피토관과 정압관으로 공기를 수집해야 합니다. 그래서 비행 전 항공기를 점검하면서 이물질이 들어가진 않았는지, 막혀있지는 않은지 꼭 확인해야 합니다. 저도 가방에 달아두었는데, 항공 덕후라면 한 번쯤은 Remove before flight 키링을 본 적이 있을 텐데요. 항공기를 지상에 주기하고 비행을 하지 않을 때에는 피토관에 커버를 씌워두어 벌레가 들어가거나 이물질이 들어가는 것을 방지합니다. 그리고 비행을 하기 전에 반드시 이 커버를 제거를 해야 속도계가 정상적으로 작동할 수 있으니 비행 전에 제거하라는 Remove before flight라는 문구와 함께 눈에 잘 띄도록 빨간색 띠로 커버에 달아두는 것이죠.
그럼 만약 피토관이 막히거나 정압관이 막히면 어떻게 될까요?
● 피토관이 막히면 : 전체 압력이 적게 측정이 되거나 아예 들어오지 않는다면, 속도계는 실제 속도보다 적게 보여주거나 아예 0노트를 가리키게 될 것입니다.
● 정압관이 막히면 : 정압이 적게 측정이 되거나 측정이 되지 않는다면, 속도계는 실제 속도보다 더 빠른 속도를 가리키게 될 것입니다. 세스나 172나 파이퍼 워리어와 같은 여압이 되지 않는 비행기의 경우는 동체에 설치되어 있는 정압관(Static port)이 막히는 경우에 대비해 조종석 안쪽에 Alternate static source를 설치해 두는 경우도 있습니다.
계기판을 디지털 형식으로 보여주는 Glass Cockpit의 경우에는 피토관과 정압관으로부터 측정된 압력을 Air data computer로 보내어 속도로 환산하여 보여주도록 설계가 되어있습니다.
비행기를 조종하는 데에 있어 항공기의 속도는 매우! 중요한데요. 항공기의 속도에도 종류가 다양하고, 각 속도가 의미하는 것들이 다양하게 있습니다. 다음 포스팅에서는 항공기의 속도의 종류와 그 의미에 대해 다뤄보도록 하겠습니다.