비행계기 (flight instruments)

비행하는 방법은 시계비행 방법(VFR)과 계기비행 방법(IFR)이 있다. 시계비행 방법은 주로 항공기의 특정 참조점과 외부 지형지물을 연관시켜 항공기의 자세를 파악하여 조종하지만, 계기비행 방법은 외부 지형지물을 볼 수 없으므로 비행 계기만을 이용하여 항공기의 고도, 방향, 속도를 조종한다. 비행계기는 고도, 방향, 속도 등에 대한 정보를 제공하므로 비행계기의 정확한 해석과 올바른 활용은 안전운항에 필수적인 요소이다.

 

비행계기의 분류

비행계기의 이용목적에 따른 구분

비행계기는 이용목적에 따라 control계기, performance계기, navigation계기로 구분할 수 있다.

 

항공기 조종에 참고하는 계기

비행고도는 지구 수평면(평균해수면)으로부터 항공기까지의 높이이며, 항공기의 자세와 방향은 지구 수평면에 대한 항공기의 가로축, 세로축 및 수직축의 관계이고, 속도는 항공기 엔진에서 발생되는 힘과 항공기 피치 변화의 결과이다. 고도, 속도 및 방향은 항공기의 자세와 엔진의 출력을 변화시킴으로써 조절되는데 자세와 출력을 변화시키고 조절할 때 참고하는 계기를 조종(control)계기라 한다.

그러므로 항공기의 고도와 속도 방향 등을 변화시킬 때 조종 계기를 위주로 참고하여 조절하여야 한다. 예를 들어 고도를 변화시키고자 할 때는 고도계를 보고 항공기의 자세를 변화시키는 것이 아니라 먼저 조종 계기인 자세계기(attitude indicator)에 원하는 상승 혹은 강하 자세를 유지한 다음 고도계 및 승강계를 cross check하여 그 결과에 따라 자세계기를 수정하거나 유지하여야 한다.

조종계기는 자세계기(attitude indicator), 엔진계기(tachometer, manifold pressure, engine pressure ratio, fuel flow)가 있다.

 

성능(performance)계기

성능계기는 조종계기를 이용하여 고도, 속도 및 방향을 변화시킨 결과를 나타내주는 비행계기이다. 예를 들어 자세계기에 상승 및 강하자세로 변화시키면 고도, 속도 및 상승/강하율이 변하는데 변화되는 결과를 나타내주는 계기가 성능계기이다. 여기에 해당되는 계기는 고도계(altitude indicator), 속도계(airspeed indicator), 방향 지시계(heading indicator), 선회계기(turn coordinator), 수직속도계(vertical speed indicator)등이 있다.

 

항법(navigation)계기

지상에 설최된 항행시설이나, 위성 또는 항공기에 탑재된 자체항행장비를 이용하여 항공기의 상대적 위치를 파악하거나 조종사가 계획하는 비행경로를 나타내 주는 계기로서 VOR수신계기, ILS수신계기, ADF수신계기, 관성항행장치, 위성항행수신계기(GNSS), FMS(Flight Management System)등이 있다.

 

작동원리에 따른 비행계기의 구분

비행계기는 작동원리에 따라 동정압계기(pitot/static instrument), 자이로스코프계기(gyroscopic instrument), 나침반(magnetic compass)으로 구분한다.

 

동정압계기(pitot-static system instruments)

동정압계기는 항공기 주위에 흐르는 공기의 압력을 측정하여 압력의 크기와 변화를 나타내주는 계기로 고도계, 속도계, 승강계 등이 있다. 고도계와 승강계는 정압공(static port)에서 측정된 공기의 정압을 이용하고, 속도계는 피토튜브(pitot tube)에서 측정되는 공기의 전압(동압,정압)과 정압공에서 측정된 정압을 이용하여 측정된다.

 

기압고도계(sensitive altimeter)

기압고도계는 비행하고 있는 항공기 주위의 정압(static pressure)을 측정하여 고도계의 기압계 창에 맞추어진 기압 면으로부터 항공기까지의 높이를 feet나 meter로 나타내는 계기이다.

고도계 기압창을 kollsman window라 하는데 kollsman window에 setting할 수 있는 기압치의 범위는 28.00 ~ 31.00inHg(948~1,050hpa)이다.

 

기압고도계의 작동원리

고도계의 내부에는 29.92inHg의 기압이 채워져 있는 주름진 청동 아네로이드가 있으며, 아네로이드의 수축, 팽창에 따라 고도를 지시하는 바늘이 연결되어 있다.

고도계 내부는 비행하고 있는 항공기 주변의 공기 압력이 전달되도록 정압공과 연결되어 있고, 이를 통해 고도계 내부로 전달되는 항공기 주변의 대기압과 아네로이드의 압력이 같아지도록 수축, 팽창을 하게 된다.

 

기압고도계의 오차(altimeter error)

-기계적인 오차

고도계 자체의 기계적인 오차로서 측정된 지역의 기압치를 고도계의 kollsman window에 set하였을 때 고도계에 지시된 고도와 비행장 표고(field elevation)의 차이로 +/- 75feet 이상이면 그 고도계는 계기비행용으로는 사용할 수 없다.

 

-고유오차

외기온도에 따른 오차

고도계는 고도가 증가함에 따라 일정비율로 감소하는 정압을 측정하여 그 크기를 고도로 환산하여 조종사에게 알려주는 계기이다. 정압은 공기의 밀도에 비례하며, 공기밀도의 크기는 기압이 동일하다고 가정했을 때 온도에 반비례한다. 즉, 기압이 동일하다 하더라도 온도가 높을수록 공기밀도는 희박해지며 온도가 낮을수록 공기밀도는 커진다.

고도계는 해수면의 대기상태가 국제표준 대기상태의 온도인 15도를 측정기준으로 하고 있다. 그러나 대기는 언제나 표준대기상태를 유지하지 않으므로 고도가 증가함에 따라 공기밀도에 영향을 주는 외기온도에 대한 보정을 해주어야 하는데 재래식 고도계에는 그러한 보정장치가 없다. 따라서 동일한 기압직역에서 지시되는 고도는 동일하더라도 대기의 상태가 표준대기상태가 아니면 실제 비행고도는 다르게 된다.

 

국제표준대기(international standard atmosphere, ISA)

대기의 기상조건은 지역과 시간에 따라 수시로 변하므로 항공기의 성능을 계산하거나 비교하기 위해서는 참조해야할 표준대기조건을 설정할 필요가 있다.

 

국제표준대기의 범위를

ICAO는 해면고도(mean sea level)에서 30Km까지

NASA는 해면고도에서 1,000Km까지 정하고 있으며,

 

표준대기 상태는 해면고도에서

대기압 : 29.92inHg, 온도 : 15도

 

고도가 상승함에 따라

온도 : 1000ft당 2도 감소

대기압 : 1000ft당 1.00inHg 감소

 

대기압은 같지만 온도가 각각 다른 지역을 비행하는 항공기의 고도를 살펴보면, 표준대기 상태보다 온도가 높은 지역에서의 실제 비행고도는 고도계의 지시보다 높게 되며, 온도가 낮은 지역에서는 고도계의 지시보다 낮게 된다.

그 이유는 기체방정식에서 고도계의 지시가 동일하다는 뜻은 압력이 일정하다는 것이며, 이 상태에서 온도가 감소하면 동일한 압력을 유지하기 위해서는 밀도가 증가된 공기가 정압공을 통해 고도계 내부로 들어와야 한다. 그러기 위해서는 지시된 고도보다 낮게 비행하게 된다.

따라서, 온도가 낮은 지역을 비행할 때 실제 비행고도는 지시되는 고도보다 낮아 장애물에 가까워지므로 위험한 상황을 초래할 수 있다.

 

비표준 기압에 따른 오차

현재 비행하고 있는 지역과 목적지 지역의 기압이 다를 경우 목적지 지역의 기압을 맞추지 않고 비행하는 경우 지시되는 고도와 실제고도는 다르다. 특히 고기압 지역에서 저기압 지역으로 비행할 경우 실제 비행고도는 지시되는 계기고도보다 낮아지게 된다.

 

고도의 종류

진고도(true altitude)

고도계 기압창에  그 지역의 평균해수면 기압치를 맞추었을 때 지시되는 고도로서 평균해수면으로 부터 항공기까지의 높이이다. 항공지도에 표시된 고도는 모두 진고도이며, 전이고도 이하에서는 고도계에 진고도가 지시되도록 비행하고 있는 지역의 최신 기압치를 set하여야 한다.

 

기압고도(pressure altitude)

고도계의 기압창에 그 지역의 기압치 대신 29.92inHg 혹은 1013.2hPa를 setting 하였을 때 지시되는 고도로서, 대기압이 29.92inHg인 곳에서부터 항공기까지의 높이를 말한다. 대기의 상태가 표준대기상태라면 진고도와 기압고도는 동일하다. 우리나라에서는 전이고도(FL140)이상에서는 고도계에 기압고도가 표시되도록 set하여야 한다.

 

절대고도(absolute altitude)

절대고도는 지표면 혹은 장애물로부터 항공기까지의 높이를 말한다. 절대고도는 레이더 고도계 또는 Radio 고도계로 측정되는데, 측정원리는 항공기에서 전파를 지표면으로 보내어 전파신호가 항공기에서 지상까지 도달했다 돌아오는 이동시간을 계산하고 그것을 지시계에 feet단위로 환산하여 표시한다. 절대고도계에는 계기비행을 할 때 지켜야 하는 결심고도(decision height/altitude)나 최저강하고도(minimum descent altitude)를 설정할 수 있는데 항공기가 이 고도에 도달했을 때, 계기에 불이 켜지고 소리를 들을 수 있다. 절대고도계는 지상접근경보장치 및 비행지시장치와 연동된다.

 

밀도고도(density altitude)

항공기 성능은 공기밀도에 크게 영향을 받으므로 항공기 이착륙 거리, 상승성능 등을 계산하기 위해 필요한 고도로서 기압고도에서 공기의 비표준 온도를 수정한 고도이다.

 

Encoding altitude

항공기간에 수직간격 분리를 위하여 항공기의 고도를 지상에 있는 관제사도 파악하고 있어야 한다. 이 정보는 항공기에 탑재된 mode "c"가 작동되는 트랜스폰더(transponder)를 이용하여 비행고도를 100feet 단위로 자동으로 전송하여 관제사의 레이더 관제화면에 숫자로 표시되게 한다.

encoding altitude는 29.92inHg 기준으로 고도를 측정하여 전송하므로 관제사는 트랜스폰더로부터 수신된 기압고도를 그 지역의 QNH로 환산하여 비행 중인 항공기의 진고도를 파악할 수 있다.