비행계기(flight instrument)2

승강계(vertical speed indicator)

 

승강계는 vertical velocity indicator (VVI)라고도 불리며, 상승 및 강하율을 측정하는 계기로서 항공기가 일정 고도에서 벗어나려는 경향성과 상승 및 강하율의 크기를 지시한다.

승강계 내부에는 다이어프램(Diaphragm)이 있으며 다이어프램은 정압시스템에 연결되어 있고 정압공(Static port)으로부터 전달된 공기의 압력으로 다이어프램을 수축, 팽창시킨다. 승강계에는 승강게 case 안쪽과 바깥쪽의 압력이 같도록 조절해주는 Calibrated leak이 있다. Calibrated leak을 통한 case 내부의 압력변화는 다이어프램보다 상대적으로 천천히 변화된다.

예를 들어 상승을 시작하면 승강계 내부의 압력은 바깥쪽 압력보다 크기 때문에 압력이 같아질 때까지, Calibrated leak을 통해 바깥쪽으로 천천히 빠져나가게 되며, case 내부의 압력이 상승함에 따라 상대적으로 압력이 빠르게 작아지는 다이어프램과 압력 차이가 일정할 때까지 다이어프램을 누르게 되고, 다이어프램에 연결되어 있는 바늘은 상승을 지시하게 된다.

항공기가 Level off하면 압력은 더 이상 변하지 않고 case 내부 압력과 다이어프램의 압력은 동일하게 되어 승강계의 바늘은 수평을 지시한다. 

반대로 항공기가 강하를 시작하면 상대적으로 압력이 빠르게 증가하는 다이어프램과 천천히 압력이 증가되는 case 내부의 압력 차이가 일정할 때까지 다이어프램을 팽창하게 하여 바늘이 아래로 움직이고 강하를 지시한다.

승강계의 일정한 상승 및 강하율 지시는 승강계 내부압력과 다이어프램의 압력차이가 일정해지는 시간 동안 늦게 지시하지만, 상승 강하하려는 경향은 즉시 지시하므로 이 특성을 이용하면 일정고도를 유지하는 데 도움을 받을 수 있다.

Instantaneous Vertical Speed Indicator(IVSI : 즉각 지시 VSI)는 두 개의 가속도계(Accelerometer)를 작동하는 공기펌프를 가지고 있어 위나 아래쪽으로 항공기의 피치 변화를 감지하여 일정한 상승 및 강하율을 지시하는 것이 지연되는 것을 방지하여 준다.

 

속도계(Airspeed Indicator, ASI)

속도계는 피토튜브 입구에서 측정된 동압과 피토튜브의 drain hole에서 측정된 정압을 합한 전압(total air pressure, 동압+정압)과 정압공에서 측정된 정압의 차이가 속도계 내부에 있는 다이어프램을 팽창/수축시켜 다이아프램과 연결되어 있는 바늘로 속도의 크기를 나타낸다.

 

속도의 종류

- 지시속도(Indicated airspeed, IAS) : 속도계에 표시되는 계기속도로서 일정한 고도를 유지한다고 가정했을 때 IAS는 엔진에서 발생되는 추력의 크기에 비례한다.

 

- 수정속도(Calibrated airspeed, CAS) : 계기속도에서 장착오차를 수정한 속도

 

- 등가대기속도(Equivalent airspeed, EAS) : 등가대기속도는 진대기속도(TAS)를 구하기 위하여 수정속도(CAS)에서 피토튜브에 바딪치는 공기압축 오차를 수정한 속도이다. 피토튜브 입구에서 부딪히는 공기의 속도가 매우 빠르면 공기가 압축되고 그에 따라 밀도가 증가하게 되어 속도는 실제보다 크게 지시하게 되므로 실제속도를 알기 위해서는 공기의 압축오차를 수정하여야 한다. 일반적으로 고도 1만 feet, 속도 200knots 이하에서는 공기 압축오차가 크지 않기 때문에 압축 오차를 고려하지 않는다. 

 

- 진대기속도(Ture airspeed, TAS) : 진대기속도(TAS)는 EAS에서 공기밀도(외기온도)를 수정한 속도이다. 고도를 상승할수록 공기밀도는 희박해지므로, 동일한 계기속도(동일한 엔진 추력)로 비행하는 경우 밀도가 희박한 대기를 통과하는 항공기는 항력을 줄어들게 됨으로써 실제속도(TAS)는 증가하게 된다. 진대기속도를 계기속도(IAS)와 비교하면 대략 1,000ft당 2%씩 증가한다. 예를 들어 5,000ft에서 IAS 100knots를 TAS로 환산하면 10% 증가한 110knots가 된다.

 

- 마하속도(MACH Number indicator) : 항공기가 음속에 접근함에 따라, 공기의 속도가 가장 빠른 특정 부분 (항공기 날개의 윗면)을 지나는 공기흐름은 음속 이상으로 속도가 증가하게 되고 그 결과 충격파가 발생한다. 충격파가 발생하면 항력이 급격히 증가되고, 항공기 진동 및 항공기 조종성이 감소되므로 조종사는 고속으로 비행할 때 음속에 도달하는지 알아야 한다. 그러나 항공기에 장착되어 있는 속도계는 항공기의 지시속도 혹은 진대기속도만을 가리키므로 음속을 나타내는 속도계가 따로 필요하다. 마하속도는 항공기 진대기속도와 음속의 비를 나타내며 소리의 속도는 온도에 정비례하여 변화한다.

따라서, 고도가 증가하면 온도가 감소하므로 일정한 마하수를 유지하기 위해서는 진대기속도를 줄여야 한다. 

예를 들어 동일한 속도 Mach, 83로 비행한다고 가정했을 때 3만 피트에서는 TAS 489.3.5 knots가 되며, 1만 피트에서는 3만 피트에 비해 온도가 높아 소리의 속도가 증가하므로 Mach .83은 TAS 530knots가 된다.