자이로스코프 계기(Gyroscopic Instrument)1

자이로(Gyro)

자이로는 한 점이 고정되어 있는 축 주위를 고속으로 회전하는 물체(회전체)라 할 수 있다. 회전체가 3축에 대하여 자유롭게 움직일 수 있는 3축 자이로는 자세계(Attitude indicator)와 방향 지시계(Direction gyro)에 이용되며 3축 중에 한 축이 고정되어 있는 2축 자이로는 선회계(Turn coordinator)에 사용된다. 자이로는 강직성(Rigidity in space)과 섭동성(Precession)의 특성이 있으며 이러한 성질을 비행계기에 응용한다.

 

자이로의 특성

- 강직성 : 강직성은 자이로에 힘이 가해지지 않으면 자이로의 회전축은 계속 일정한 방향을 유지하려는 성질로서, 자이로의 회전이 빠르고 질량이 클수록 강직성이 강하다.

 

- 섭동성 : 섭동성은 회전하고 있는 자이로에 힘을 가하면 힘을 가한 점으로부터 90도 진행된 점에서 힘의 결과가 나타나 자이로의 회전축을 좌우로 움직이게 한다. 선회계(Turn coordinator)는 자이로의 섭동성을 이용한 대표적인 계기이며 자세계는 자이로의 강직성과 섭동성을 이용한 계기이다.

 

Gyroscopic systems의 동력원(source of power)

자이로의 특성(강직성, 섭동성)을 나타내려면 자이로를 고속으로 회전시켜야 한다. 자이로를 고속으로 회전시키기 위한 힘은 진공압력(vacuum pressure)과 전기(electrical power)를 이용한다. vacuum pressure를 발생시키는 진공펌프는 주로 자세계(Attitude indicator)와 방향지시계의 자이로(Dirctional gyro)를 회전시키고 선회계(Turn coordinator)의 자이로는 전기를 이용하여 회전시킨다. 그렇게 함으로써 진공펌프가 고장 나더라도 전기로 작동되는 선회지시계는 작동함으로써 자세계기를 대체할 수 있게 한다.

자이로를 작동시키기 위해서는 적절한 진공압력이 유지되어야 한다. 일반적으로 적절한 진공압력은 4.5~5.5inHg이며 suction gauge에 녹색으로 정상 작동범위를 표시한다. 진공압력이 정상범위 이하일 경우 비행계기는 정상적으로 지시하지 않으므로 조종사는 주의 깊게 주기적으로 suction gauge를 관찰하여야 한다.

 

자세계(Attitude indicator)

자세계는 자이로의 강직성을 이용하여 항공기의 상승, 강하, 선회방향, 경사각등의 정보를 제공하는 계기이다. 항공기의 pitch와 roll을 측정할 수 있는 자이로는 진공펌프 혹은 전기모터에 의해 작동되며 2개의 짐벌에 장착되어 있다. 짐벌에는 항공기 자세를 나타내주는 수평판이 부착되어 있어 자세변화의 크기를 나타내준다.

일반적으로 수평판의 윗부분은 하늘을 나타내는 하늘색, 아랫부분은 땅을 나타내는 검정색 혹은 갈색으로 표시하고 있으며, 윗부분에는 경사각을 눈금으로 표시하고 있다. 계기 안에 부착되어 있는 작은 항공기모형은 가상수평선을 기준으로 항공기의 비행자세를 나타내주며, 계기의 중앙 아래에 있는 조절 knob로 항공기 속도 변화에 따른 수평 자세의 변화를 조절할 수 있게 되어 있다. 작은 항공기 모형의 날개 두께와 중앙의 점, 그리고 가상 수편선의 두계는 2"피치의 크기와 같다. 자세계는 일반적으로 60도 이상의 피치, 100도이상의 roll 자세를 초과할 때 "Tumble"현상이 발생하여 정확한 자세를 지시하지 못하게 된다.

 

방향 지시계기(Heading indicator)

Directional 자이로를 이용하여 비행방향을 나타내는 방향지시계기는 항상 일정한 자세를 유지하려는 자이로의 강직성을 이용한 계기이다. Directional 자이로는 처음에는 자북(Magnetic North)을 가리키나 지구가 자전함에 따라서 계속 자북을 가리키는 것이 아니라 일정한 자세를 유지하는 자이로의 강직성 때문에 지구의 자전과 관계없이 처음의 방향을 계속 가리키게 된다. 이로 인하여 시간이 지남(지구의 자전)에 따라 자북방향과 일치되지 않는 오차가 발생된다. 

따라서 조종사는 나침반과 방향지시계의 방향을 주기적으로 비교하여 수정하여야 하며, 지구는 1시간당 15도씩 자전하므로 15분마다 점검하여 3도 이상 차이가 나는 경우 계기비행용으로 사용할 수 없다.

 

-Flux gate

Flux gate는 비행 중 주기적으로 나침반과 비교하여 Heading을 수정하는 불편을 없애기 위해 Directional gyro가 항상 정확한 자북에 일치 하도록 만들어 주는 장치이다. Flux gate는 코일을 감은 쇠막대에 자기장이 흐르면 전류가 유도되는 성질을 이용한 것인데 Magnetic flux를 감지하는 3개의 연철에 코일이 감겨져 있다. 코일이 감겨져 있는 연철에 Magnetic flux가 통과하게 되면 전류가 발생하는데 발생하는 전류의 크기를 비교하여 항공기의 방향을 나타내게 된다.

 

-Remote Indicating Compass

Remote Indicating Compasss는 Directional gyro로 작동되는 방향지시계기(Heading indicator)의 오차를 줄이기 위해 고안된 장치이다. 작동원리는 방향지시계기에서 측정된 방위와 Flux gate에서 측정된 방위가 다르면 Directional gyro를 구동하는 모터에 그 차이를 보내 자이로를 수정하여 Flux gate에서 측정된 방향과 일치하도록 한다. 조종사는 주기적으로 방향지시계와 나침반을 비교하여 틀릴 경우 방향지시계기의 자이로를 Free mode로 선택한 후 Slaving control을 참고하여 시계방향 혹은 반시계방향으로 선택하여 나침반의 방향과 일치하도록 수정하여야 한다. 

수정이 완료되면 Free mode에서 Slave mode로 다시 set하여야 한다.

 

-HSI(Horizontal Situation Indicator)

HSI는 위에 설명한 Flux gate에 의해 항공기의 정확한 방향을 지시하는 방향지시계 기능과 VOR, ILS의 항법신호 및 Glide slope 신호를 나타내는 비행계기이다 HSI는 조종사가 선택한 항로로부터 항공기의 위치를 파악하기 쉽게 나타 내준다.