비행계기-1) 속도계 (ASI)

[지바고]

비행계기-1) 속도계 (ASI)

이번 부터는 항공기에 사용하는 계기들의 작동원리에 대하여 알아 보도록 하겠습니다.

항공기의 계기판에는 복잡한 계기들이 여러가지 있지만 자세히 들여다 보면 항법을 위한 계기와 엔진상태를 확인할 수 있는 동력계통의 계기로 나뉘어져 있습니다.

1. 항행을 위한 기본 계기

아래의 사진은 세스나172의 계기판이며 경량에서 사용되는 기본 계기도 이와 유사합니다.

각 계기의 위치는 각 항공기마다 다르지만 원리나 기능은 동일합니다.

위의 그림에서 붉은색 네모칸 안에 있는 계기들이 비행을 위한 중요한 계기들로서

속도계(ASI), 고도계, 수직속도계(VSI), 자세계, Slipskid indicator, Heading Indicator,

등 6개의 계기가 있으며 이를 6 Pack 이라고도 합니다.

위의 6가지 계기를 다시 작동 원리에 의해 세부적으로 나누어 보면 두가지로 나눌 수 있는데,

에어(Air) 의 흐름(압력)에 의해 작동되는 계기를 Pitot Static System ;

①속도계(ASI) => 항공기의 속도표시

③고도계 (Altitude) => 항공기의 고도 표시

⑥수직속도계(VSI) => 항공기가 분당 몇 피트씩 상승 또는 하강하는가 표시

또한 자이로(Gyroscopic) 기능을 이용한 자이로 계기 ;

⑤Heading Indicator (기수의 방향 표시)

②자세계 (기체의 기울기 표시)

④Slipskid Indicator(기체의 쏠림 상태) 표시.

오늘은 위의 6가지 계기들 중 항공기의 속도를 알려주는 속도계인 에어 스피드인디케이터 (ASI)에 대하여 알아 보도록 하겠습니다. 

아래 글에서는 Air Speed Indicator를 간략히 속도계(ASI)라고 표기 하겠습니다.

2. Pitot Static System

항공기 속도의 측정은 피토관(Pitot Tube)에서 공기의 흐름 (동압,Dynamic Pressure)을 받아 기체 측면에 있는 정압공(Stataic Port)에서 들어온 공기압력(정압, Static Pressure)과의 차이를 비교하여 속도를 측정하는 것입니다. 아래 사진은 항공기의 공기 흐름(공기압력)을 검출하는 피토관(Pitot Tube)의 모습입니다.

아래 사진은 피토관에 들어온 공기압력과 비교하기 위하여 공기의 흐름이 없는 정압(Static Air Pressure)를 측정하는 정압공(Static Port) 의 사진입니다.

비행 중에 대기압이 바뀌면 이 작은 구멍을 통해 자유롭게 정압(Static Pressure)이 들락날락하게 됩니다.

피토관의 구조와 각 계기와의 연결은 아래 사진과 같이 되어 있습니다.

피토관은 위의 사진에서 보듯이 항공기가 전진하면 피토관 입구로 들어오는 공기(Ram Air)를 받아 들이는 역할을 하며 뒷부분에는 빗물 등이 빠져 나가도록 하기 위한 Drain Hole 이 뚫려 있습니다.

아울러 일부 피토관에는 입구 부분이 얼었을 경우 이를 신속히 녹이기 위하여 히터가 옵션으로 장착되어 있는 것도 있습니다.

피토관을 지난 공기(동압 Dynamic Air Pressure)는 위의 사진과 같이 속도계(ASI)에 연결되어 있으며 아울러 고도계와 VSI (Vertical Speed Indicator)에도 같이 연결되어 있는데 이 같은 측정 시스템을 Pitot Static System 이라고 합니다.

이 Pitot Static System 에 연결되어 있는 속도계(ASI)와 수직승강계(VSI) 에는 아래 그림과 같이 공기압력에 의하여 팽창과 수축을 하는 Diaphragm이 내장되어 있으며 고도계에는 주변기압에 의하여 팽창과 수축을 하는 Aneroid Wafer가 내장되어 있습니다

ASI, VSI => Diaphragm내장, 공기 압력에 의해 팽창 수축 이용

고도계 => Aneroid Wafer 내장, 주변 기압에 의해 팽창 수축

3. 속도계 (Air Speed Indicator, 줄여서 ASI)

항공기의 속도계는 자동차의 속도계와는 완전히 다른 원리를 사용하고 있습니다.

아래 사진은 항공기의 속도를 나타내주는 속도계(Air Speed Indicator) 입니다.

자세히 보시면 에어스피드의 단위는 항공에서 일반적으로 사용하는 너트(1 Knots = 1.852km/h) 로 되어 있습니다만 Km/h 또는 MPH(Miles per Hour) 단위도 있을 수 있습니다. (구매시 옵션으로 선택)

먼저 속도계(ASI)의 기본적인 구조는 아래와 같습니다

속도계(ASI)의 기본 원리는 피토관에서 들어온 공기(동압, Dynamic Pressure)와 Static Port 에서 들어온 정압(Static Pressure)을 합한 압력을 전압(Total Pressure) 이라고 하는데 이 전압은 Diaphragm으로 들어가서 Diaphragm을 팽창을 시킵니다

Diaphragm은 피토관에서 들어온 동압(Dynamic Pressure)과 Drain Hole에서 들어온 정압(Static pressure)을 합한 압력인 전압(Total Pressure)과 Static Port에서 들어온 정압(static Pressure)과의 차이 만큼 수축하거나 팽창을 하게 됩니다.

이때 속도의 측정은 전압(Total Pressure)에서 정압(Static Pressure)을 뺀 동압(Dynamic Pressure)을 계기판 상에 나타나게 해주는 것이 바로 속도계 (ASI) 입니다.

이를 간단한 수학적 공식으로 나타내 보면

V= ( D + S ) – S

V = 항공기의 속도

D = 동압(Dynamic Pressure)

S = Static Pressure from Drain Hole

뒤의 S = 정압 (Static Pressure from static port) 입니다.

대기압력이 27.92 inHg 인 공기속을 시속 100 너트로 비행한다고 가정하여 계산해 보면

V=(100+27.92)-27.92, 고로 V= 100이 됩니다

참고로 에어스피드의 측정은 공기의 압력에 의하여 Diaphragm이 팽창되는 것을 이용하므로 겨울철 공기 밀도가 높은 경우에는 실제 속도 보다 빠르게 나타나며 더운 여름 공기밀도가 낮을 경우에는 실제 속도 보다 더 낮은 속도를 나타나게 됩니다. 

또한 에어스피드는 바람의 풍속과 배풍(Tail Wind), 측풍(Cross Wind), 정풍(Head wind) 등에 따라 지시하는 값은 달라지므로 실제 대지 속도(Ground Speed) 와는 차이가 있습니다.  

즉 10너트의 맞 바람을 맞으며 비행시 속도계(ASI)에 100 너트가 표시 된다면 대지속도(Ground Speed)는 100kts – 10kts = 90 kts가 되고 반대로 10kts의 배풍을 받으며 비행시 100kts가 표시되었다면 대지속도는 100 kts + 10kts = 110 kts 가 되는 것입니다.

또한 고도가 높아지면 높아질수록 공기밀도는 낮아지므로 표시되는 속도는 달라지게 됩니다.

4. 피토관 (Pitot Tube)이 막힐 경우

이제 피토관이 막힐 경우 속도의 변화는 어떻게 되는지 알아 보겠습니다.

피토관 계열이 막히는 경우의 수는 대충 아래와 같을 것입니다.

1) 피토관 입구가 눈이나 곤충에 의하여 막힌 경우

2) 피토관 과 Drain Hole이 동시에 모두 막힌 경우

3) 피토관은 정상이나 속도계(ASI)로 향하는 튜브(Tube)가 막힌 경우

4) 피토관은 정상이고  정압(Static Port)이 막힌 경우

위와 같이 피토 시스템의 어떠한 부분이 막혔을 때의 속도 지시는 어떻게 될지 알아 보겠습니다.1) 피토관 입구만 막힌 경우 => 속도 지시는 “0”

Dynamic Air가 피토 관에 유입되지 못하므로 Diaphragm의 내부 압력은 Drain Hole을 통해 들어온 외기압(Ambient Air Pressure)인 정압(Static Pressure)으로 떨어질 것입니다.

따라서 속도계(ASI)는 '0'를 가리킵니다.

즉 전압(Total Pressure)과 정압(Static Pressure)사이의 차이가 없기 때문입니다.

이를 수식으로 살펴 보면 ;

V=(0+ 27.92,드레인 홀) – 27.92(Static port)를 하면 V= 0,

다시 말해 속도는 0 이 됩니다.

2) 피토관 과 Drain Hole이 모두 동시에 막힌 경우 => 속도지시 변화 없음.

피토관 내의 압력은 갇혀 버리게 되어 Diaphragm압력은 그 상태로 멈추게 됩니다.

따라서 비행기의 속도가 실제로 증가되거나 감소해도 속도계의 속도지시는 변화가 없을 것입니다.

이를 수식으로 보면 V=(0+0) 이 되어 속도지시는 변화가 없습니다.

3) 피토관은 정상이나 속도계(ASI)로 향하는 튜브(Tube)가 막혔다면 ;

항공기가 고도를 변경할 경우 속도계(ASI)의 속도지시도 고도 변화에 따라 변할 것입니다.

왜냐하면 피토관으로 부터 들어오던 전압(Total Pressure)은 변하지 않으나, 정압공(Static Port)을 통해 들어오는 정압(Static Pressure)은 고도의 변화에 따라 변하기 때문입니다.

이상태에서 고도가 올라가면 속도계의 속도지시도 올라가고

고도가 내려가면 속도계의 속도지시도 내려가게 됩니다.

4) 피토관은 정상이고 정압(Static Port)이 막혀 있다면 ;

속도계(ASI)는 계속 작동하지만 이 속도지시는 정확하지는 않습니다.

만일 비행기가 이 상태에서 고도를 올리면, 속도계(IAS)의 속도지시는 더 낮게 지시할 것이며 반대로 고도를 내리면, 실제 속도보다 더 높게 지시할 것입니다.

정압 공(Static Port)이 막힌 채로 상승을 시작하면, 속도계(ASI)의 속도지시는 항공기가 상승할 수록 점점 더 떨어지는데 그 이유는 피토관을 통해 들어 온 전압(Total Pressure)이 점점 낮아지기 때문 입니다. 

또한 정압공(Static Port)이 막히면 아래와 같이 고도계(Altimeter)와 수직속도계(VSI)에도 영향을 줍니다.

고도계는 막힌 정압(Static Pressure)으로 인해 현재 고도만을 지시한 채 고정될 것이며 수직속도계 (VSI)의 경우에는 계속 '0'만을 가리킬 것입니다.

이상으로 피토관 계통이 막힐 경우를 알아 보았는데 이를 간단히  표로 정리해 보면 아래와 같습니다.

참고로 항공기의 속도에는 True Air Speed, Iindicated Air Speed, Ground Speed 등 여러가지가 있는데 이에 대한 상세한 내용은 제가 작성한 자유게시판(아래 링크)을 참조하여 주시기 바랍니다.  

http://cafe.daum.net/gongjuair/1uyJ/1622

이상으로 항공기의 속도를 나타내는 속도계(ASI)에 대하여 간략히 알아 보았습니다.

속도계에 대한 설명이 의외로 길어졌습니다만 속도계에 대하여 최소한 알아야 사항은

1) 피토관에서 들어온 공기압력(동압)과 정압공에서 들어온 압력(정압)을 측정하여 속도를 표시한다.

2) 피토관은 물론이고 정압공도 막히면 안된다. (비행전 점검 시 피토관 상태를 반드시 확인한다)

3) 속도계는 공기의 압력에 의하여 측정되는 것이므로 대지속도와는 차이가 있다

4) 피토관이 막히면 속도는 "0"이 된다.

등으로 요약할 수 있겠습니다.

아래 동영상은 이에 대한 교육영상을 번역하여 자막을 넣었으니 참조하여 주시기 바랍니다.

다음회에는 고도계에 대하여 알아 보겠습니다.

감사합니다.

[newspaper8]

지바고 헬기는 내년에 기약해야 할것 같아여 ^^

[지바고]

newspaper8 언능사서 나도 태워주세요

[돈브로]

계기 부분이 내용이 어려운것 같은데 쉽게 설명해주셨네요. 속도계산 공식도 올려주셔서 정압에 이해가 잘되네요. 좋은 자료 감사합니다.ㅎㅎ

[지바고]

읽어주셔서감사합니다

[flwkahd]

좋은 자료 정말 감사합니다.
궁금한 점이 하나 있어 질문 합니다. 피토튜브에서 속도를 측정하는 방법이 (동압+전압)-전압인데 여기서 동압에 바람까지 포합되지 않나요?? 비행기가 멈춰있는데 상태에서 피토튜브에 바람을 불면 순간적으로 속도가 올라가는 것 처럼... 저는 그래서 ground speed를 구할때 바람을 맞바람일때는 속도를 더해줘야 할 줄 알았습니다. 이부분이 이해가 잘 되지않아 질문을 올립니다.