(6) Gyroscopic Systems

Gyroscopic Systems

 

자이로스코프 계기 시스템과 자이로스코프 특성(공간 강성과 세차)을 사용하면 자연 수평선을 참조하지 않고도 비행을 안전하게 수행할 수 있다. 이러한 시스템에는 attitude instrument, heading instrument, 그리고 rate instrument가 포함된다. 이 계기들은 자이로스코프(무게가 주변부에 집중된 작은 바퀴)를 가지고 있다. 이 바퀴가 빠른 속도로 회전하면 잘 휘지 않는 상태가 되어서 회전축으로부터 다른 방향으로 기울어지는 것에 저항한다.

 

attitude와 heading instruments는 공간 강성(rigidity)의 원리로 작동한다. 이러한 계기에서 자이로는 계기 케이스 내부에서 공간 강성을 유지하며 항공기가 이 주위를 회전한다. rate indicators(예를 들어 turn indicators와 turn coordinators)는 세차(precession)의 원리로 작동한다. 이 경우에는 항공기가 하나 이상의 축을 회전하는 속도에 비례해서 자이로가 기울어진다.

 

(출처: youtube/flight-club)

 

Power Sources

 

항공기 제조업체와 계기 제조업체는 비행 계기들에 다중(redundancy) 시스템을 설계하였다. 이는 하나의 고장으로 인해 조종사가 안전하게 비행할 수 있는 능력이 상실되지 않게 만들기 위함이다. 자이로스코프 계기들은 계기 비행에 있어 매우 중요하므로 이들은 서로 다른 전원을 통해 구동된다.

 

Pneumatic Systems

 

공압식 자이로는 바퀴 주변에 부딪히는 공기 흐름에 의해 구동된다. vacuum source를 통해 계기 케이스를 비워낸 다음 노즐을 통해 여과 공기가 케이스로 들어오면 바퀴가 회전한다.

 

Venturi Tube Systems

 

계기 케이스를 비워내기 위한 공압 펌프가 없는 경우에는 항공기 외부에 장착된 벤투리관을 사용할 수 있다. [그림 5-27] 벤투리관을 통과하는 공기는 가장 좁은 부분에서 속도가 빨라지고 압력이 떨어진다(베르누이의 원리). 이 가장 좁은 부분이 관을 통해 계기 케이스와 연결된다. attitude indicator와 heading indicator는 대략 4˝Hg의 흡입력으로 작동한다. 반면 turn-and-slip indicator는 2˝Hg만을 필요로 하므로 흡입력을 줄이기 위해 pressure-reducing needle valve가 사용된다. 공기는 계기 케이스에 내장된 필터를 거친 후에 계기로 유입된다. 이 시스템에서는 얼음이 벤투리관을 막아서 계기를 멈추게 만들 수 있다.

Vacuum Pump Systems

 

Wet-Type Vacuum Pump

 

계기 케이스를 비워내기 위해 steel-vane air pumps가 수년간 사용되어왔다. 이러한 펌프의 관들은 소량의 엔진 오일에 의해 윤활되며 이후 오일은 공기와 함께 배출된다. 일부 항공기에서는 배출 공기가 날개와 미익 앞전(empennage leading edges)의 rubber deicer boots를 팽창하는데 사용된다. 오일이 rubber boots를 악화시키지 않도록 하려면 oil separator를 통해 오일이 제어되어야 한다. [그림 5-28]

(rubber deicer boots)

vacuum pump는 계기들이 필요로하는 공기보다 더 많은 양의 공기를 이동시키므로 suction-relief valve가 펌프의 입구 쪽에 설치된다. 스프링이 장착된 이 밸브는 계기 내부에 필요한 저압이 유지될 정도로 공기를 빨아들인다. central air filter에서 여과된 공기는 계기 케이스로 유입된다. 항공기가 비교적 낮은 고도를 비행하는 한 자이로를 빠른 속도로 회전시키기에 충분한 공기가 계기 케이스로 유입된다.

 

Dry Air Vacuum Pump

 

비행 고도가 증가하면 공기 밀도가 낮아지므로 더 많은 공기가 계기를 통과하도록 해야 한다. 높은 고도를 비행하는 항공기에서는 배출 공기와 오일을 섞지 않는 air pump가 사용된다. steel vanes가 steel housing 내부를 움직일 때에는 윤활이 필요하다. 허나 특수한 carbon vane이 carbon housing 내부를 움직일 때에는 마모가 발생하면서 미세한 양의 자체 윤활이 제공된다.

 

Pressure Indicating Systems

 

그림 5-29는 다발 범용 항공 비행기의 공압 시스템 계기를 보여준다. 오염물이 carbon vanes를 손상시키는 것을 막기 위해 두 개의 dry air pump 입구에 필터가 장착된다. 펌프를 통과한 공기는 regulator로 향한다. regulator는 과도한 공기를 빼내서 시스템 내 압력을 적절한 수준으로 유지한다. regulator를 통과한 공기는 inline filters로 향한다. 이 필터는 펌프에서 유입될 수 있는 오염 물질을 제거한다. 필터를 통과한 공기는 manifold check valve로 향한다다. 엔진 중 하나가 고장장났거나 펌프 중 하나가 고장나면 check valve가 고장난 시스템을 차단하며 계기는 남은 시스템을 통해 작동된다. 계기를 통과해서 자이로를 구동한 공기는 케이스로부터 배출된다. gyro pressure gauge는 모든 계기들을 가로질러서 압력 강하를 측정한다.

Electrical Systems

 

공압식 attitude indicator를 사용하는 범용항공 항공기는 보통 전기식 rate indicators를 사용하거나 그 반대이다. 다이얼에 그 전원을 나타내는 계기들도 있긴 하지만 조종사는 POH/AFM을 통해 모든 계기들의 전원을 알아야 한다. 이는 계기 고장 발생시 어떤 조치를 취해야 하는지를 알기 위해서이다. 직류(D.C.) 전자 계기들은 항공기 전기 시스템에 따라 14-volt 모델이나 28-volt 모델에서 사용될 수 있다. 몇몇 attitude gyros와 autopilots는 작동을 위해 교류(A.C.)를 사용한다. 직류 전기 시스템만을 갖춘 항공기의 경우 DC-AC 변환 장치(14-volt나 28-volt 직류를 3상 115-volt, 400-Hz A.C.로 변환하는 장치)가 설치되면 교류 계기를 사용할 수 있다.