(18) Pressurized Aircraft

Pressurized Aircraft
 
항공기가 높은 고도를 비행하는 두 가지 이유가 있다. 첫 번째, 특정 속도에 대해 높은 고도를 비행하는 항공기는 낮은 고도를 비행하는 항공기보다 더 적은 연료를 소비한다. 왜냐하면 항공기는 높은 고도에서 더 효율적이기 때문이다. 두 번째, 폭풍 위를 비행함으로써 악기상과 난기류를 회피할 수 있다. 많은 현대 항공기들은 높은 고도를 운영하도록 설계되므로 이러한 이점들을 갖는다. 높은 고도를 비행하기 위해선 항공기가 여압 되거나 각 탑승자에게 보조 산소가 제공되어야 한다. 이러한 항공기를 조종하는 조종사는 기본적인 작동 원리를 숙지해야 한다.
 
일반적인 여압 시스템에서 객실, 조종실, 그리고 수화물 칸은 외부 대기압보다 높은 압력의 공기를 담을 수 있는 밀폐 장치 내에 결합된다. 터빈 엔진 항공기에서는 엔진 compressor section의 bleed air가 객실을 여압하는데 사용된다. 구형 터빈 엔진 항공기에서는 fuselage 내로 공기를 주입하기 위해 supercharger가 사용될 수 있다. 피스톤 항공기에서는 각 엔진의 turbocharger로부터 sonic venturi(flow limiter)를 통해 공급되는 공기를 사용할 수 있다. 공기는 outflow valve라 불리는 장치에 의해 fuselage에 방출된다. outflow valve는 여압 영역을 향해 공기가 지속적으로 유입되도록 만들기 위해 공기 출구를 조절한다. [그림 7-40]

maximum designed cruising altitude에서 객실 여압 시스템은 약 8,000ft의 cabin pressure altitude를 유지한다. 이는 승객과 승무원이 불편함을 느끼거나 다칠 수 있는 급격한 cabin altitude 변화를 방지한다. 또한 여압 시스템은 객실 내부에서 외부로 공기가 빠르게 교체되게 만든다. 이는 악취와 퀴퀴한 공기를 제거해 준다. [그림 7-41]

탑승객을 저산소증(hypoxia)으로부터 보호하기 위해선 객실 여압이 필수적이다. 여압된 객실 내에서 탑승자는 장시간 동안 편안하고 안전하게 비행할 수 있다(특히 cabin altitude가 8,000ft 이하로 유지되는 경우. 8,000ft 이하에서는 산소 장비가 필요하지 않다). 이러한 유형의 항공기를 비행하는 조종사는 객실 압력이 의도치 않게 손실될 수 있다는 것을 알아야 하며 이러한 비상사태를 대처할 준비가 되어있어야 한다.
 
다음 용어들은 여압 및 공기 조절 시스템의 작동 원리를 이해하는데 도움이 된다:
 
∙ Aircraft altitude – 항공기가 비행하는 해수면으로부터의 실제 높이
 
∙ Ambient temperature – 항공기를 둘러싼 영역의 온도
 
∙ Ambient pressure – 항공기를 둘러싼 영역의 압력
 
∙ Cabin altitude – 해수면으로부터의 고도에 상당하는 객실 압력
 
∙ Differential pressure – 벽의 한쪽 면에서 작용하는 압력과 벽의 다른 쪽 면에서 작용하는 압력의 차이. 여압 및 공기 조절 시스템에서 이는 객실 압력과 대기압의 차이를 의미한다.
 
cabin pressure control system은 cabin pressure regulation, pressure relief, vacuum relief, 그리고 isobaric range와 differential range에서 원하는 cabin altitude를 선택할 수 있는 수단을 제공한다. 객실 압력을 배출(dump)하는 것도 pressure control system의 기능 중 하나이다. 이러한 기능들을 위해 cabin pressure regulator, outflow valve, 그리고 safety valve가 사용된다.
 
cabin pressure regulator는 isobaric range에 설정된 값으로 객실 압력을 조절하고 differential range에 설정된 값으로 객실 압력을 제한한다. 객실 내부와 외부의 압력 차이가 fuselage에 대해 설계된 maximum differential pressure와 같아지는 고도에 도달한 이후에는 고도가 높아질수록 cabin altitude가 높아진다. fuselage에 대해 설계된 maximum differential pressure가 초과되는 것을 방지하기 위해 differential control이 사용된다. differential pressure는 객실의 구조적 강도에 의해 결정되며 종종 균열 가능성이 있는 영역(예를 들어 창문이나 문)에 대한 객실 크기에 의해 결정된다.
 
cabin air pressure safety valve는 pressure relief valve, vacuum relief valve, 그리고 dump valve로 구성된다. pressure relief valve는 객실 내부와 외부의 압력 차이가 maximum differential pressure를 초과하는 것을 방지한다. vacuum relief valve는 외부 공기를 객실로 유도해서 ambient pressure가 cabin pressure를 초과하는 것을 방지한다. dump valve는 조종실에 배치된 스위치에 의해 작동하며 이 스위치가 ram에 놓이면 solenoid valve가 열려서 객실 공기가 대기 중으로 배출된다.
 
항공기의 여압 수준과 운영 고도는 몇 가지 설계 요인에 의해 제한된다. 기본적으로 fuselage는 특정 cabin differential pressure를 견딜 수 있도록 설계된다.
 
pressurization controller와 함께 사용되는 몇몇 계기들이 있다. cabin differential pressure gauge는 내부 압력과 외부 압력의 차이를 표시한다다. maximum differential pressure가 초과되지 않았는지 확인하기 위해선 이 계기를 모니터링해야 한다. 시스템 성능 점검을 위해 cabin altimeter도 제공된다. 이 두 계기가 하나로 합쳐지는 경우도 있다. 세 번째 계기는 cabin altitude의 상승률/하강률을 나타낸다. cabin rate-of climb instrument와 cabin altimeter가 그림 7-42에 나타나있다.

감압(decompression)이란 항공기의 여압 시스템이 pressure differential을 유지할 수 없는 상태라 정의된다. 이는 여압 시스템의 오작동이나 항공기의 구조적 손상으로 인해 발생할 수 있다.

생리학적으로는 감압이 두 가지로 분류된다:

∙ Explosive decompression(폭발성 감압) – 객실이 폐보다 더 빠르게 감압되는 객실 압력 변화. 이는 폐 손상을 발생시킬 수 있다. 폐가 공기를 배출하는데 필요한 시간은 보통 0.2초이다. 0.5초 이내로 발생하는 모든 감압은 폭발적이고(explosive) 위험하다 간주된다.
 
∙ Rapid decompression(급속 감압) – 폐가 객실보다 더 빠르게 감압되는 객실 압력 변화.
 
explosive decompression이 발생하면 소음이 들릴 수 있으며 잠시 멍한 느낌이 들 수 있다. 객실 공기는 안개, 먼지, 혹은 이물질들로 가득 찬다. 기온이 급격하게 하락하고 상대습도가 변화해서 안개가 발생한다. 보통 귀는 곧 맑아진다. 폐로부터 공기가 빠져나가기 때문에 입과 코에서 공기가 밀려 나온다.

rapid decompression은 유효 의식시간(the period of useful consciousness)을 감소시킨다. 왜냐하면 폐에 있는 산소가 빠르게 배출돼서 신체에 가해지는 압력이 떨어지기 때문이다. 이는 혈액 내 산소 분압을 낮춰서 조종사의 유효 동작시간(effective performance time)을 정상 시간의 1/3 ~ 1/4로 줄인다. 때문에 매우 높은 고도(35,000ft 이상)를 비행할 때에는 산소마스크를 착용해야 한다. 만약 항공기가 diluter-demand oxygen system이나 pressure-demand oxygen system을 갖추고 있다면 oxygen regulator를 100% 산소로 설정하는 것이 좋다.
 
감압의 주된 위험은 저산소증이다. 의식불명을 피하기 위해선 산소 장비를 신속하고 올바르게 사용해야 한다. 감압의 또 다른 위험은 감압병(decompression sickness)이다. 신체에 가해지는 압력이 충분히 떨어져서 신체 내부에 녹아있던 질소가 기포를 형성하면 감압병이 발생하며 이는 일부 신체 조직에 악영향을 미칠 수 있다.

항공기의 구조적 손상으로 인한 감압은 또 다른 유형의 위험을 발생시킨다. 바로 개구부 근처에 위치한 사람이 항공기 밖으로 튕겨나가는 것이다. 여압 항공기의 개구부 근처에 위치한 사람은 항상 안전벨트를 착용해야 한다. 또한 구조적 손상으로 인한 감압은 개구부 근처에 위치한 사람들을 돌풍과 극도로 추운 온도에 노출시킬 수 있다.

이러한 문제들을 최소화하기 위해서는 빠르게 하강을 수행해야 한다. 모든 여압 항공기의 장비는 자동 시각 및 청각 경고 시스템들을 갖추고 있다.