(4) Gyroscopic Flight Instruments

Gyroscopic Flight Instruments

 

몇몇 비행계기들은 자이로스코프의 특성을 통해 구동된다. 자이로스코프를 갖춘 계기는 보통 turn coordinator, heading indicator, 그리고 attitude indicator이다. 이러한 계기들의 작동 방법을 이해하려면 계기의 동력원, 자이로의 원리, 그리고 각 계기의 작동 원리에 대해 알아야 한다.

 

Gyroscopic Principles

 

회전하는 모든 물체는 자이로스코프의 특성을 보인다. 이러한 특성을 활용하도록 설계 및 장착된 바퀴나 로터를 자이로스코프라 부른다. 계기 자이로의 두 가지 설계 특징은 다음과 같다: 크기에 비해 무겁다(밀도가 크다), 그리고 회전 속도가 높다.

 

자이로스코프를 장착하는 방식에는 보통 두 가지 유형이 있다. 어떤 자이로 특성을 활용하는지에 따라 자이로스코프 장착 방식이 달라진다. freely(혹은 universally) mounted gyroscope는 무게 중심을 기준으로 어느 방향으로든 자유롭게 회전할 수 있다. 이러한 자이로의 바퀴는 세 개의 자유 평면을 가지고 있다 간주된다. 바퀴는 base에 대해 어느 평면에서든 자유롭게 회전할 수 있으며 바퀴가 정지한 상태에서는 원래의 위치에 머물도록 균형이 맞춰져 있다. restricted(혹은 semi-rigidly) mounted gyroscopes는 자유면 중 하나가 base에 대해 고정된 자이로스코프이다.

자이로스코프는 두 가지 기본 특성을 가진다: 공간강성(rigidity in space)과 세차(precession).

 

Rigidity in Space

 

공간강성이란 자이로스코프가 그 회전면에서 고정된 위치를 유지하는 원리를 말한다. 공간강성의 한 예시는 자전거 바퀴에 있다. 자전거 바퀴의 속도가 증가하면 자전거 바퀴는 그 회전면에서 더 안정적이게 된다. 이는 자전거가 저속에서는 불안정하지만 조종이 쉬운, 그리고 고속에서는 안정적이지만 조종이 어려운 이유이다.

 

이 바퀴를 gimbal rings에 장착하면 자이로는 어느 방향으로든 자유롭게 회전할 수 있다. 따라서 gimbal rings가 기울어지거나, 비틀어지거나, 혹은 달리 움직여도 자이로는 원래 회전하던 평면에 남아 있다. [그림 8-18]

Precession

 

세차란 deflective force에 반응해서 자이로가 기울어지거나 회전하는 것을 말한다. 이 힘에 대한 반응은 힘이 작용한 지점에서 발생하지 않으며 대신 이는 회전 방향으로부터 90도 너머에서 발생한다. 이 원리를 통해 자이로는 방향 변화에 의해 생성되는 압력의 양을 감지해서 선회율을 결정할 수 있다. 자이로가 precess 하는 비율은 바퀴 속도에 반비례하고 deflective force에 비례한다.

 

자전거 바퀴에 작용하는 세차는 자전거가 선회할 수 있게 해준다. 정상 속도로 주행하는 도중 원하는 방향으로 핸들을 돌릴 필요가 없다. 라이더는 단순히 원하는 방향으로 몸을 기울인다. 자전거의 오른쪽에서 바라보았을 때 바퀴는 시계방향으로 회전한다. 따라서 라이더가 몸을 왼쪽으로 기울이면 바퀴의 윗부분에서 왼쪽으로 힘이 가해진다. 이 힘은 회전 방향으로부터 90도 너머에서 작용하여 타이어의 앞부분에 힘을 가해 자전거를 왼쪽으로 움직이게 만든다. 저속에서는 자이로가 천천히 회전해서 불안정하므로 핸들을 회전시켜야 선회율이 높아진다.

 

세차는 일부 계기에서 몇 가지 사소한 오류를 발생시킬 수 있다. [그림 8-19] 베어링 마찰과 같은 외부 요인으로 인해 세차가 발생하면 자이로가 회전면으로부터 벗어날 수 있다. 특정 계기들은(예를 들어 heading indicator) 비행 도중 재설정 되어야 할 수 있다.

Sources of Power

 

일부 항공기에서는 모든 자이로가 진공/압력, 혹은 전기로 작동한다. 그 외의 항공기에서는 진공/압력 시스템이 heading indicators와 attitude indicators에 전원을 제공하고 전기 시스템이 turn coordinator에 전원을 공급한다. 대부분의 항공기는 최소 두 가지의 전원을 갖추며 이는 하나의 전원에 이상이 발생하였을 때 적어도 하나의 bank 정보를 이용할 수 있게 만들기 위함이다. 진공/압력 시스템은 로터를 고속으로 회전시키기 위해 rotor vanes에 공기 흐름을 끌어와서 자이로를 회전시킨다. 계기가 작동하는데 필요한 진공/압력은 각기 다르지만 이는 보통 4.5＂Hg ~ 5.5＂Hg이다.

 

자이로의 진공 공급원 중 하나는 vane-type engine-driven pump이며 이는 엔진의 accessory case에 장착되어 있다. 펌프의 생산 능력은 자이로의 수에 따라 항공기마다 다르다.

 

전형적인 진공 시스템은 engine-driven vacuum pump, relief valve, air filter, gauge, 그리고 tubing으로 구성된다. gauge는 항공기의 계기판에 장착되며 이는 시스템 내 압력의 양을 나타낸다(진공은 인치 단위로 표시되며 주변 압력보다 낮게 측정된다).

 

engine-driven vacuum pump를 통해 공기가 진공 시스템 내로 들어온다. [그림 8-20] 공기는 먼저 필터를 통과한다. 여기서 진공/압력 시스템으로 이물질이 들어가는 것이 방지된다. 공기는 attitude indicators와 heading indicators로 이동하여 자이로를 회전시킨다. relief valve는 진공 압력/흡입 압력이 한계를 초과하는 것을 방지한다. 이후 공기는 바깥으로 배출되거나 그 외 시스템에서 사용된다(예를 들어 pneumatic deicing boots를 팽창시키는데 사용됨) .

비행 도중 진공 압력을 모니터링 하는 것이 중요하다. 왜냐하면 흡입 압력이 낮을 경우 attitude indicator와 heading indicator가 정확한 정보를 제공하지 못할 수 있기 때문이다. vacuum/suction gauge는 보통 normal range를 나타내도록 표시된다. 일부 항공기는 warning light를 장비하며 이는 진공 압력이 허용 수준 아래로 떨어졌을 때 켜진다.

 

진공 압력이 정상 운영 범위 아래로 떨어지면 자이로 계기가 불안정해지고 부정확해질 수 있다. 계기들을 규칙적으로 교차 점검하는 것이 좋다.

 

Turn Indicators

 

항공기는 두 가지 유형의 turn indicators를 사용한다: turn-and-slip indicators와 turn coordinators. 자이로가 장착되는 방식으로 인해 turn-and-slip indicator는 초당 선회율만을 나타낸다. turn coordinator의 경우에는 자이로가 비스듬히(canted) 장착되기 때문에 초기에 roll rate도 나타낼 수 있다. roll이 안정되면 turn coordinator는 선회율을 나타낸다. 두 계기는 모두 선회 방향과 삼타일치 여부를 나타내며 자세계가 고장 났을 때에는 bank 정보의 백업 역할을 한다. 삼타일치는 inclinometer를 통해 달성된다. inclinometer란 액체가 채워진 곡선 튜브로 그 내부에는 ball이 있다. [그림 8-21]

Turn-and-Slip Indicator

 

turn-and-slip indicator의 자이로는 항공기의 세로축에 해당하는 수직면에서 회전한다. single gimbal은 자이로가 기울어질 수 있는 평면을 제한하며 스프링은 중심 위치가 유지되도록 작동한다. 세차로 인해 yawing force는 자이로를 왼쪽이나 오른쪽으로 기울어지게 만든다. turn-and-slip indicator는 turn needle이라 불리는 지시침을 통해 선회 방향과 선회율을 나타낸다. turn-and-slip indicator는 restraining springs 덕분에 회전축으로부터 “tumbling” off 할 수 없다. 자이로에 극심한 힘이 가해지면 자이로가 정상 회전면으로부터 벗어나며 이로 인해 계기의 지시가 유효하지 않게 된다. 특정 계기들은 자이로가 tumble하게 되는 특정 pitch limit와 bank limit을 가진다.

 

Turn Coordinator

 

turn coordinator의 gimbal은 비스듬히 장착되어 있다. 따라서 turn coordinator의 자이로는 rate of roll과 rate of turn을 모두 감지할 수 있다. 훈련 항공기에서는 turn coordinators가 더 일반적으로 사용되므로 이 논의은 해당 계기에 집중된다. roll in이나 roll out을 수행하면 miniature aircraft가 항공기의 roll 방향으로 기울어진다. roll rate가 빠르면 빠를수록 miniature aircraft가 더 가파르게 기울어진다.

 

표준율 선회를 설정 및 유지하기 위해 turn coordinator를 사용할 수 있다. miniature aircraft의 날개를 turn index에 정렬하면 표준율 선회가 설정된다. 그림 8-22는 turn coordinator를 보여준다. 계기의 왼쪽과 오른쪽에는 두 개의 마킹이 있다. 첫 번째 마킹은 날개 수평(선회율 0)을 참조하기 위해 사용된다. 왼쪽과 오른쪽의 두 번째 마킹은 표준율 선회를 나타낸다. 표준율 선회는 초당 3도의 선회율로 정의된다. turn coordinator는 선회율과 선회 방향만을 나타내지 구체적인 bank angle은 나타내지 않는다.

Inclinometer

 

inclinometer는 항공기의 yaw(항공기 기수의 왼쪽/오른쪽 움직임)를 나타내기 위해 사용된다. 삼타일치 직진수평비행 도중 중력은 ball을 튜브의 가장 낮은 부분(reference lines의 중심)에 놓이게 한다. ball을 중심으로 유지함으로써 삼타일치 비행이 유지된다. ball이 중앙에 있지 않다면 rudder를 통해 ball을 중앙으로 되돌려놓을 수 있다.

 

ball을 중앙으로 되돌려놓기 위해 ball이 편향된 방향으로 rudder를 가한다. 어느 rudder를 밟을지 기억하기 위해 “step on the ball”이라는 간단한 규칙을 사용한다. 선회 도중 aileron과 rudder가 삼타일치 되어 있다면 ball은 튜브의 중앙을 유지한다. 만약 공기역학적 힘이 불균형하다면 ball이 튜브의 중앙으로부터 멀어진다. slip이란 bank angle에 비해 선회율이 낮아서 ball이 선회의 안쪽으로 이동하는 것이다. [그림 8-22] skid란 bank angle에 비해 선회율이 높아서 ball이 선회의 바깥으로 이동하는 것이다. 이러한 상황들을 수정하기 위해, 그리고 선회의 품질을 향상시키기 위해 “step on the ball”을 기억하라. slip/skid를 수정하기 위해 bank angle을 변화시키는 것도 도움이 될 수 있다. slip을 수정하기 위해선 bank를 감소시키거나 및/혹은 선회율을 증가시킨다. skid를 수정하기 위해선 bank를 증가시키거나 및/혹은 선회율을 감소시킨다.

 

Yaw String

 

항공기에 추가될 수 있는 하나의 추가 장치는 yaw string이다. yaw string이란 wind screen의 중앙에 부착된 끈이나 실이다. 삼타일치 비행 도중 string은 wind screen의 위쪽으로 곧장 향한다. 항공기가 slip이나 skid를 수행하고 있다면 slip/skid 방향에 따라 yaw string이 왼쪽이나 오른쪽으로 이동한다.

(출처: Wikipedia)

Instrument Check

 

비행 전 점검 도중 inclinometer가 용액으로 가득 차 있으며 기포가 없는지 확인한다. 또한 ball은 가장 낮은 지점에 위치해야 한다. 지상 활주 도중 turn coordinator가 올바른 선회 방향을 표시해야 하며 반면 ball은 선회 반대 방향으로 움직여야 한다.

 

Attitude Indicator

 

자세계는 miniature aircraft와 horizon bar를 통해 항공기의 자세를 보여준다. miniature aircraft와 horizon bar 사이의 관계는 실제 항공기와 실제 수평선 사이의 관계와 같다. 이 계기는 아주 작은 자세 변화도 즉시 알려준다.

 

자세계의 자이로는 수평면에 장착되며 이는 작동을 위해 공간강성을 사용한다. horizon bar는 실제 수평선을 나타낸다. 이 bar는 자이로에 고정되어 있어서 항공기가 가로축이나 세로축을 중심으로 pitch/bank 할 때 수평면을 유지한다. 이 덕분에 자세계는 실제 수평선을 기준으로 항공기의 자세를 나타낸다. [그림 8-23]

자이로는 수평면에서 회전하며 회전 경로로부터 벗어나는 것에 저항한다. 자이로의 공간강성 특성 때문에 사실 항공기가 자이로 주위를 회전한다.

 

조종사가 miniature aircraft를 위/아래로 움직일 수 있도록 adjustment knob가 제공되며 이를 통해 조종사는 본인의 시야에 맞게 miniature aircraft를 horizon bar와 정렬시킬 수 있다. 보통 miniature aircraft는 직진수평 순항 비행 중일 때 horizon bar와 겹쳐지도록 조정된다.

 

자세계의 pitch 한계와 bank 한계는 계기에 따라 달라진다. 일부 자세계들은 100 ~ 110도의 bank 한계와 60 ~ 70도의 pitch 한계를 가진다. ±25도의 pitch 정보만을 표시하는 자세계에서 이 한계가 초과되었다면 (1) pitch가 더 이상 이 한계를 초과하지 않을 때까지 ±25도의 pitch가 표시되거나 (2) 계기가 "tumble" 하여 잘못된 pitch와 bank가 표시될 수 있다. 항공기가 IMC를 운영 중이거나 조종사가 unusual attitude recovery를 수행 중이라면 이는 매우 위험할 수 있다. 대다수의 최신 자세계에는 이러한 문제가 없다.

 

모든 조종사는 banking scale을 해석할 수 있어야 한다. [그림 8-24] 계기 상단에 위치한 banking scale indicators는 보통 항공기가 실제로 기울어진 방향으로 움직인다. 허나 일부 모델에서는 항공기가 실제로 기울어진 방향의 반대쪽으로 움직인다. 만약 bank 방향을 결정하기 위해 bank indicator를 사용한다면 조종사가 혼란스러울 수 있다. banking scale은 bank angle의 양을 제어하기 위해서만 사용해야 한다. bank 방향을 확인하기 위해선 miniature aircraft와 horizon bar의 관계를 사용해야 한다. 자세계는 신뢰도가 높은 계기이며 계기판에서 가장 현실적인 계기이다. 자세계의 지시는 항공기의 실제 자세와 매우 유사하다.

(B737의 PFD. 항공기는 현재 좌선회 중이다.)

Heading Indicator

 

heading indicator는 나침반의 사용 방법을 용이하게 만들기 위해 설계된 기계식 계기이다. 나침반에는 오류가 매우 많아서 직진비행과 선회를 어렵게 만든다(특히 난기류 조건인 경우). 허나 heading indicator는 나침반 오류들의 영향을 받지 않는다. [그림 8-25]

heading indicator는 공간강성의 원리를 사용한다. 자이로의 로터는 수직면에서 회전하며 compass card가 로터와 연결된다. 로터는 공간강성을 유지하므로 compass card의 각 지점들은 자이로의 수직면을 기준으로 우주에서 동일한 위치를 유지한다. 항공기가 자이로 주위를 회전하는 것이지 자이로가 항공기 주위를 회전하는 것이 아니다. 항공기와 계기 케이스가 자이로의 수직축을 중심으로 회전하기 때문에 card는 정확한 heading 정보를 제공한다.

 

마찰로 인한 세차 때문에 heading indicator가 초기 설정으로부터 조금씩 drift 한다. drift의 양은 계기의 상태에 따라 크게 달라진다. 베어링이 마모되거나, 더럽거나, 혹은 부적절하게 윤활되면 drift가 과도할 수 있다. heading indicator의 또 다른 오류는 지구가 한 시간마다 15도의 속도로 자전하기 때문에 발생한다. 따라서 마찰로 인한 세차를 배제한다 해도 heading indicator는 한 시간마다 15도의 오차를 나타낼 수 있다.

(apparent drift)

HSI(horizontal situation indicators)라 불리는 일부 heading indicators는 magnetic slaving transmitter로부터 자북 정보를 수신하므로 보통 조정을 필요로 하지 않는다. magnetic slaving transmitter는 magnetometer라 불린다.

 

Attitude and Heading Reference System(AHRS)

 

EFD는 자이로를 반도체 레이저 시스템으로 대체하였다. 이 시스템은 어느 자세에서도 계기가 tumbling 하지 않게 해준다. 이 기능은 AHRS의 개발 결과이다.

 

AHRS는 자세계의 pitch/bank 정보를 생성하기 위해 PFD에 자세 정보를 전송한다. heading 정보는 magnetometer(자력계 - 지구의 자기력선을 감지하는 장치)에서 생성된다. heading 정보는 처리된 다음 PFD로 전송되어 heading display를 생성한다. [그림 8-26]

The Flux Gate Compass System

 

지구 자기력선은 두 가지 기본적인 특정을 가진다: 자석은 자기력선과 연장된다, 그리고 자기력선을 가로지르는 어떠한 전선에도 전류가 유도된다.

 

slaved gyro를 구동하는 flux gate compass는 전류가 유도되는 특성을 사용한다. flux valve는 아래의 그림처럼 고리가 분리된 모양이다. [그림 8-27] 이는 연철로 이루어져 있으므로 자기력선을 쉽게 받아들일 수 있다. 지구 자기장 덕분에 이 고리에 유도된 전류를 받아들이기 위해 전기 코일이 세 개의 leg에 각각 감겨있다. 프레임 중앙의 iron spacer에 감긴 코일에는 400Hz의 교류(A.C.)가 흐른다. 전류가 최대 지점에 도달하면(한 주기 당 두 번) 코일에 의해 생성되는 자력이 너무 많아져서 프레임이 지구 자기장의 자기력선을 받아들일 수 없게된다.

허나 전류는 최대 지점에 도달할 때마다 반대 방향으로 흘러서 프레임의 자성을 없애며 이 덕분에 프레임은 지구 자기장의 자기력선을 받아들일 수 있다. 자기력선이 코일을 가로지르면 코일 내에 전류가 흐른다. 이 세 개의 코일은 항공기의 heading 변화에 따라 코일 내에 흐르는 전류가 변하는 방식으로 연결된다. [그림 8-28]

이 세 개의 코일은 계기 케이스 내부의 synchro와 연결된다. synchro는 RMI(radio magnetic indicator)나 HSI(horizontal situation indicator)의 다이얼을 회전시킨다.

 

Remote Indicating Compass

 

오래된 유형의 heading indicators에서 발생하는 오류와 한계를 보완하기 위해 remote indicating compass가 개발되었다. 이 시스템은 보통 두 가지로 구성된다: pictorial navigation indicator와 slaving control and compensator unit. [그림 8-29] pictorial navigation indicator는 보통 HSI라 불린다.

slaving control and compensator에는 “slaved gyro”나 “free gyro” 모드를 선택할 수 있는 버튼이 있다. 또한 이 장치에는 slaving meter와 두 개의 manual heading-drive 버튼이 있다. slaving meter는 현재 계기에 표시되는 heading과 실제 자북의 차이를 나타낸다. slaving meter가 오른쪽으로 편향되었다면 compass card에 시계방향 오류가 존재한다는 것이고 왼쪽으로 편항되었다면 반시계방향 오류가 존재한다는 것이다. 항공기가 선회를 수행해서 card가 회전할 때마다 slaving meter는 한 쪽 방향으로 full deflection을 표시한다. 시스템이 “free gyro” 모드에 있을 때에는 적절한 heading-drive 버튼을 눌러서 compass card를 조정할 수 있다.

 

별도의 장치인 magnetic slaving transmitter는 멀리 장착된다(자기 간섭의 가능성을 방지하기 위해 보통 wingtip에 장착됨). magnetic slaving transmitter는 flux valve(이 시스템의 방향 감지 장치)를 가지고 있다. 자기력선은 증폭된 후 heading indicator unit로 전달되는 신호가 된다. 이 신호는 heading indicator의 토크 모터를 작동시켜서 자이로가 transmitter 신호와 정렬되도록 만든다. magnetic slaving transmitter는 HSI와 전기적으로 연결된다.

 

remote indicating compass에는 여러 가지 종류가 있으므로 시스템의 기본적인 특징만이 여기서 다루어진다. 계기 조종사는 본인의 항공기에 설치된 장비의 특성을 숙지해야 한다.

 

계기판은 점점 복잡해지고 조종실 업무량은 많아져서 조종사가 이용 가능한 계기 스캐닝 시간이 줄어들었다. 때문에 계기 제조업체들은 계기들을 결합하기 위하여 노력하였다. 이에 대한 한 가지 좋은 예시는 RMI이다. [그림 8-30] 여기서 compass card는 flux valve에 의해 작동하며 두 개의 지시침은 ADF(automatic direction finder)와 VOR(very high frequency omnidirectional range)에 의해 작동한다.

자동으로 북쪽을 탐지하는 기능이 없는 heading indicators를 “free” gyros라 부르며 해당 계기는 주기적인 조정을 필요로 한다. 대략 15분마다 계기의 지시를 확인한 다음 heading indicator를 magnetic compass와 정렬하는 것이 중요하다. 나침반 오류를 방지하기 위해 항공기가 일정한 속도로 직진비행을 유지하고 있을 때 heading indicator를 magnetic compass와정렬한다.

 

heading indicator의 bank 한계와 pitch 한계는 계기에 따라 달라진다. 소형 항공기에서 발견되는 일부 heading indicators는 대략 55도의 pitch 한계와 55도의 bank 한계를 가진다. 이러한 한계들 중 하나가 초과되면 계기가 “tumbles(=spills)” 하며 계기가 리셋되기 전까지는 올바른 지시를 얻을 수 없다. 계기가 tumble한 후 caging knob를 통해 계기를 리셋할 있다. 대부분의 현대 계기들은 tumble 하지 않도록 설계된다.

 

자이로가 충분히 빠르게 회전하지 못하는 경우에는 추가적인 세차 오류가 발생할 수 있다. 진공 시스템의 흡입력이 충분하지 못하면 heading indicator와 attitude indicator의 자이로가 느려지기 시작한다. 회전 속도가 느려질수록 자이로는 회전면으로부터 벗어나기 더 쉬워진다. 일부 항공기에서는 low vacuum이 발생하였음을 나타내기 위해 warning lights를 가지고 있다. 허나 그 외의 항공기에서는 vacuum gauge만 있을 수 있다.

 

Instrument Check

 

자이가 spool up 할 때 비정상적인 소리가 나는지 확인한다. 지상 활주 도중 계기가 올바른 방향으로 선회를 지시해야 하며 세차가 정상적이어야 한다. 진공 시스템을 사용하는 자이로 계기는 idle power에서 충분한 속도에 도달하지 못할 수 있으며 비행중일 때보다 세차가 더 빠르게 발생할 수 있다.