항공기 형식에 따라 다양한 유형의 난방 시스템(heating system)이 사용될 수 있다. 특정 aircraft operator’s manual을 통해 난방 시스템에 대한 지식을 갖추는 것이 중요하다. 난방 시스템들의 수리 및 점검 기준은 서로 다르며 이를 정확하게 준수해야 한다.
Fuel Fired Heaters
fuel fired heater는 한정된 공간에만 난방을 제공하는 거치형장치나 휴대용 장치이다. 연료는 연료 탱크와 연결된 관을 통해, 혹은 항공기 연료 시스템을 통해 히터와 연결된다. 송풍기가 연소실로 공기를 불어넣으면 스파크 플러그나 점화 장치가 연료-공기 혼합물을 연소한다. 장치에 내장된 안전 스위치 덕분에송풍기가 작동하지 않으면 연료가 흐르지 않는다. 연소실 외부에 놓인 두 번째 관은 연소실 외부 표면 주위로 공기를 유도하며 두 번째 송풍기는 따뜻해진 공기를 관으로 불어 넣어서 항공기 내부로 향하게 만든다. 대부분의 가솔린 히터는 시간당 5,000 ~50,000 BTU(British Thermal Units)를 생산할 수 있다.
fuel fired heaters가 작동하기 위해선 전기가 필요하며이는 12V 및 24V 항공기 전기 시스템과 호환된다. 히터는 정기적인 정비를 필요로 한다(예를 들어 규칙적인 연소실 점검, 그리고 주기적인 점화장치 교체). 가솔린 히터는 환기가 필요하므로 환기구가 항공기 내부로 누출되지 않도록 각별히 주의해야 한다. 연소 부산물은 매연, 이산화황, 이산화탄소, 그리고 일산화탄소를 포함한다. 부적절하게 조정된, 부적절하게 연료가 공급되는, 혹은 부적절하게 정비된 fuel heater는 위험할 수 있다.
Exhaust Heating Systems
exhaust heating systems는 가장 단순한 유형의 항공기 난방 시스템으로 대부분의 소형 항공기에서 사용된다. exhaust heating systems는 배기가스를 엔진 및 동체로부터 내보냄과 동시에 엔진 소음을 줄여준다.또한 exhaust heating systems는 객실과 기화기에 난방을 제공한다.
exhaust heating system에 결함이 발생하면 일산화탄소 중독, 엔진 성능 저하, 그리고 화재 가능성 증가의 위험이 발생한다. 이러한 위험들 때문에 정비사는 exhaust heating system이 노후화되는 속도를 확인해야 하며 내부 결함과 외부 결함을 찾아야 한다.
Combustion Heater Systems
combustion heaters나surface combustion heaters는 보통 더 크고 비싼 항공기의 객실에 난방을 제공하기 위해 사용된다. 이러한 유형의 히터는 열을 발생시키기 위해 항공기의 연료를 연소실에서 연소시키며 연소실 주위를 흐르는 공기는 가열된 다음에 기내로 배관된다. combustion heater는 스테인리스 스틸 자켓으로 이루어진 밀폐 연소실이다. 난방을 위해항공기 연료시스템에서의 연료가 점화 및 연소된다. 연소실 주위로 유입된 공기는 열을 뺏어온 다음 객실로 분산된다.
heater control switch가 켜지면 히터에 공기, 점화, 그리고 연료가 공급된다. heater control switch가 켜져 있는 동안 연소실 내에 공기와 점화가 계속 공급된다. 난방이 필요해서 temperature control을 전진시키면 thermostat(= 온도조절기. 난방공기의 온도를 감지하는 장치)이 활성화된다. thermostat는 fuel solenoid를 키며 이로 인해 연료가 연소실로 분사된다. 연료는 연소실 내의 공기와 혼합된 다음 스파크 플러그에 의해 점화되어 열을 생성한다.
부산물인 일산화탄소는 heater exhaust pipe를 통해 항공기에서 배출된다. 연소실 주위를 흐르는 공기는 열을 흡수한 다음 배관을 통해 객실로 전달된다. 조종실에서 설정해둔 온도에 도달하면 thermostat가 fuel solenoid를 끄며 이로 인해 연소실로 향하는 연료 흐름이 중지된다. thermostat이 fuel solenoid를 다시 켤 정도로 난방 공기가 식으면 연소실이 다시 작동한다.
이러한 난방 시스템은 매우 안전하다. 왜냐하면 overheat switch가 모든 combustion heaters에 제공되기 때문이다. overheat switch는 히터의 전기 시스템에 연결되며 난방 시스템에 고장이 발생하였을 때 연료를 차단한다. fuel solenoid가 열린 상태로 유지되거나control switch가 고장나면 overheat switch가 fuel solenoid 및/혹은 fuel pump를 차단해서 시스템으로 공급되는 모든 연료 흐름을 중단시킨다.
combustion heater에서는 일산화탄소 중독이 발생할 가능성이 낮다. 연소관 내부의 압력은 낮으며 이는 exhaust를 통해 바깥으로 배출된다. 연소실을 둘러싼 공기의 압력은 연소실 내부의 압력보다 높으며 램 공기는 연소실 외부의 압력을 높인다. 연소실에 구멍이 생기면 연소실 외부의 고압 공기가 연소실 내부로 이동한 다음 exhaust로 배출된다.
Bleed Air Heating Systems
bleed air heating systems는 터빈 엔진 항공기에서 사용된다. 극도로 뜨거운 compressor bleed air는 chamber로 배관된 다음 외부 공기나 재순환 공기와 혼합된다. 이는 공기를 적절한 온도로 냉각시키기 위함이다. 그런 다음 이 공기 혼합물은 객실로 배관된다. 이러한 유형의 시스템은 몇 가지 안전장치를 가지고 있다. 여기에는 온도 센서(과도한 열이 객실로 유입되는 것을 방지하는 장치), 체크 밸브(엔진 시동 시, 그리고 최대 출력 적용 시 compressor bleed air가 손실되는 것을 방지하는 장치), 그리고 엔진 센서(엔진이 고장 났을 때 bleed system을 비활성화 시키는 장치)가 포함된다.
대부분의 항공기는 14-volt나28-volt의 직류(DC) 전기 시스템을 갖추고 있다. 기본적인 항공기 전기 시스템은 다음과 같은 요소들로 구성된다:
• Alternator/generator
• Battery
• Master/battery switch
• Alternator/generator switch
• Bus bar, fuses, and circuit breakers
• Voltage regulator
• Ammeter/loadmeter
• Associated electrical wiring
엔진에 의해 구동되는 alternators나generators는 전기 시스템에 전류를 공급한다. 또한 이들은 battery의 충분한 전하도 유지한다. battery에 저장된 전기 에너지는 엔진 시동을 위한 전력을 제공하며alternator나 generator가 고장났을 때 이용할 수 있는 전력을 제공한다.
대부분의 DC generators는 낮은 엔진 rpm에서 전체 전기 시스템을 작동하기에 충분한 양의 전류를 생성하지 않는다. 낮은 엔진 rpm으로 작동하는 도중에는 battery로부터 전기를 끌어와야 하며 이로 인해battery가 빠르게 고갈될 수 있다.
alternators는 generators보다 몇 가지 장점을 가진다. alternators는 교류(AC)를 생성한 다음 이를 직류로 변환하여 낮은 엔진 rpm에서도 전체 전기 시스템을 작동하기에 충분한 양의 전류를 생성한다. alternator가 생산하는 전기 출력은 광범위한 엔진 속도에서 꽤나 일정하다.
일부 항공기에는 콘센트가 있다. 여기에 외부 GPU(ground power unit)가 연결될 수 있으며 이는 시동을 위한 전기 에너지를 제공한다. 이는 특히 추운 날씨에서 항공기를 시동할 때 매우 유용하다. GPU를 사용하여 엔진 시동을 걸 때 제조업체의 권장 사항을 따른다.
전기 시스템은 master switch를 통해 켜지거나 꺼진다. master switch를 ON position에 두면 모든 전기 장비 회로에 전기 에너지가 공급된다(단, 점화 시스템 제외). 전기 시스템을 사용하는 장비로는 보통 다음이 포함된다:
• Position lights
• Anticollision lights
• Landing lights
• Taxi lights
• Interior cabin lights
• Instrument lights
• Radio equipment
• Turn indicator
• Fuel gauges
• Electric fuel pump
• Stall warning system
• Pitot heat
• Starting motor
많은 항공기들이 battery switch를 갖추고 있으며이는 master switch와 유사한 방식으로 항공기 전력을 제어한다. 또한 alternator switch도 장착되며이는 alternator가 고장났을 때 조종사가 alternator를 전기 시스템으로부터 차단할 수 있게 해준다. [그림 7-33]
alternator 스위치가 OFF position에 놓이면 모든 전기 부하가 배터리에 걸린다. 배터리를 절약하기 위해 불필요한 전기 장비를 모두 꺼야한다.
전기를 사용하는 장비를main electrical system에 연결하기 위해 bus bar가 항공기 전기 시스템의 접속단자로 사용된다.이는 배선 시스템을 단순하게 해주며전압을 시스템 전체에 분배할 수 있는 공통 지점을 제공한다. [그림 7-34]
회로와 장비를 전기 과부하로부터 보호하기 위해 전기 시스템은 퓨즈(fuse)나 회로 차단기(circuit breaker)를 사용한다. 고장났거나 단절된 퓨즈를 교체하기 위해 항공기에 예비 퓨즈가 탑재되어야 한다. 회로 차단기의 기능은 퓨즈와 동일하다. 허나 이는 전기 시스템에 과부하가 발생하였을 때 교체 대신 리셋을 수행할 수 있다. 퓨즈나 회로 차단기 패널의placards가 회로의 명칭을 식별하며 암페어 한계를 나타낸다.
ammeter는 항공기 전기 시스템의 성능을 모니터링하기 위해 사용된다. ammeter는 alternator/generator가 충분한 전력을 공급하고 있는지 나타낸다. 또한 이는 battery가 충전되고 있는지를 나타낸다.
ammeter의 중앙에는 영점이 있으며 양쪽에 음(-) 기호나 양(+) 기호가 표시된다. [그림 7-35] ammeter의 지시침이 양(+)의 값에 있으면 이는 battery의 충전율을 나타낸다. ammeter의 지시침이 음(-)의 값에 있으면 이는 battery에서 전류가 소모되고 있음을 나타낸다. 지시침이 full-scale minus를 나타내면 이는 alternator/generator의 고장을 나타낸다. 지시침이 full-scale positive를 나타내면 이는 regulator의 고장을 나타낸다. 어떤 경우이든 적절한 조치를 위해 AFM/POH를 참조한다.
모든 항공기에 ammeter가 있는 것은 아니다. 몇몇 항공기는 warning light를 가지고 있다. warning light가 켜지면 이는 generator/alternator 고장으로 인해 시스템 방전이 발생하였음을 나타낸다. 적절한 조치는 AFM/POH를 참조한다.
전기 시스템의 성능을 모니터링하기 위한 또 다른 계기로 loadmeter가 있다. 이러한 유형의 계기에는 0에서 시작하는 눈금이 있으며 이는 alternator/generator에서 가해지는 부하를 나타낸다. [그림 7-35] loadmeter는 전기 부속품과 배터리가 전기 시스템의 발전 용량에 가하는 부하를 백분율로 나타낸다. 모든 전기 부속품들이 꺼지면 이는 battery에서 필요로 하는 충전 전류만을 나타낸다.
voltage regulator는 generator/alternator의 전기 출력을 안정시켜서 battery의 충전 속도를 제어한다. generator/alternator의 전압 출력은 battery의 전압보다 높아야 한다. 예를 들어 12-volt battery는 약 14-voltgenerator/alternator 시스템에 의해 충전된다. 전압의 차이로 인해 battery가 계속 충전된다.
유압은 항공기의 복잡성에 따라 다양하게 사용된다. 예를 들어 유압 시스템은 보통 wheel brakes, retractable landing gear, 그리고 몇몇 constant-speed propellers에서 사용된다. 대형 비행기에서는 유압 시스템이 flight control surfaces, wing flaps, spoilers, 그리고 그 외 시스템에서 사용된다.
기본적인 유압 시스템은 reservoir, pump(hand, electric, 혹은 engine-driven), filter(용액을 청결하게 유지하는 장치), selector valve(흐름 방향을 제어하는 장치), relief valve(과도한 압력을 완화하는 장치), 그리고 actuator로 구성된다. [그림 7-36]
유압유는 유압 시스템을 통해 actuator나servo로 펌프 된다. servo란 피스톤을 갖춘 실린더로이는 유체동력을 일(work)로 전환하여 항공기 시스템이나 조종면을 움직이는데 필요한 동력을 생성한다. servo는 시스템에 따라 단동(single-acting)이거나 복동(double-acting)일 수 있다. 즉, servo의 유형에 따라 servo의 한 쪽이나 양 쪽에 유체가 적용될 수 있다. single-acting servo는 한 방향으로 동력을 공급한다. selector valve를 통해 유압유의 방향이 제어될 수 있으며이는 유압유가 두 가지 방향으로 작용해야 하는 작동(예를 들어 landing gear가 올라가고 내려가는 것)에서 필요하다. 시스템 내에 과도한 오일 압력이 발생하게 되면 relief valve가 배출 수단을 제공한다. 다양한 항공기들의 개별 조건들을 충족시키기 위해 각 시스템은서로 다른 구성 요소들을 갖춘다.
소형 항공기에서는 미네랄을 기반으로 하는 유압유가 가장 널리 사용된다. 등유와 유사한 이 유압유는 윤활성이 우수하다. 여기에는 거품 발생이 억제되고부식이 방지되는 첨가제가 함유된다. 이 유압유는 화학적으로 안정적이고, 온도에 의한 점도 변화가 거의 없으며, 식별을 위해 염색된다. 항공기에는 제조업체가 지정한 유압유 형식만이 사용되어야 한다. AFM/POH나Maintenance Manual을 참조한다.
Landing Gear
landing gear는 지면에서 항공기의 주요 지지대를 형성한다. 보통 landing gear는 바퀴들로 구성되어 있지만floats(수상 운영을 위한 장치)나skis(눈 착륙을 위한 장치)로 구성될 수도 있다. [그림 7-37] 소형 항공기의 landing gear는 세 개의 바퀴들로 구성된다: 두 개의 main wheels(fuselage의 양 쪽에 하나씩 배치), 그리고 비행기의 전방이나 후방에 위치하는 세 번째 바퀴. 후방에 바퀴가 장착된 landing gear를 conventional landing gear라 부른다. conventional landing gear를 갖춘 비행기를 보통 tailwheel airplanes라 부른다. 세 번째 바퀴가 전방에 위치하는 경우에는 이를 nosewheel이라 부르며 이러한 설계를 tricycle gear라 부른다. steerable nosewheel이나 steerabletailwheel을 사용하면 비행기가 지상에서도 제어될 수 있다.
Tricycle Landing Gear
tricycle landing gear를 사용하면 세 가지 이점이 있다:
1. 고속으로 착륙하는 도중 브레이크를 강하게 작동하여도 nose over가 발생하지 않는다.
2. 이륙, 착륙, 그리고 지상 활주도중 조종사의 전방 시야가 향상된다.
3. 지상 운영 도중 더 많은 방향 안정성을 제공하여 ground looping(swerving)을 방지하는 경향이 있다. 왜냐하면 항공기의 CG가 main wheels 앞에 있기 때문이다. 이 덕분에 비행기는 ground loop를 하지 않고 일직선으로 전진한다.
nosewheel에는steerable nosewheel과castering nosewheel이 있다. steerable nosewheels는 cable이나 rod에 의해 rudder와 연결되는반면 castering nosewheels는 자유롭게 회전할 수 있다. 어떠한 경우이든 항공기는 rudder pedals를 통해 조향된다. castering nosewheel을 갖춘 비행기에서는 조향을 위해 rudder pedals와 양 쪽 브레이크를 함께 사용해야 할 수 있다.
Tailwheel Landing Gear
tailwheel landing gear airplanes는 두 개의 main wheels를 가지며이들은 CG의전방에 부착된다. fuselage의 맨 뒤쪽에 있는 tailwheel은 세 번째 지탱 지점을 제공한다. 이러한 배치는 커다란 프로펠러에 충분한 지면 간격을 제공한다. 그리고 경작되지 않은 지역을 운영할 때에는 tailwheel landing gear가 훨씬 바람직하다. [그림 7-38]
CG가 main landing gear의 뒤에 위치하면 지상 운영 도중 방향 제어가 어렵다. 이는 tailwheel landing gear의 주요 단점이다. 예를 들어 낮은 속도로 활주하던 도중 항공기의 방향이 홱 틀어지면CG가main gear를 앞서나가려 할 것이며이로 인해 ground loop가 발생할 수 있다.
지상 근처에서 전방 시야가 감소하는 것은 tailwheel landing gear airplanes의 두 번째 단점이다. 이러한 단점 때문에 tailwheel airplanes를 운영하기 위해서는 특별한 훈련이 필요하다.
Fixed and Retractable Landing Gear
또한 landing gear는 fixed나retractable로 분류될 수 있다. fixed의 경우 landing gear가 항상 연장된 상태로 유지된다. 이는 단순하고 관리하기 쉽다는 장점이 있다. retractable의 경우 landing gear를 항공기 구조 내로 집어넣어서 비행기가 유선형이 되도록 설계되었다. [그림 7-39]
Brakes
비행기의 브레이크는 main wheels에 위치하며hand control이나foot pedals(발가락이나 발꿈치)에 의해 작동한다. foot pedals는 개별적으로 작동하므로 차등 제동이 가능하다. 지상 운영 도중 차등 제동이 nosewheel/tailwheel steering을 보완할 수 있다.
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 위해supercharger가 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.
승무원과 승객들은 저산소증을 방지하기 위하여 여압 시스템과 산소 시스템을 사용한다. 규정에 따라 비행 승무원은 12,500ft ~ 14,000ft의 cabin pressure altitude에 30분간 노출된 후에는 보조 산소를 사용해야 한다. 14,000ft를 초과하는cabin pressure altitude에 노출되었다면 즉시 보조 산소를 사용해야 한다. 15,000ft를 초과하는cabin pressure altitude에 노출되었다면 모든 항공기 탑승자가 보조 산소를 사용해야 한다. 허나 사람의 신체적 특징 및 상태에 따라 훨씬 더 낮은 고도에서도 산소 부족의 영향을 느낄 수 있다. 주간에 10,000ft 이상을 비행할 때 몇몇 사람들은산소 부족으로 인하여 방향감각상실을 경험할 수 있다. 야간에는 이러한 영향이 5,000ft까지 낮아질 수 있다(특히 피곤할 경우). 따라서 주간에는 10,000ft cabin altitude 이상일 때, 그리고 야간에는 5,000ft cabin altitude 이상일 때 보조 산소를 사용하는 것이 좋다.
다음은 항공안전법 시행규칙 제114조(산소 저장 및 분배장치 등)을 발췌한 내용이다(시행 2024.11.13)
제114조(산소 저장 및 분배장치 등)①법 제52조제2항에 따라 고고도(高高度)비행을 하는 항공기(무인항공기는 제외한다.이하 이 조에서 같다)는 다음 각 호의 구분에 따른 호흡용 산소의 양을 저장하고 분배할 수 있는 장치를 장착하여야 한다.
1. 여압장치가 없는 항공기가 기내의 대기압이 700헥토파스칼(hPa) 미만인 비행고도에서 비행하려는 경우에는 다음 각 목에서 정하는 양
가. 기내의 대기압이 700헥토파스칼(hPa) 미만 620헥토파스칼(hPa) 이상인 비행고도에서 30분을 초과하여 비행하는 경우에는 승객의 10퍼센트와 승무원 전원이 그 초과되는 비행시간 동안 필요로 하는 양
나. 기내의 대기압이 620헥토파스칼(hPa) 미만인 비행고도에서 비행하는 경우에는 승객 전원과 승무원 전원이 해당 비행시간 동안 필요로 하는 양
2. 기내의 대기압을 700헥토파스칼(hPa) 이상으로 유지시켜 줄 수 있는 여압장치가 있는 모든 비행기와 항공운송사업에 사용되는 헬리콥터의 경우에는 다음 각 목에서 정하는 양
가. 기내의 대기압이 700헥토파스칼(hPa) 미만인 동안 승객 전원과 승무원 전원이 비행고도 등 비행환경에 따라 적합하게 필요로 하는 양
나. 기내의 대기압이 376헥토파스칼(hPa) 미만인 비행고도에서 비행하거나 376헥토파스칼(hPa) 이상인 비행고도에서 620헥토파스칼(hPa)인 비행고도까지 4분 이내에 강하할 수 없는 경우에는 승객 전원과 승무원 전원이 최소한 10분 이상 사용할 수 있는 양
※ 다음은 고정익항공기를 위한 운항기술기준을 발췌한 내용이다(시행 2024.3.11).
7.1.14.6산소저장 및 분배장치(Oxygen Storage and Dispensing Apparatus)
주. 이장에서 사용되는 절대 압력치에 상응하는 표준대기에서의 근사치 고도는 다음과 같다.
절대압력치 (Absolute pressure)
미터 (Meters)
피트 (Feet)
700 hPa
3,000
10,000
620 hPa
4,000
13,000
376 hPa
7,600
25,000
대부분의 고고도 항공기는 산소 장치를 갖추고 있다. 만약 항공기에 산소 장치가 없다면 휴대용 산소 장비를 비행 도중 쉽게 사용할 수 있어야 한다. 휴대용 장비는 보통 container, regulator, mask outlet, 그리고 pressure gauge로 구성된다. 산소는 보통 1,800 ~ 2,200 psi의 고압 용기(container)에 저장된다. 산소 용기를 둘러싼 주변 온도가 감소하면 용기 내의 압력이 감소한다. 왜냐하면 기체의 부피가 일정할 경우 압력은 온도에 따라 직접적으로 변화하기 때문이다. 보조 산소 용기에 표시되는 압력이 감소하는 것은 실제 산소가 고갈되기보다는 산소 용기가 차가운 곳에 보관되어 있기 때문일 수 있다. 산소 용기에는 psi 한계(예를 들어 1,800 psi)가 표시되어야 한다. 산소 용기에는 SAE AS8010, Aviator’s Breathing Oxygen Purity Standard 이상의 산소가 공급되어야 한다. 안전을 위해 산소 시스템이 주기적으로 검사 및 정비되어야 한다.
산소 시스템은 mask나cannula, 그리고 regulator(cabin altitude에 따라 산소를 공급하는 장치)로 구성된다. 40,000ft까지 사용되도록 승인된 대부분의 regulators는 8,000ft 이하의 cabin altitude에서 0%의 실린더 산소와 100%의 객실 공기를 제공하도록 설계되어 있다. 이 비율은 대략 34,000ft의 cabin altitude에서 100%의 산소와0%의 객실 공기로 변화한다. [그림 7-43] 45,000ft까지 사용되도록 승인된 대부분의 regulators는 낮은 고도에서 40%의 실린더 산소와 60%의 객실 공기를 제공하도록 설계되어 있다. 이 비율은 고도가 높아짐에 따라 100%로 변화한다.
산소를 이용할 경우 조종사는화재의 위험을 인지해야 한다. 일반적인 공기에서는 거의 불에 타지 않는 물질들도 산소에서는 연소하기 쉽다. 오일과 그리스는 산소에 노출되면 발화할 수 있으므로 산소 장비의 밸브나 이음쇠를 봉하는데 이를 사용할 수 없다. 산소 장비를 사용할 때에는 흡연을 금지해야 한다. 매 비행 전에 조종사는 모든 산소 장비를 철저히 점검 및 테스트해야 한다. 이용 가능한 산소량, 시스템 작동 점검, 그리고 보조 산소를 손쉽게 이용할 수 있는지에 대한 여부가 철저히 점검되어야 한다. 이러한 점검은 깨끗한 손으로 수행되어야 한다. 또한 마스크와 튜브의 구멍 ∙ 균열 ∙ 손상을 육안으로 점검해야 하고, regulator valve/lever의 condition과 position을 점검해야 하, 산소의 양을 점검해야 하고, oxygen pressure gauge ∙ flow indicators ∙ connections의 위치와 작동 상태를 점검해야 한다. mask를 착용한 다음 시스템을 테스트해야 한다. 산소를 사용한 후에는 모든 구성 요소들과 밸브가 차단되었는지 확인한다.
Oxygen Masks
산소마스크에는 다양한 유형과 디자인이 있다. 산소마스크에서 가장 중요한 요소는 마스크와 산소 시스템이 호환되는지 확인하는 것이다. 승무원 마스크는 사용자의 얼굴에 밀착되어 산소 누출이 최소화 되도록 설계되어 있으며 보통 마이크가 포함되어 있다. 대부분의 마스크는 oronasal type이며 이는 입과 코만 덮는다.
승객 마스크는 간단한 컵 모양의 고무 성형품일 수 있으며이는 모두가 사용할 수 있을 정도로 충분히 유연하다. 승객 마스크는 신축성이 좋은 머리끈을 가진 형식이거나, 혹은 본인이 직접 얼굴에 갖다 대야하는 형식일 수 있다.
감염의 위험을 줄이기 위해, 그리고 마스크의 사용 수명을 연장하기 위해 산소마스크를 청결하게 유지해야 한다. 순한 비누와 물이 섞인 용액으로 마스크를 씻은 후 맑은 물로 헹군다. 마이크가 설치된 경우에는 흐르는 물 대신 깨끗한 면봉을 통해 비눗물을 닦아낸다. 마스크는 소독도 되어야 한다. Merthiolate 수용액에 적신 거즈 패드를 통해 마스크를 닦을 수 있다. 이 용액에는 물 1쿼트 당 1/5 티스푼의 Merthiolate가 사용되어야 한다. 깨끗한 천으로 마스크를 닦고 공기 건조시킨다.
Cannula
cannula란 사용자에게 산소를 공급하기 위해 코 아래로 연결되는 인체공학적 플라스틱 관이다. [그림 7-44] cannula는 보통 마스크보다 편안하다. 허나 높은 고도를 운영하는 경우에는 마스크만큼 안정적으로 산소를 제공하지 못할 수 있다. 오래된 규정에 따라 증명된 비행기에는 산소 시스템과 함께 cannula가 설치되어 있다. 허나 현재의 규정에서는 18,000ft 이상의 운영에 대해 증명 받은 항공기로 하여금 cannula 대신 산소마스크를 장비하도록 요구하고 있다. cannula의 산소 공급 라인에는 보통 flow meter가 있다. 이것이 장착되어 있다면 주기적으로 green flow detector를 점검해야 한다.
Diluter-Demand Oxygen Systems
diluter-demand oxygen system은 사용자가 마스크를 통해 숨을 들이마쉬는 경우에만 산소를 공급한다. automix lever를 사용하면 regulator가 고도에 따라 자동으로 실내 공기와 산소를 혼합하거나100% 산소를 공급할 수 있다. 이 마스크는 외부 공기와의 희석을 방지하기 위해 얼굴과 단단히 밀착되며40,000ft까지 안전하게 사용될 수 있다. 턱수염이나 콧수염이 있는 조종사는 산소마스크의 밀착이 방해되지 않도록 수염을 손질해야 한다. 턱수염이나 콧수염 주위로 마스크가 제대로 밀착되는지 지상에서 확인해야 한다.
Pressure-Demand Oxygen Systems
pressure-demand oxygen system은 diluter demand oxygen 장비와 유사하다(단, 34,000ft 이상의 cabin altitudes에서는 산소가 압축되어서 마스크에 공급된다는 점 제외). pressure-demand regulators는 밀폐된 공간을 만들 뿐만 아니라 산소를 양압으로 공급해서 사용자의 폐가 산소로 가압될 수 있게 해준다. 이 기능 덕분에 pressure demand regulators는 40,000ft를 초과하는 고도에서도 안전하다. regulator가 계기판이나 그 외 영역에 장착되지 않고 마스크에 직접 부착되는 pressure demand mask도 존재한다. mask-mounted regulator는 100% 산소가 마스크로 유입되기 전에 호스의 공기가 제거되어야 하는 문제를 제거한다.
Continuous-Flow Oxygen System
continuous-flow oxygen system은 보통 승객을 위해 제공된다. 승객 마스크에는 보통 reservoir bag이 있는데이는 사용자가 숨을 내쉬는 동안 continuous-oxygen system으로부터 산소를 수집한다. 숨을 들이마시는 도중에는 reservoir bag에 모인 산소 덕분에 산소가 더 빠르게 공급되며 공기의 희석량도 줄어든다. reservoir bag에 모인 산소가 고갈된 이후에는 숨을 들이마실 때 외부 공기가 산소 공급에 추가된다. 내뱉은 공기는 객실로 방출된다. [그림 7-45]
Electrical Pulse-Demand Oxygen System
휴대용 electrical pulse-demand oxygen system은 개개인의 호흡 노력을 감지하여 산소를 공급한다. 이 시스템은 숨을 들이마시는 초기 단계에 산소를 제공한다. pulse demand systems는 호흡 도중 산소를 낭비하지 않는다. 왜냐하면 숨을 들이마시는 도중에만 산소가 공급되기 때문이다. continuous-flow systems와 비교하였을 때 pulse-demand 방식은 필요한 산소의 양을 50 ~ 85%까지 줄일 수 있다. 대부분의 pulse-demand oxygen systems는 internal barometer를 가지고 있다. 이는 고도가 높아질수록 매 맥박(pulse)에 대해 전달되는 산소의 양을 증가시켜서 고도 변화를 자동으로 보상한다. [그림 7-46]
Pulse Oximeters
pulse oximeter는 개개인의 혈액 속 산소량과 심장 박동 수를 측정하는 장치이다. 이 비침습(non-invasive) 장치는 적혈구가 산소로 포화되었을 때 겪는 색 변화를 측정한다. pulse oximeter는 적혈구의 색을 평가하기 위해 손가락 끝에 특별한 빛을 내보낸다. 이는 실제 혈액을 채취해서 직접 산소 포화도를 측정하는 방식과 비교하였을 때 1% 이내의 오차를 가질 정도로 정밀하다. pulse oximeter는 그 휴대성과 속도 덕분에 보조 산소를 필요로 하는 12,500ft 이상의 비여압 항공기 조종사에게 매우 유용하다. pulse oximeter를 통해 항공기 승무원과 승객들의 실제 보조 산소 필요성을 평가할 수 있다. [그림 7-47]
Servicing of Oxygen Systems
항공기에 산소를 공급하기 전에 특정 항공기의 취급 설명서를 참조해서필요한 장비의 유형과 사용 절차를 확인한다. 산소 시스템에 산소를 공급할 때에는 항상 특정 예방 조치를 준수해야 한다. 산소 공급은 항공기가 격납고 밖에 있을 때에만 수행되어야 한다. 산소를 취급할 때에는 청결과 자재 관리가 필수적이다. 가압된 산소가 석유 제품과 접촉하면 자연 발화를 생성한다. 산소 공급 직원은 산소 장비 주변에서 작업하기 전에 손의 먼지, 오일, 그리고 그리스(입술크림과 헤어오일 포함)를 반드시 씻어야 한다. 또한 옷과 도구에 기름, 그리스, 그리고 먼지가 없어야 한다. 산소 탱크가 설치된 항공기에 산소를 공급하기 위해선 보통 두 사람이 필요하다. 한 명은 산소를 공급하는 장비의 control valve에 있어야 하고 다른 한 명은 항공기 시스템의 pressure gauge를 확인할 수 있는 곳에 있어야 한다. 항공기 급유 중에, 혹은 발화 원인이 될 수 있는 그 외의 작업 도중에는 산소를 공급하지 않는 것이 좋다. 승객들이 항공기에 탑승한 상태에서 산소를 공급하는 것은 권장되지 않는다.
anti-icing equipment는 얼음의 형성을 방지하기 위해 설계되었다. 반면 deicing equipment는 이미 형성된 얼음을 제거하기 위해 설계되었다. 이러한 시스템들은 날개의 앞전, 꼬리표면, 동정압 개구부, fuel tank vents, stall warning devices, windshields, 그리고 프로펠러 블레이드를 보호한다. 일부 항공기에는 ice detection lighting이 설치될 수 있으며 이는 야간 비행 도중 구조적 착빙의 정도를 결정하기 위한 장치이다.
(ATP: 비행 전 점검 도중 항공기 표면의 착빙[특히 맑은 착빙]을 탐지하는 것은 어렵다. 때문에 항공기 표면에 손전등을 비춘 다음 빛이 반사되는지 확인하는 것이 좋다. 빛이 반사된다면 표면에 착빙이 존재하는 것이다.)
대부분의 소형 항공기는 pitot tube만 가열되며 착빙 조건에서의 비행에 대해 증명되지 않는다. 이러한 소형 항공기는 늦가을, 겨울, 그리고 초봄의 서늘한 기후에서는 야외비행 능력이 제한된다. 착빙에 대해 증명되지 않은 항공기는 즉시 착빙 조건을 빠져나가야 한다. 자세한 내용은 AFM/POH를 참조한다.
Airfoil Anti-Ice and Deice
inflatable deicing boots는 에어포일 앞전에 접착된 고무 시트로 구성된다. 에어포일 앞전에 얼음이 쌓이면 engine-driven pneumatic pump가 rubber boots를 팽창시킨다. 터보프롭 항공기는 보통 엔진 bleed air를 날개로 보내서 rubber boots를 팽창시킨다. ruber boots가 팽창하면 얼음이 갈라지고 앞전에서 떨어져나간다. deicing boots는 조종실의 스위치로 제어되며이는 한 번 작동하거나, 혹은 주기적으로 작동하도록 설정될 수 있다. [그림 7-48]
과거에는 착빙을 마주한 후에 boots를 너무 빨리 사용하면 얼음 층이 깨지지 않고 팽창하여 “bridging”이라 불리는 상태가 발생한다 믿었다. 따라서 차후에 deice boot를 사용하더라도 얼음 축적을 제거하는데 효과가 없을 것이라 여겨졌다. 현대의 boots를 사용한 후에도 residual ice가 일부 남을 수는 있지만 “bridging”은 발생하지 않는다. 조종사는 얼음이 쌓이는 것을 확인하는 즉시 boots 사용할 수 있다. deice boots의 작동 방법에 대한 정보는 AFM/POH를 참조한다.
※ residual ice - deicing system을 작동시킨 후 protected surface에 남아있는 얼음(출처: AIM 7-1-20)
(ATP: FAA는 착빙을 처음 발견하였을 때 deicing system을 작동시키도록 권장한다. pneumatic boot를 몇 번 사용한 후에도 일부 residual ice가 계속 남아있으므로 날개가 완전히 깨끗해지지는 않는다. residual ice의 양은 대기속도 및/혹은 온도가 감소함에 따라 증가한다. 이러한 조건들은 얼음 축적에 더 유리하기 때문이다. 소형 비행기의 전형적인 대기속도에서 얼음을 효과적으로 제거하기 위해선 boots를 여러 번 작동시켜야 할 수 있다.)
deicing boot systems는 boot가 올바르게 작동하는지 나타내기 위해 pneumatic pressure gauge와 suction gauge를 사용한다. 이러한 계기들에는 boot의 운영 한계를 나타내는 범위가 표시되어 있다. boot가 올바르게 작동하는지 나타내기 위해 annunciator light를 갖추는 시스템들도 있다.
이 시스템을 지속적으로 사용하기 위해선 deicing boots의 올바른 정비 및 관리가 중요하다. deicing boots는 비행 전에 면밀하게 점검되어야 한다.
또 다른 유형의 날개 앞전 보호 장치는 thermal anti-ice system이다. 열은 에어포일에 얼음이 쌓이는 것을 방지하는 가장 효과적인 방법 중 하나이다. 고성능 터빈 항공기는 보통 엔진 압축기로부터 앞전 표면을 향해 뜨거운 공기를 보낸다. 뜨거운 공기는 얼음 형성이 방지될 정도로 앞전 표면을 가열한다. ThermaWing이라 불리는 새로운 유형의 thermal anti-ice system은 전기로 가열되는 흑연 포일 래미네이트를 사용하며이는 날개와 수평 안정판의 앞전에 적용된다. ThermaWing systems는 보통 두 가지 영역에 열을 제공한다. 하나는 앞전으로 이 영역에는 열이 끊임없이 제공된다. 이 뒤쪽에 있는 두 번째 영역에는 주기적으로 열이 제공되며 결국 공기역학적 힘이 얼음을 제거한다. 착빙 조건에 진입하기 전에 thermal anti-ice systems를 켜야 한다.
다른 유형의 앞전 보호 장치로 weeping wing이 있으며이는 thermal anti-ice boots와 deicing boots처럼 일반적이지 않다. weeping-wing은 날개 앞전에 위치한 작은 구멍들을 통해 얼음의 형성 및 축적을 막는다. 부동액이 날개 앞전에 전달된 후 구멍을 통해 배출된다. weeping wing은 deicing도 수행할 수 있다. 앞전에 얼음이 축적되었을 때 부동액을 사용하면 얼음과 기체(airframe)의 결합이 화학적으로 분해되며 결국 공기역학적 힘이 얼음을 제거한다. [그림 7-49]
Windscreen Anti-Ice
windscreen anti-ice systems에는 크게 두 가지 형식이 있다. 첫 번째 시스템은 windscreen에 알코올을 분사한다. 이 시스템이 충분히 일찍 사용되면 windscreen에 얼음이 쌓이는 것이 방지된다. 알코올이 흐르는 속도는 조종실의 다이얼로 제어될 수 있으며 이는 항공기 제조업체가 권장하는 절차에 따라 이루어져야 한다.
또 다른 효율적인 anti-icing equipment로 electrical heating method가 있다. 작은 와이어나 그 외 전도성 물질이 windscreen 내에 박혀 있다. 조종실의 스위치를 통해 히터를 켜면 전류가 전선을 통해 windshield를 가로지른다. 이는 windscreen에 얼음이 형성되지 않도록 충분한 열을 제공한다. windscreen 가열은 비행 도중에만 사용되어야 한다. 지상 운영 도중에 windscreen이 가열되면 과열로 인해 windscreen이 손상될 수 있다. 경고: 전류로 인해 나침반 자차가 40도까지 발생할 수 있다.
Propeller Anti-Ice
프로펠러는 알코올이나 전기 가열 소자를 통해 착빙으로부터 보호된다. 일부 프로펠러는 discharge nozzle을 장착하며 이는 블레이드의root 쪽으로 향한다. 노즐에서 분사된 알코올은 원심력으로 인해 블레이드의 앞전을 따라 이동한다. 알코올이 흐르는 것을 돕기 위해 boots에는 홈이 파여져 있다. 이는 프로펠러의 앞전에 얼음이 형성되는 것을 방지한다. 프로펠러에 propeller anti-ice boots가 장착될 수도 있다. propeller boot는 두 섹션(inboard section과 outboard section)으로 나뉜다. boots에는 전선이 내장되어 있으며이는 프로펠러를 가열하기 위한 전류를 전달한다. prop anti-ice ammeter를 통해prop anti-ice system이올바르게 작동하는지 확인할 수 있다. 비행 전 점검 도중에 propeller boots가 올바르게 작동하는지 점검한다. 만약 boot가 하나의 블레이드를 가열하지 못한다면 불균등한 블레이드 부하로 인해 심각한 프로펠러 진동이 발생할 수 있다. [그림 7-50]
Other Anti-Ice and Deice Systems
pitot and static ports, fuel vents, stall-warning sensors, 그리고 그 외 옵션 장비가 전기 소자에 의해 가열될 수 있다. 전기 가열 시스템의 작동 상태 점검은 AFM/POH에 따라 수행되어야 한다.
착빙 조건에 진입하기 전에 anti-icing systems와 deicing systems의 작동 상태를 점검해야 한다. 구조적 착빙이 발생하였다면 즉각적인 조치가 필요하다. anti-icing 장비와deicing 장비는 착빙 조건에서 장시간 비행하도록 설계된 것이 아니다.
모든 항공기는 비행을 지원하기 위한 필수 시스템을 필요로 한다. 여기에는 엔진, 프로펠러, 흡입 시스템, 점화 시스템,연료 시스템, 윤활 시스템, 냉각 시스템, 전기 시스템, 착륙 기어 시스템, 그리고 환경 조절 시스템이 포함된다. 비행 중인 항공기의 시스템을 이해하는 것은 항공기의 안전한 운항과 올바른 정비에 매우 중요하다. 비행 중인 항공기와 관련된 특정 정보는 AFM/POH를 참조한다. 다양한 제조업체 웹사이트와 소유자 그룹 웹 사이트도 추가적인 정보의 출처가 될 수 있다.