(5) Magnetism

Magnetism

 

지구는 자기장으로 둘러싸인 거대한 자석이다. 자기장은 자기력선으로 이루어져 있으며 이러한 자기력선들은 자북에서 자남으로 들어간다.

 

자기력선은 두 가지 중요한 특성은 가진다: 자유롭게 회전하는 모든 자석은 자기력선에 연장됨, 자기력선을 가로지르는 모든 전도체에는 전류가 유도됨. 항공기에 설치된 대부분의 direction indicators는 이 두 가지 특성 중 하나를 사용한다.

 

The Basic Aviation Magnetic Compass

 

방향을 지시하는 가장 오래되고 간단한 계기들 중 하나는 자기 나침반이다. 나침반은 VFR 비행과 IFR 비행에 필요한 기본 계기이다(14 CFR part 91).

 

Magnetic Compass Overview

 

자석이란 보통 철을 포함하는 금속이며 이는 자기력선을 끌어당긴다. 모든 자석들은 그 크기와 상관없이 두 개의 극을 가진다: 북극과 남극. 하나의 자석이 다른 자석의 자기장에 놓이면 서로 다른 극들은 서로를 끌어당기고 서로 같은 극들은 서로를 밀어낸다.

 

항공기 자기 나침반 안에는 두 개의 작은 자석이 있으며 이들은 metal float에 부착된다. metal float는 투명한 나침반 액체(등유와 비슷함)가 담긴 그릇 안에 밀봉된다. [그림 5-16] card라 불리는 눈금이 float를 감싸며 이를 계기의 lubber line을 통해 확인할 수 있다. card에는 기본 방위(north, east, south, west)를 나타내는 문자들과 30도 간격의 숫자들이 표시된다. 숫자들의 마지막 “0”은 생략된다: 예를 들어 3=30도이고, 6=60도이며, 33=330도이다. 문자와 숫자 사이에는 긴 눈금과 짧은 눈금이 있다. 긴 눈금은 10도를 나타내며 짧은 눈금은 5도를 나타낸다.

(출처: Aeronautics Guide)

Magnetic Compass Construction

 

float and card assembly의 중앙에는 pivot이 있는데 이는 스프링이 장착된 jewel cup 내에서 작동한다. flot의 부력으로 인해 pivot에 가해지는 무게는 거의 없으며 나침반 액체가 float와 card의 진동을 감쇠시킨다. 이러한 jewel-and-pivot 설계를 통해 float가 자유롭게 회전할 수 있으며 대략 18도의 bank angle까지 기울여질 수 있다. 더 깊은 bank angle에서는 나침반 지시가 불규칙해진다.

 

compass housing은 나침반 용액으로 가득 차 있다. 온도 변화로 인해 용액이 팽창 및 수축하여 나침반이 손상되는 것을 방지하기 위해 나침반 뒷면이 flexible diaphragm이나 metal bellows로 밀봉된다.

 

Magnetic Compass Theory of Operations

 

자석은 지구 자기장과 정렬되며 조종사는 lubber line을 통해 방향을 읽는다. 조종사는 compass card의 뒤편에서 compass card를 바라보고 있다는 것을 주의하라. 조종사가 북쪽을 향하여 비행할 때 동쪽은 조종사의 오른쪽이다. 허나 card의 “33”은 "N"의 오른쪽에 있다. 왜냐하면 card는 가만히 있으나 compass housing과 조종사가 card를 중심으로 회전하기 때문이다. 이러한 구조 때문에 나침반은 읽기에 헷갈릴 수 있다.

 

Magnetic Compass Errors

 

자기 나침반은 계기판에서 가장 간단한 계기이지만 많은 오류를 가진다: Variation, Deviation, Dip errors, Northerly Turning Errors, Southerly Turning Errors, Acceleration Error, 그리고 Oscillation Error.

 

Variation

 

지구는 지리적 축선을 중심으로 회전한다. 지도와 차트들은 지리적 극점을 통과하는 자오선을 통해 그려진다. 진북으로부터 측정된 방향을 true directions라 부른다. 자기 나침반이 가리키는 북극은 지리적 북극과 일치하지 않으며 약 1,300마일 떨어져 있다. 자북으로부터 측정된 방향을 magnetic directions라 부른다. 공중 항법에서는 진북과 자북의 차이를 편차(variation)라 부른다(육상 항법에서는 이를 declination이라 부름).

 

그림 5-17은 등편차선(isogonic line)을 보여주며 이는 편차의 양을 나타낸다. 시카고 근처를 지나는 선을 무편차선(agonic line)이라 부른다. 이 선에서는 두 극이 정렬되어 있으며 편차가 없다. 이 선으로부터 동쪽에 위치하는 경우에는 자북이 지리학상 북극의 서쪽에 있다. 따라서 true direction을 얻으려면 나침반 지시를 수정해야 한다.

예를 들어 워싱턴 D.C.를 비행할 때에는 편차가 10도 서쪽이다. 만약 조종사가 남쪽(180도)으로 향하는 true course를 비행하고자 한다면 여기에 편차를 더해서 190도의 magnetic course를 비행해야 한다. 로스앤젤레스 캘리포니아를 비행할 때에는 편차가 14도 동쪽이다. 만약 조종사가 180도의 true course를 비행하고자 한다면 여기에 편차를 빼서 166도의 magnetic course를 비행해야 한다. 편차는 항공기의 heading과 무관하며 등편차선을 따라 어느 곳에서든 같다.

 

Deviation

 

나침반의 자석은 모든 자기장에 정렬된다. 전류의 흐름, 자화된 부품, 그리고 자기장과의 충돌은 항공기 내에 자기장을 만들어낸다. 이러한 항공기 자기장들은 자차(deviation)이라 불리는 나침반 오류를 만든다.

 

자차는 항공기 heading에 따라 달라진다. 그리고 항공기의 지리적 위치는 자차에 영향을 미치지 않는다. 누구도 편차를 줄이거나 변화시킬 수는 없다. 허나 AMT(aviation maintenance technician)은 “swinging the compass”라 알려진 정비 작업을 통해 편차를 최소화할 수 있다.

 

AMT는 compass를 swing 하기 위해 보통 항공기를 compass rose에 위치시킨다. [그림 5-18] compass rose는 매 30도마다 표시되는 일련의 선들로 구성되어 있으며 자북을 기준으로 한다. compass rose에서는 자기 간섭이 적다. 조종사는 항공기를 compass rose로 이동시킨 후에 AMT가 지정하는 heading으로 항공기를 배치시킬 수 있다.

항공기가 compass rose heading에 정렬되면 AMT는 나침반의 위나 아래에 위치한 compensator assembly를 조정한다. compensator assembly는 두 개의 축을 가진다. 이들의 끝에는 드라이버 슬롯이 있으며 나침반의 앞부분을 통해 이용할 수 있다. 각 축은 한 개나 두 개의 작은 compensating magnets를 회전시킨다. 하나의 축 끝부분은 E-W로 표시되어 있다. 이 축의 compensating magnets는 항공기가 동쪽이나 서쪽으로 향할 때 나침반에 영향을 미친다. 다른 축의 끝부분은 N-S로 표시되어 있으며 이 축의 compensating magnets는 항공기가 북쪽이나 남쪽으로 향할 때 나침반에 영향을 미친다.

 

compensating magnets를 조정하여 나침반 지시와 실제 magnetic heading의 차이를 최소화한다. AMT는 나머지 오류를 compass correction card에 기록한 다음 이를 나침반 근처의 홀더에 넣는다. [그림 5-19] 오직 AMT만이 나침반을 조정하거나 compass correction card를 작성할 수 있다. 조종사는 card에 기록된 자차를 통해 compass headings를 결정 및 비행한다. 또한 조종사는 자기 간섭을 일으키는 장비들(예를 들어 라디오, deicing equipment, pitot heat, 레이더, 혹은 자성을 띠는 화물)을 주의해야 한다.

자차와 편차는 아래와 같이 true course부터 올바른 순서로 수정되어야 한다.

 

Step 1: Determine the Magnetic Course

True Course(180도) ± Variation(+10도) = Magnetic Course(190도)

 

적용할 자차가 없다면 190도의 magnetic course로 비행한다. 190도의 compass course를 위해선 compass card를 반드시 고려해야 한다.

 

Step 2: Determine the Compass Course

 

Magnetic Course(step1의 190도) ± Deviation(correction card의 -2도) = Compass Course(188도)

 

NOTE: compass card에 나열된 magnetic courses의 중간 값을 계산해야 한다. 따라서 true course 180을 비행하기 위해선 compass course 188을 따라야 한다.

 

compass course를 알고 있을 때 true course를 찾는 방법:

 

Compass Course ± Deviation = Magnetic Course ± Variation = True Course

 

Northerly Turning Errors

 

float assembly의 무게중심은 피벗점보다 낮다. 비행기 선회 도중에는 복각으로 인한 힘 때문에 float가 돌아가는 방향과 같은 쪽으로 float assembly가 휙 움직인다. 이로 인해 false northerly turn indication이 발생한다. 이러한 float assembly의 선도(lead) 오류 때문에 특정 heading에 도달하기 전에 northerly turn을 멈춰야 한다. 이러한 나침반 오류는 극에 근접할수록 커진다. 이러한 선도 오류를 보정하기 위한 한 가지 rule of thumb는 위도의 절반에 15도를 더한 지점에서 선회를 멈추는 것이다(만약 비행기가 위도 40도 주변을 비행하고 있다면 특정 heading에 도달하기 15 + 20 = 35도 전에 선회를 멈춰야 한다.) [그림 5-20A]

Southerly Turning Errors

 

남쪽 방향으로 선회할 때 발생하는 힘들은 compass float가 지연(lag)되게 만든다. 이로 인해 false southerly turn indication이 발생한다. 선회를 멈추기 전에 float assembly가 특정 heading을 통과할 수 있도록 해야 한다. 이 오류 또한 극에 근접할수록 커진다. 지연 오류를 수정하기 위해서는 선회를 중단하기 전에 특정 heading을 통과해야 한다. 위도의 절반에 15를 더하는 규칙이 여기에도 적용된다(만약 비행기가 위도 30도 주변을 비행하고 있다면 특정 heading을 통과한 후 15 + 15 = 30도 지점에서 선회를 멈춰야 한다). [그림 5-20B]

 

(출처: youtuube/flight-club)

 

Acceleration Error

 

동쪽/서쪽으로 향하는 도중에 가속/감속을 수행하면 복각과 관성으로 인해 나침반 오류가 발생한다. compass card는 펜던트처럼 장착되어있기 때문에 가속 도중에는 compass card의 뒤쪽 끝이 위로 기울어지며 감속 도중에는 아래로 기울어진다. 동쪽/서쪽으로 향하는 heading에서 가속을 수행하면 북쪽으로 향하여 선회한다는 잘못된 지시가 나타난다. 반면 동쪽/서쪽으로 향하는 heading에서 감속을 수행하면 남쪽으로 향하여 선회한다는 잘못된 지시가 나타난다. “ANDS”(Acceleration-North/Deceleration-South)라는 단어가 가감속 오류를 기억하는데 도움이 될 수 있다. [그림 5-21] 가속은 북쪽을 가리키고 감속은 남쪽을 가리킨다.

 

(출처:youtube/flight-club)

 

Oscillation Error

 

oscillation은 앞서 언급한 모든 오류들이 합쳐진 것이다. oscillation으로 인해 compass card는 현재 비행 중인 heading의 주위를 오락가락 한다. gyroscopic heading indicator가 magnetic compass와 정렬되도록 설정하는 경우에는 그 오락가락한 값들 사이의 평균치를 사용한다.

 

The Vertical Card Magnetic Compass

 

vertical card magnetic compass는 magnetic compass와 관련된 오류와 헷갈림을 다소 줄여준다. 이 나침반의 눈금판은 기본 방위를 나타내는 문자, 30도 단위의 숫자, 그리고 5도 단위의 눈금으로 표시된다. 축에 장착된 자석에 의해 눈금판이 회전한다. 비행기 모형의 기수는 항공기의 heading을 읽기 위한 lubber line을 나타낸다. vertical card magnetic compass에서는 oscillating permanent magnet의 자속이 damping disk에 와상전류를 생성한다. 와상전류에 의해 생성된 자속은 영구 자석의 자속과 반대 방향으로 작용하여 oscillation을 감소시킨다. [그림 5-22]

The Flux gate Compass System

 

자기력선은 두 가지 중요한 특성은 가진다: 자유롭게 회전하는 모든 자석은 자기력선에 연장됨, 자기력선을 가로지르는 모든 전도체에는 전류가 유도됨.

 

slaved gyro를 구동하는 flux gate compass는 전류가 유도되는 특성을 사용한다. flux valve란 그림 5-23과 같은 작은 고리리이며 이는 연철로 이루어져 있기 때문에 자기력선을 쉽게 받아들일 수 있다. 지구 자기장에 의해 이 고리에 유도된 전류를 받아들이기 위해 세 개의 다리에 전기 코일이 감겨있다. 프레임 중앙의 iron spacer에 감긴 코일에는 400Hz의 교류(A.C.)가 흐른다. 전류가 최대 지점에 도달하였을 때에는(한 주기 당 두 번) 코일에서 생성되는 자성이 너무 많아져서 프레임이 지구 자기장의 자기력선을 받아들일 수 없다.

허나 최대 지점마다 전류가 역전되면서 프레임의 자성이 없어지며 이를 통해 프레임은 지구 자기장의 자기력선을 받아들일 수 있다. 자기력선이 세 개의 코일을 가로지르면 코일 내에 전류가 흐른다. 이 세 개의 코일은 항공기의 heading 변화에 따라 코일 내에 흐르는 전류가 변하도록 연결된다. [그림 5-24]

 

이 세 개의 코일은 synchro 내의 코일들과 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. 이는 보통 pictorial navigation indicator와 slaving control and compensator unit으로 구성된다. [그림 5-25] pictorial navigation indicator는 보통 HSI라 불린다.

slaving control and compensator unit에는 “slaved gyro”나 “free gyro”를 선택할 수 있는 버튼이 있다. 또한 이 장치에는 slaving meter와 두 개의 manual heading-drive button이 있다. slaving meter는 현재 표시되는 heading과 magnetic heading의 차이를 나타낸다. right deflection은 compass card의 시계방향 오류를 나타내며 left deflection은 반시계방향 오류를 나타낸다. 항공기가 선회를 수행하여 card가 회전할 때마다 slaving meter는 한 쪽으로 full deflection을 나타낸다. 시스템이 “free gyro” 모드에 있을 때에는 적절한 heading-drive 버튼을 눌러서 compass card를 조정할 수 있다.

 

별도의 장치인 magnetic slaving transmitter는 자기 간섭의 가능성을 없애기 위해 따로 장착된다(보통 wingtip에 장착됨). 여기에는 시스템의 방향 감지 장치인 flux valve가 포함되어 있다. 자기력선들은 증폭된 후에 heading indicator unit로 전달되는 신호가 된다. 이 신호는 heading indicator의 토크 모터를 작동시켜서 heading indicator가 transmitter 신호와 정렬되도록 만든다. magnetic slaving transmitter는 HSI에 전기적으로 연결된다.

 

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

 

계기판은 점점 복잡해지고 조종사의 업무량은 증가하여 계기 제조업체들은 계기들을 결합하기 위하여 노력하였다. 이에 대한 한 가지 좋은 예시는 RMI이다. [그림 5-26] compass card는 flux valve에 의해 작동하며 두 개의 지시침은 ADF(automatic direction finder)와 VOR(very high frequency omnidirectional range)에 의해 작동한다.