(3) Pitot,Static Instruments

Pitot/Static Instruments

 

Sensitive Altimeter

 

정밀 고도계(sensitive altimeter)는 주변 공기의 절대 압력을 측정하는 아네로이드 기압계이다. 이 계기는 특정 기압면(pressure level)으로부터의 고도를 feet나 meter로 표시한다.

 

Principle of Operation

 

진공 상태인 아네로이드 캡슐들이 정밀 고도계 내에서 고도를 감지한다. [그림 5-3] 아네로이드에 작용하는 공기 압력은 아네로이드의 탄성(팽창하려는 힘)에 대항하여 아네로이드를 압축하려 만든다. 그 결과 대기압이 변화함에 따라 아네로이드의 두께가 변화한다. 여러 개의 아네로이드를 사용하면 압력 변화에 의한 부피 변화가 커진다.

10,000ft 미만에서는  흰색과 검정색의 줄무늬가 보인다. 10,000ft 너머에서는 마스크가 이를 점점 덮기 시작하며 15,000ft 너머에서는 모든 줄무늬가 가려진다. [그림 5-4]

또 다른 형식의 고도계로 drum-type이 있다. [그림 5-5] 이 계기는 1,000ft마다 한 바퀴를 회전하는 지시침을 가지고 있다. 각각의 숫자는 100ft를 나타내며 각각의 표시는 20ft를 나타낸다. drum은 천 피트 단위를 표시하며 지시침을을 구동하는 메커니즘에 맞춰져 있다. 이러한 형식의 고도계를 읽기 위해선 먼저 drum을 통해 천 피트 단위를 확인한 다음 지시침을 통해 백 피트 단위를 확인해야 한다.

정밀 고도계로는 barometric scale을 조절할 수 있다. 이를 통해 조종사는 고도가 측정되는 기준면을 설정할 수 있다. 이 눈금은 Kollsman window라 불리는 작은 창을 통해 확인할 수 있다. 계기의 knob을 통해 이 눈금을 조정한다. 눈금의 범위는 28.00 ~ 31.00(″Hg), 혹은 948 ~ 1,050 millibar이다.

 

knob를 돌리면 barometric scale과 altimeter pointers가 모두 변화한다. barometric scale 1″Hg의 변화는 altimeter pointers를 1,000ft 변화시킨다. 이는 5,000ft 미만에서의 표준 기압 감률이다. barometric scale이 29.92″Hg나 1,013.2 millibar로 조정되면 altimeter pointer는 기압 고도를 지시한다. 조종사는 barometric scale을 local altimeter setting으로 조정함으로서 지시 고도를 얻을 수 있다. 이를 통해 고도계는 해수면 기압으로부터의 고도를 나타낸다.

 

Altimeter Errors

 

정밀 고도계는 표준 조건에서 표준 변화를 나타내도록 설계되었다. 허나 대부분의 비행은 비표준 조건으로 인한 오차를 포함하고 있으므로 조종사는 이러한 오차를 수정할 수 있어야 한다. 오차에는 두 가지 유형이 있다: mechanical error와 inherent error.

 

Mechanical Altimeter Errors

 

고도계의 상태를 확인하기 위한 비행 전 점검을 위해 barometric scale을 local altimeter setting으로 설정해야 한다. 고도계는 공항의 표고를 나타내야 한다. 만약 고도계 지시가 공항 표고로부터 75ft 이상 차이가 나면 계기를 다시 교정해야 한다. 주변 온도 및/혹은 압력의 차이는 잘못된 고도계 지시를 발생시킨다.

 

Inherent Altimeter Error

 

표준 온도보다 높은 지역을 비행할 경우 공기의 밀도는 낮고 기압면이 멀어진다. 이때 항공기가 지시 고도 5,000ft를 비행하면 해당 고도에 대한 기압면이 표준 온도에서의 기압면보다 더 높다. 표준 온도보다 낮은 지역을 비행하는 경우에는 공기 밀도가 높고 기압면이 가까워진다. 이때 항공기가 지시 고도 5,000ft를 비행하면 진고도가 낮다. [그림 5-6]

Cold Weather Altimeter Errors

 

올바르게 교정된 기압 고도계는 평균 해수면(MSL)으로부터의 진고도를 나타낸다(단, 표준 기압 및 표준 온도를 운영 중인 경우). 비표준 기압 조건은 정확한 local altimeter setting을 적용하여 수정된다.

 

온도가 ISA보다 높은 경우에는 진고도가 지시고도보다 높은 오류가 나타난다. 온도가 ISA보다 낮은 경우에는 진고도가 지시고도보다 낮은 오류가 나타난다. 온도가 ISA보다 낮을 때 발생하는 진고도 변화는 불충분한 장애물 회피의 위험을 가지고 있다.

 

온도가 매우 낮운 조건일 때 조종사는 차트의 IFR 고도에 그림 5-7의 온도 보정을 더해야 할 수 있다. 이는 지형 및 장애물 회피를 보장하기 위함이다. 그러나 다음의 제한사항들은 준수해야 한다:

• ATC로부터 특별히 지정받은 고도(예를 들어 “maintain 5,000ft”)는 보정되어선 안 된다. 낮은 온도로 인하여 지형 및 장애물 회피가 불충분하다고 판단된다면 조종사는 할당받은 고도를 거부할 수 있다.

 

• 차트의 IFR 고도(예를 들어 procedure turn altitudes, final approach fix crossing altitudes, 등등)에 온도 보정을 적용하는 경우 조종사는 적용된 보정 값을 ATC에 알려야 한다.

 

ICAO Cold Temperature Error Table

 

온도가 표준 온도보다 매우 낮으면 고도계 오차가 매우 클 수 있다. 매우 낮은 온도 조건을 비행하는 조종사는 minimum terrain clearance altitudes를 높여야 할 수 있다. 지형과의 간격이 적은 곳을 비행하는 경우에는 더 높은 고도를 선택해야 할 수도 있다. air data computers를 갖춘 대부분의 FMS(flight management systems)는 낮은 온도로 인한 오차를 보정하는 기능을 가지고 있다. 이러한 시스템을 갖춘 항공기의 조종사는 해당 시스템이 자동으로 오차를 보정하는 조건을 알아야 한다. FMS가 자동으로 보정을 적용하고 있거나 조종사가 직접 보정을 적용하고 있다면 조종사는 할당받은 고도를 비행하고 있지 않다는 사실을 ATC에 알려야 한다. 그렇지 않으면 다른 항공기와의 수직 분리가 감소하여 위험한 상황이 발생할 수 있다. ICAO에서 발행한 그림 5-7의 표는 온도가 매우 낮을 때 얼마나 큰 오차가 발생할 수 있는지를 보여준다. 이 표를 사용하기 위해 먼저 현재 보고된 온도를 왼쪽 열에서 찾는다. 그런 다음 맨 위의 height above the airport/reporting station을 확인한다. FAF(final approach fix) 고도에서 공항 표고를 뺀다. 행과 열이 교차하는 지점이 오차의 양을 나타낸다.

 

Example: 현재 보고된 온도는 –10°C 이고 FAF는 공항 표고로부터 500ft 높이에 있다. 현재 보고된 altimeter setting을 사용하면 항공기가 지시고도로부터 50ft 아래에 있을 수 있다.

 

고도계 오차는 height above the reporting station과 reported temperature에 비례한다. IFR 접근 절차를 수행하는 경우에는 reporting station elevation을 airport elevation이라 가정한다. 이러한 보정은 항공기 비행 고도에서의 온도가 아닌 reporting station에서의 온도를 기준으로 하며 차트의 IFR 고도가 아닌 height above the reporting station을 기준으로 한다는 점을 이해해야 한다.

 

보정이 어떻게 적용되는지를 확인하기 위해 다음 예시를 참조하라:

IFR 접근 차트가 제공하는 정보는 다음과 같다:

적절한 온도 보정 값을 결정하는 예시로 1,800ft의 Minimum Procedure Turn Altitude를 사용해 보자. 일반적으로 고도 값은 가장 가까운 100ft로 반올림된다. procedure turn altitude(1,800ft)에서 airport elevation(500ft) 빼면 1,300ft이다. 1,300ft의 고도 차이는 correction chart elevation에서 1,000ft와 1,500ft 사이에 위치한다. station 온도인 –50°C에서 보정 값은 300ft와 450ft 사이에 위치한다. 이 보정 값 차이(300ft와 450ft의 차이)를 고도 차이(1,000ft와 1,500ft 차이)로 나누면 고도 1ft 당 보정 값이 나온다.

 

이 경우 150ft를 500ft로 나눈 값을(=0.33ft) 1,000ft로부터 매 1ft마다 더한다. 이는 1,000ft 고도에 해당하는 300ft 보정 값에 100ft(0.33 x 300ft = 99ft를 반올림 한 것)의 추가 보정 값을 제공한다. 300ft에 100ft를 더하여 총 온도 보정 값인 400ft를 산출한다. 주어진 조건에서 차트에 적힌 1,800ft MSL을 보정하기 위해선 400ft를 더해야 한다. 따라서 지시고도 2,200ft를 비행하면 항공기의 진고도는 1,800ft이다.

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※ 다음은 ICAO DOC 8168을 발췌한 내용이다.

 

4.3 TEMPERATURE CORRECTION

 

4.3.1 Requirement for temperature correction

 

지표면에서의 주변 온도가 표준 대기에서의 온도보다 훨씬 낮다면 minimum safe altitudes/heights가 조정되어야 한다. 이 경우 altimeter setting source에서 측정된 온도가 표준 대기에서의 온도보다 10°C 낮아질 때마다 고도를 4%씩 높인다. 이는 온도가 -15°C 이상일 때 altimeter setting source altitudes에 적용하는 것이 안전하다.

 

4.3.2 Tabulated corrections

 

온도가 더 낮은 경우에는 표 2-4-1 a)와 2-4-1b)를 통해 더 정확한 보정을 얻어야 한다. 이 표는 해수면 공항에 대해 계산된 것이다. 따라서 표고가 높은 공항에 이 표를 적용하면 보수적으로 계산된다. 이러한 공항에 대한, 혹은 표에 적혀있지 않은 값에 대한 계산을 위해선 4.3.3, "Corrections for specific conditions"를 참조한다.

 

Note 1. - 보정 값은 다음 5m나 10ft 단위로 반올림되어야 한다.

 

Note 2. - 항공기로부터 가장 가까운 reporting station(일반적으로 공항)의 온도 값을 사용해야 한다.

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Nonstandard Pressure on an Altimeter

 

대기압은 일정하지 않으므로 최신 altimeter setting을 사용하는 것이 중요하다. 즉, 특정 지점에서의 압력이 조금 떨어진 지점에서의 압력보다 높을 수 있다. altimeter setting이 29.92″로 설정된 항공기를 예로 들어보자. 항공기가 압력이 낮은 지역으로 이동할 때(그림 5-8의 A 지점에서 B 지점으로 이동할 때) 조종사가 altimeter setting을 조정하지 않으면 압력이 감소함에 따라 진고도가 낮아진다. altimeter settings를 조정하면 이를 보정할 수 있다. 고도계가 5,000ft를 지시할 때 A 지점에서는 진고도(평균해수면으로부터의 고도)가 5,000ft이지만 B 지점에서는 3,500ft에 불과하다. “따뜻한 곳에서 차가운 곳으로, 혹은 기압이 높은 곳에서 기압이 낮은 곳으로 비행할 때는 발밑을 조심하라.” [그림 5-8]

 Altimeter Enhancements(Encoding)

 

공역 내에서 항공기의 고도 정보를 조종사만 아는 것은 충분하지 못하다. 항공 교통 관제사 또한 항공기의 고도를 알아야 한다. 이러한 정보를 제공하기 위해 항공기에 보통 encoding altimeter가 장착된다.

 

트랜스폰더가 Mode C로 설정되면 encoding altimeter가 100ft 단위의 항공기 비행 고도를 일련의 펄스를 통해 트랜스폰더에 공급한다. 이 일련의 펄스는 지상 레이더로 전송되어 관제사의 스코프에 표시된다. 지상 관제사는 트랜스폰더를 통해 항공기를 식별할 수 있으며 항공기가 비행 중인 기압 고도도 확인할 수 있다.

 

encoding altimeter 내의 컴퓨터는 29.92″Hg를 기준으로 압력을 측정한 다음 이 정보를 트랜스폰더에 전달한다. 조종사가 기압계를 local altimeter setting으로 조정한다 하여도 트랜스폰더가 전송하는 정보는 영향을 받지 않는다. 이는 모든 Mode C 항공기가 동일한 기압면 고도를 기준으로 정보를 전송하게 만들기 위함이다. ATC 장비는 국지적 기압 차이를 보정하여 스코프에 표시된 고도들을 조정한다. 이는 스코프의 항적들이 정확한 고도를 나타낼 수 있게 만들기 위함이다. 트랜스폰더가 전송하는 고도와 고도계가 지시하는 고도의 차이는 125ft 이내여야 한다(14 CFR part 91).

 

Reduced Vertical Separation Minimum(RVSM)

 

31,000ft 미만의 고도에서는 flight levels 사이에 최소 1,000ft의 간격이 필요하다. Flight levels(FLs)는 보통 18,000ft에서 시작된다(단, local pressure가 29.92″Hg 이상인 경우). 18,000ft 이상인 모든 항공기는 29.92″Hg의 표준 altimeter setting을 사용하며 FL이라는 용어를 사용한다. FL 180 ~ FL 290에서는 최소 1,000ft의 항공기 간격이 필요하다. 그러나 FL 290 너머에서는 2,000ft의 분리가 적용된다. 이는 항공기 장비 및 보고 기능으로 인한 오차의 가능성 때문이다. FL 290 다음에는 FL 310가 뒤따르며 이렇게 FL 410까지 총 7개의 FL가 비행될 수 있다. FL 290 ~ FL 410 사이의 수직 거리를 1,000ft로 감소시킬 경우 6개의 FL을 추가로 사용할 수 있다. 이를 통해 FL 180 ~ FL 410까지 정상적인 비행 고도 및 방향 관리가 유지된다. 따라서 이를 RVSM(Reduced Vertical Separation Minimum)이라 부른다. 이는 미국 국내에서 적용되기 때문에 United States Domestic Reduced Vertical Separation Minimum(DRVSM)으로 불린다.

 

그러나 항공기 장비 및 조종사 훈련과 관련된 DRVSM 프로그램에 참여하기 위해선 비용이 발생한다. 예를 들어 altimetry error가 크게 줄어야 하며 RVSM을 사용하는 운영자는 해당 민간 항공 기관의 승인을 받아야 한다. RVSM 항공기는 altitude-keeping performance standards를 충족해야 한다. 또한 운영자는 현재 비행 중인 공역에 적용되는 RVSM 정책/절차에 따라 운영해야 한다.

 

항공기는 다음을 충족하는 automatic altitude control을 하나 이상 갖추어야 한다:

 

∙ 직진수평 비행 도중 해당 고도로부터 ±65ft의 허용 오차 범위 이내.

 

∙ flight management/performance system 입력이 가능한 automatic altitude control을 갖춘 항공기가 1997년 4월 9일 이전에 형식 증명을 받은 경우에는 ±130ft의 허용 오차 범위 이내(단, 난기류가 없는 조건에서).

 

이러한 항공기에는 altitude alert system가 반드시 장비되어야 한다. 이 시스템은 조종사에게 표시되는 고도가 selected altitude로부터 200ft 이상 벗어났을 때 경보를 제공한다. full RVSM flight envelope의 각 조건에 대해 residual static sorce error와 avionics error를 합한 최대 절대값이 200ft를 초과해서는 안 된다. TCAS를 갖춘 항공기는 RVSM Operations와 호환되어야 한다. 그림 5-9는 FL 180 ~ FL 410에 수용할 수 있는 항공기의 양이 증가하였음을 보여준다. 가장 주목할 만한 것은 높은 FL를 더 많은 항공기가 이용할 수 있게 됨에 따라 항공기들이 얻게 될 경제성이다.

Vertical Speed Indicator(VSI)

 

그림 5-10의 VSI는 vertical velocity indicator(VVI)라고도 불리며 이전에는 rate-of-climb indicator라 불렸었다. 이는 일정한 기압면으로부터 발생하는 압력 변화율을 나타내는 계기이다.

계기 내부에는 속도계와 매우 유사한 아네로이드가 존재한다. 아네로이드의 내부와 계기 케이스의 내부는 모두 정압 시스템과 연결된다. 그러나 계기 케이스는 calibrated orifice를 통해 연결되기 때문에 케이스 내부의 압력은 아네로이드 내부의 압력보다 더 느리게 변화한다. 항공기가 상승하면 정압이 낮아진다. 케이스 내부의 압력은 아네로이드를 압축하여 계기 지시침을 위로 이동시킨다. 이를 통해 상승률이 fpm으로 표시된다.

(출처: PHAK)

항공기가 수평을 잡으면 압력의 변화가 발생하지 않는다. 계기 케이스 내부의 압력과 아네로이드 내부의 압력이 같아지고 계기 지시침이 수평(0)으로 되돌아간다. 항공기가 하강하면 정압이 증가한다. 이 경우에는 아네로이드가 팽창하여 계기 지시침을 아래로 향하게 만들며 하강이 표시된다.

 

VSI의 지시는 실제 압력 변화보다 몇 초 늦다. 허나 VSI는 고도계보다 훨씬 민감하며 항공기의 상승/하강 경향을 지시하는데 유용하므로 일정한 고도를 유지하는데 도움이 된다.

 

IVSI(instantaneous vertical speed indicators)라 불리는 더욱 복잡한 VSI들 중 일부는 가속도계로 작동하는 공기 펌프를 두 개 가지고 있다. 이는 위쪽/아래쪽으로 향하는 pitch 변화를 감지하여 즉 압력 차이를 만들어낸다. pitch 가속에 의한 압력이 사라질 때쯤에는 고도에 의한 압력 변화가 발효된다.

(출처: PHAK)