(6) Density Altitude

Density Altitude

 

비표준 대기와 공기역학적 성능을 연관시키는데 더 적절한 용어는 밀도고도이다. 밀도고도는 특정 값의 공기 밀도에 해당하는 표준 대기 상 고도를 의미한다.

 

밀도고도는 비표준 온도에 대해 보정된 기압고도이다. 공기 밀도가 증가하면 항공기 성능이 증가한다. 반대로 공기 밀도가 감소하면 항공기 성능이 감소한다. 공기 밀도의 감소는 높은 밀도고도를 의미하며 공기 밀도의 증가는 낮은 밀도고도를 의미한다. 밀도고도는 항공기 성능을 계산하는데 사용된다. 표준 대기조건에서 대기의 각 층은 특정 밀도를 가진다. 표준 조건에서 압력고도와 밀도고도는 동일하다. 즉, 밀도고도는 특정 밀도가 발견될 표준대기 상 해수면으로부터의 수직 거리이다.

 

밀도고도는 기압고도와 온도를 통해 계산된다. 항공기 성능 정보는 표준 대기조건에서의 공기 밀도를 기반으로 한다. 따라서 이러한 성능 정보는 고도계 값과 다른 공기 밀도 층에서 적용될 수 있다. 표준 대기조건보다 온도가 높거나 낮은 상태에서는 고도계 값으로부터 이러한 층을 직접 확인할 수 없다.

 

밀도 고도는 먼저 기압고도를 찾은 다음 비표준 온도 변화를 보정하여 결정된다. 밀도는 압력에 비례하고 온도에 반비례한다. 따라서 특정한 기압고도는 밀도가 변화함에 따라 광범위한 온도 범위에 걸쳐 존재할 수 있다. 그러나 특정 밀도는 하나의 온도 및 기압고도에서 발생한다. 공기의 밀도는 항공기와 엔진의 성능에 뚜렷한 영향을 미친다. 항공기는 실제 고도와 상관없이 현재의 밀도 고도에서 운영되는 것처럼 작동한다.

 

예를 들어 고도계를 29.92＂Hg로 설정하였을 때 기압고도 5,000ft가 표시될 수 있다. AFM/POH에 따르면 표준 대기조건에서 이륙 지상 활주 시 790ft의 거리가 필요하다. 그러나 만약 온도가 표준보다 20도 높다면 공기의 팽창으로 인해 밀도 층이 높아진다. 표/그래프나 컴퓨터 계산을 통해 밀도 층이 7,000ft이며 지상 활주가 1,000ft에 가까워진다는 것을 알 수 있다.

 

공기 밀도는 고도, 온도, 그리고 습도의 영향을 받는다. 높은 밀도 고도는 희박한 공기를, 반면 낮은 밀도 고도는 조밀한 공기를 나타낸다. 높은 밀도 고도를 초래하는 조건은 높은 표고, 낮은 대기압, 높은 온도, 그리고 높은 습도이다. 낮은 표고, 높은 대기압, 낮은 온도, 그리고 낮은 습도는 낮은 밀도 고도를 나타낸다.

 

flight computer를 사용할 경우 기압고도, 그리고 비행 고도에서의 외기 온도를 통해 밀도고도를 계산할 수 있다. 또한 그림 11-3과 11-4의 표와 차트를 통해서도 밀도고도를 결정할 수 있다.

Effects of Pressure on Density

 

공기는 기체이기 때문에 압축, 혹은 팽창될 수 있다. 공기가 압축되면 더 많은 양의 공기가 특정 부피를 차지할 수 있다. 반대로 특정한 공기 부피에 대한 압력이 감소하면 공기가 팽창하여 더 넓 공간을 차지한다. 즉, 압력이 낮아지면 기존의 공기 기둥이 더 적은 양의 공기를 포함하게 된다. 즉, 밀도가 감소한다. 밀도는 압력에 정비례하므로 압력이 두 배가 되면 밀도도 두 배가 된다. 압력이 낮아지면 밀도 또한 낮아진다(단, 이는 온도가 일정할 경우에만 유효하다).

 

Effects of Temperature on Density

 

물질의 온도를 높이면 물질의 밀도가 낮아진다. 반대로 온도를 낮추면 밀도가 증가한다. 따라서 공기의 밀도는 온도에 반비례한다(단, 이는 압력이 일정할 경우에만 유효하다).

 

대기에서는 고도에 따라 온도와 압력이 모두 감소한다. 이들은 밀도에 상반된 영향을 미친다. 허나 고도 증가에 따른 압력 감소가 일반적으로 더 지배적인 영향을 미친다. 따라서 고도가 증가함에 따라 밀도가 감소할 것으로 예상될 수 있다.

 

Effects of Humidity(Moisture) on Density

 

지금까지는 완전히 건조한 공기를 전제로 설명이 되었다. 사실 공기는 완전히 건조할 수 없다. 특정 조건에서는 대기 중에 떠있는 소량의 수증기를 무시할 수 있다. 허나 그 외의 조건에서는 습도가 항공기 성능에 중요한 요소가 될 수 있다. 수증기는 공기보다 가볍다. 따라서 습한 공기가 건조한 공기보다 가볍다. 즉, 공기의 수분 함량이 증가할수록 공기의 밀도가 낮아져서 밀도고도가 높아지고 성능이 저하된다. 특정 조건에서 최대 양의 수증기가 포함될 때 공기가 가장 가볍고 밀도가 낮다.

 

상대습도는 대기에 포함된 수증기의 양을 나타낸다. 이는 공기가 포함할 수 있는 최대 수증기 양을 백분율로 표현한다. 이 최대 수증기 양은 온도에 따라 달라진다. 따뜻한 공기는 많은 수증기를 담을 수 있는 반면 차가운 공기는 적은 수증기를 담을 수 있다. 수증기를 전혀 포함하지 않는 건조 공기는 상대습도가 0%이다. 반면 수증기를 더 이상 포함할 수 없는 포화 공기는 상대습도가 100%이다. 습도 하나만으로는 밀도고도와 항공기 성능을 계산하는데 필수적이지 않다. 허나 습도가 영향을 미치는 것은 사실이다. (ATP: 상대습도가 높으면 왕복 엔진의 출력이 크게 감소한다. 허나 터보제트 엔진의 경우에는 무시될 수 있는 수준의 추력 손실이 발생한다.)

 

온도가 높을수록 공기가 담을 수 있는 수증기의 양이 더 많아진다. 따뜻하고 습한 공기(두 가지 특성 모두 공기를 가볍게 함)와 차갑고 건조한 공기(두 가지 특성 모두 공기를 무겁게 함)를 비교하였을 때 전자가 후자보다 밀도가 낮다. 압력, 온도, 그리고 습도는 항공기 성능에 큰 영향을 미친다. 습도가 밀도고도에 미치는 영향을 계산하기 위한 rule-of-thumb/chart는 없다. 허나 이를 반드시 고려해야 한다. 높은 습도 조건에서는 전반적인 성능 저하를 예상해야 한다.