(18) Pressurized Aircraft

Pressurized Aircraft

 

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 높은 고도에서 항공기가 더 효율적이기 때문이다. 두 번째, 폭풍 위를 비행함으로써 악기상과 난기류를 회피할 수 있다. 많은 현대 항공기들은 높은 고도를 운영하도록 설계됨으로써 이러한 이점을 갖는다. 높은 고도를 비행하기 위해선 항공기가 여압 되거나, 혹은 각 탑승자에게 적절한 보조 산소가 제공되어야 한다. 이러한 항공기를 조종하는 조종사는 기본적인 작동 원리를 숙지하는 것이 중요하다.

 

일반적인 여압 시스템의 경우 객실, 조종실, 그리고 수화물 칸은 외부 대기압보다 높은 압력의 공기를 담을 수 있는 밀폐 장치로 결합된다. 터빈 엔진 항공기에서는 엔진 압축기의 bleed air가 객실을 여압 하는데 사용된다. 구형 터빈 엔진 항공기에서는 fuselage 내에 공기를 주입하기 위해 supercharger를 사용할 수 있다. 피스톤 항공기는 각 엔진의 turbocharger로부터 sonic venturi(flow limiter)를 통해 공급되는 공기를 사용할 수 있다. 공기는 outflow valve라 불리는 장치에 의해 fuselage에 방출된다. outflow valve는 공기의 출구를 조절함으로써 여압 영역을 향해 공기가 지속적으로 유입되도록 만든다. [그림 7-40]

객실 여압 시스템은 일반적으로 항공기의 maximum designed cruising altitude에서 약 8,000ft의 객실 기압 고도를 유지한다. 이는 승객과 승무원이 불편함을 느낄 수 있는 급격한 객실 고도 변화를 방지한다. 또한 여압 시스템은 객실 내부에서 외부로 공기를 빠르게 교체되게 해준다. 이는 악취와 퀴퀴한 공기를 제거하기 위해 필요하다. [그림 7-41]

저산소증(hypoxia)으로부터 탑승자를 보호하기 위해서는 항공기 객실의 여압이 필요하다. 여압 된 객실 내에서 탑승자는 장시간 동안 편안하고 안전하게 운송될 수 있다(특히 cabin altitude가 8,000ft 이하로 유지되는 경우. 8,000ft 이하에서는 산소 장비가 필요하지 않다). 이러한 유형의 항공기를 비행하는 승무원은 객실 압력이 우발적으로 손실될 위험이 있음을 인지해야 한다. 따라서 이러한 비상사태에 대체할 준비가 항상 되어있어야 한다.

 

다음 용어들은 여압 및 공기 조절 시스템의 작동 원리를 이해하는데 도움이 된다:

 

∙ Aircraft altitude – 항공기가 비행하는 해수면으로부터의 실제 높이

 

∙ Ambient temperature – 항공기 주위를 둘러싼 영역의 온도

 

∙ Ambient pressure – 항공기 주위를 둘러싼 영역의 압력

 

∙ Cabin altitude – 해수면으로부터의 고도에 대해 동등한 객실 압력

 

∙ Differential pressure – 벽의 한 쪽에서 작용하는 압력, 그리고 벽의 다른 쪽에서 작용하는 압력 사이의 차이. 공기 조절 및 여압 시스템의 경우 이는 객실 압력과 대기압간의 차이이다.

 

cabin pressure control system은 cabin pressure regulation, pressure relief, vacuum relief, 그리고 isobaric range 및 differential range를 통해 원하는 cabin altitude를 선택하기 위한 수단을 제공한다. 객실 압력을 dump 하는 것 또한 pressure control system의 기능이다. 이러한 기능들을 수행하기 위해 cabin pressure regulator, outflow valve, 그리고 safety valve가 사용된다.

 

cabin pressure regulator는 조종사가 선택한 isobaric range로 객실 기압을 제어한다. 그리고 이는 객실 압력을 differential range에서 설정해둔 값으로 제한한다. 객실 내부와 외부의 압력 차이가 fuselage 구조에 대해 설계된 최대 differential pressure와 동일해지는 고도에 도달한 이후 고도가 더 높아질 경우 cabin altitude가 그에 따라 증가한다. differential control은 fuselage에 대해 설계된 최대 differential pressure가 초과되는 것을 방지하기 위해 사용된다. differential pressure는 객실의 구조적 강도에 의해 결정된다. 이는 종종 균열이 가능한 영역(예를 들어 창문이나 문)에 대한 객실 크기의 관계로부터 결정된다.

 

cabin air pressure safety valve는 pressure relief, vacuum relief, 그리고 dump valve의 조합이다. pressure relief valve는 객실 압력이 사전에 설정된 differential pressure를 초과하는 것을 방지한다. ambient pressure가 객실 압력을 초과할 경우 vacuum relief는 외부 공기가 객실로 유입되도록 함으로써 외부 압력이 객실 압력을 초과하는 것을 방지한다. 조종실의 스위치는 dump valve를 작동시킨다. 이 스위치가 ram에 놓이면 solenoid valve가 열려서 객실 공기가 대기 중으로 배출된다.

 

항공기의 여압 정도, 그리고 운영 고도는 몇 가지 설계 요인에 의해 제한된다. 기본적으로 fuselage는 특정 cabin differential pressure를 견딜 수 있도록 설계되었다.

 

pressurization controller와 함께 몇몇 계기들이 사용된다. cabin differential pressure gauge는 내부 압력과 외부 압력의 차이를 나타낸다. 최대 differential pressure를 초과하지 않는지 확인하기 위해선 이 계기를 모니터링 해야 한다. cabin altimeter 또한 시스템의 성능을 점검하기 위해 제공된다. 경우에 따라 이 두 계기가 하나로 합쳐지기도 한다. 세 번째 계기는 객실의 증감율을 나타낸다. cabin rate-of climb instrument와 cabin altimeter가 그림 7-42에 나타나있다.

감압(decompression)은 항공기의 여압 시스템이 pressure differential을 유지할 수 없는 것으로 정의된다. 이는 여압 시스템의 오작동, 혹은 항공기의 구조적 손상으로 인해 발생할 수 있다.

 

생리학적으로 감압은 다음 두 가지로 분류된다:

 

∙ Explosive decompression – 폐가 감압할 수 있는 속도보다 더 빠른 속도로 객실 기압이 변화하는 경우 폐 손상이 발생할 수 있다. 일반적으로 폐가 공기를 배출하는데 필요한 시간은 0.2초이다. 대부분의 관계 당국은 0.5초 이내에서 발생하는 모든 감압을 잠재적으로 위험하다 간주한다.

 

∙ Rapid decompression – 폐가 객실보다 빠르게 감압되는 객실 압력 변화.

 

explosive decompression 도중 소음이 발생할 수 있으며 잠시 멍한 느낌이 들 수 있다. 객실 공기는 안개, 먼지, 혹은 이물질들로 가득 찬다. 급격한 기온 하락, 그리고 상대습도의 변화로 인해 안개가 발생한다. 일반적으로 귀는 곧 맑아진다. 폐로부터 공기가 빠져나가기 때문에 입과 코에서 공기가 밀려온다.

 

rapid decompression은 유효 의식시간(the period of useful consciousness)을 줄인다. 왜냐하면 폐에 있는 산소가 빠르게 배출되어 신체의 압력이 감소하기 때문이다. 이는 혈액 내 산소 분압을 낮춰서 조종사의 유효 동작시작(effective performance time)을 정상 시간의 1/3에서 1/4로 줄인다. 이러한 이유로 매우 높은 고도(35,000ft 이상)에서 비행할 때에는 산소마스크를 착용해야 한다.

 

감압의 주된 위험은 저산소증이다. 의식불명을 피하기 위해선 산소 장비를 신속하게 올바르게 사용해야 한다. 높은 고도에서의 감압 도중 조종사, 승무원, 그리고 승객들이 직면하는 또 다른 위험은 evolved gas decompression sickness이다. 이는 신체에 가해지는 압력이 충분히 떨어진 결과 신체 내부에 녹아있던 질소가 기포를 형성할 때 발생한다. 이는 일부 신체 조직에 악영향을 미칠 수 있다.

 

항공기의 구조적 손상으로 인한 감압은 조종사, 승무원, 그리고 승객에게 또 다른 유형의 위험을 초래한다. 바로 개구부 근처에 위치한 경우 항공기 밖으로 튕겨나가는 것이다. 개구부 근처에 있는 사람은 항공기 여압 도중 항상 안전벨트를 착용해야 한다. 구조적 손상은 또한 개구부 근처의 사람들을 wind blast, 그리고 극도로 추운 온도에 노출시킬 수 있다.

 

이러한 문제를 최소화하기 위해서는 빠른 하강이 필요하다. 자동화된 시각 및 청각 경고 장치가 모든 여압 항공기의 장비에 포함된다.