(2) Pitot-Static Flight Instruments

Pitot-Static Flight Instruments

 

pitot-static system은 정압과 동압을 활용하는 시스템이다. 이러한 압력들은 속도계(ASI), 고도계(Altimeter), 그리고 VSI(vertical speed indicator)를 작동하기 위해 사용된다. [그림 8-1]

Impact Pressure Chamber and Lines

 

pitot tube는 항공기가 움직일 때 존재하는 총 압력을 측정하는데 사용된다. 정압은 항공기가 움직이는 상태이든 정지한 상태이든 항상 존재한다. 동압은 항공기가 움직일 때에만 존재한다. 따라서 이는 움직임으로 인한 압력이라 생각될 수 있다. 바람 또한 동압을 발생시킨다. 정지된 공기를 항공기가 70노트의 속도로 통과하고 있든 정지된 항공기가 70노트의 바람을 맞고 있든 동일한 동압이 발생한다.

 

항공기의 기수로부터 90도 미만에서 바람이 불면 동압이 속도계에 표시될 수 있다. 20노트의 속도로 에어포일을 이동하는 바람은 정지된 공기를 항공기가 20노트로 통과하는 것과 같다. pitot tube는 동압뿐만 아니라 정압도 포착한다.

 

pitot tube의 앞부분에는 작은 구멍이 있다. 이는 총 압력이 pressure chamber로 들어갈 수 있도록 해준다. 총 압력은 동압과 정압의 합으로 구성된다. chamber의 뒤에 또 다른 작은 구멍이 있는데 이는 항공기가 강수에 진입할 때 시스템으로부터 수분을 배출할 수 있도록 해준다. 비행 전에 pitot tube의 두 구멍들이 막혀있지는 않은지 확인해야 한다. 항공기가 장시간 운영되지 않는 경우에는 pitot tube covers를 씌운다. 이는 벌레와 그 외 물체들이 pitot tube 구멍에 끼는 것을 방지한다.

 

pitot tube를 사용하는 계기들 중 하나는 ASI이다. 총 압력은 작은 관을 통해 pressure chamber에서 ASI로 전달된다. 정압 또한 ASI의 반대쪽으로 전달되며 이로 인해 두 개의 정압이 서로 상쇄돼서 동압만이 계기에 표시된다. 동압이 변화하면 ASI는 증가/감소를 나타낸다. 남은 두 계기(고도계와 VSI)는 정압만을 사용한다.

 

Static Pressure Chamber and Lines

 

static chamber는 항공기 측면의 작은 구멍들을 통해 연결된다. 대기압이 변화하면 압력이 line(계기와 static system을 연결하는 라인)을 따라 계기의 안팎으로 자유롭게 이동할 수 있다. 일부 항공기는 primary static source가 차단될 경우를 위해 alternate static source를 제공한다. alternate static source는 보통 조종실 내에 있다. fuselage 주위를 흐르는 공기의 벤투리 효과로 인해 조종실 내부의 기압은 외부의 기압보다 낮다.

 

alternate static source가 사용되면 다음과 같은 계기 지시가 나타난다:

 

1. 고도계는 실제보다 약간 높은 고도를 나타냄.

 

2. 속도계는 실제보다 약간 높은 속도를 나타냄.

 

3. VSI는 순간적으로 상승을 지시한 다음 안정화됨(단, 고도가 일정하게 유지된 경우).

 

alternate static course를 사용하였다면 오차의 양을 결정하기 위해 AFM/POH를 참조해야 한다. 만약 alternate static source를 갖추지 않은 항공기에서 static source가 막혔다면 VSI의 유리 표면을 깨는 것이 정압을 유입하는 방법이 된다. 이로 인해 VSI가 작동하지 않을 가능성이 높다. 깨트릴 계기로 VSI를 선택한 이유는 VSI가 가장 덜 중요한 정압 계기이기 때문이다.

 

Altimeter

 

고도계는 특정 기압면(pressure level)으로부터의 항공기 높이를 측정하는 계기이다. 고도계는 고도를 표시할 수 있는 유일한 계기이므로 이는 항공기에 설치된 가장 중요한 계기들 중 하나이다. 고도계를 효과적으로 사용하려면 조종사는 계기의 작동 방법, 고도계와 관련된 오차들, 그리고 오차들이 고도계 지시에 미치는 영향을 이해해야 한다.

 

aneroid wafers는 고도계의 주요 구성 요소이다. aneroid wafer는 29.92＂Hg의 압력으로 밀봉된다. 이러한 wafers는 정압의 변화에 따라 자유롭게 팽창/수축할 수 있다. 높은 정압은 wafers를 수축하게 만든다. 반면 낮은 정압(29.92＂Hg 보다 낮은)은 wafers를 팽창하게 만든다. 기계적 연결 장치는 wafer의 움직임을 계기 지시침과 연결하며 이는 wafer의 수축을 고도 감소로, 그리고 wafer의 팽창을 고도 증가로 변환한다. [그림 8-2]

정압이 어떻게 고도계 케이스의 뒷면으로 유입되는지 확인한다. 고도계 케이스는 밀봉되어 있으므로 정압이 aneroid wafers를 감쌀 수 있다. 만약 정압이 aneroid wafers의 압력(29.92＂Hg)보다 높다면 wafers가 수축한다. 반대로 정압이 wafers의 압력보다 낮다면 wafers가 팽창한다. wafers의 수축/팽창은 기계적 연결 장치를 움직여서 고도계 지시침을 구동한다.

 

Principle of Operation

 

기압 고도계는 고도계가 위치한 고도에서의 대기 압력을 측정하는 아네로이드 기압계로 이는 고도를 feet 단위로 나타낸다. 고도계는 작동을 위해 정압을 사용한다. 해수면에서는 공기 밀도가 높으며 고도가 높아질수록 대기압이 감소한다. 고도에 따른 압력 차이로 인해 고도계가 고도 변화를 지시한다.

 

고도계가 고도를 표시하는 방법은 고도계의 유형에 따라 다르다. 지시침이 한 개인 고도계가 있는 반면 지시침이 두 개 이상인 고도계도 있다. 이 교재에서는 두 개 이상의 지시침을 갖춘 고도계만 설명한다. 고도계의 다이얼은 보통 0부터 9까지 시계 방향으로 배열된다. aneroid의 움직임은 기어를 통해 세 개의 지시침들로 전달된다. 그림 8-2에서 역삼각형이 달린 길고 가는 지시침은 10,000ft를, 짧고 넓은 지시침은 1,000ft를, 그리고 긴 지시침은 100ft를 나타낸다.

 

허나 이러한 고도 값은 해수면 기압이 표준(29.92＂Hg) 상태이고, 해수면 공기 온도가 표준(섭씨 +15도, 혹은 화씨 59도) 상태이며, 고도 증가에 따른 기압 감율과 온도 감율이 표준 상태인 경우에만 정확하다. 보정된 압력을 barometric scale에 설정하면 비표준 압력이 수정된다. barometric pressure window는 Kollsman window라고도 불리는데 이를 통해 고도계가 설정된 후에만 correct altitude가 표시된다. 다양한 유형의 고도를 지칭할 때에는 “correct”라는 단어가 제대로 설명되어야 한다(이 경우에는 해수면으로부터의 대략적인 고도를 나타내기 위해 "correct"라는 단어가 사용됨). 즉, indicated altitude는 barometric pressure setting만이 입력된 uncorrected altitude를 의미한다.

 

(ATP: corrected altitude(approximate true altitude)는 표준 대기 온도로부터의 온도 차이가 보정된 지시 고도이다.)

 

Effect of Nonstandard Pressure and Temperature

 

대기압과 온도가 일정하게 유지된다면 지상으로부터 일정한 고도를 유지하는 것이 쉽다. 허나 이러한 경우는 거의 없다. 심지어 local flight 도중에도 이착륙 사이에 기압과 온도가 변화할 수 있다. 이러한 변화를 고려하지 않으면 비행이 위험해진다.

 

비표준 압력에 대해 고도계를 보정하지 않으면 위험한 상황이 발생할 수 있다. 예를 들어 고도계를 수정하지 않고 고기압 영역에서 저기압 영역으로 비행할 경우 실제 고도는 지시 고도보다 낮다. 오래된 항공 격언이 있다: “GOING FROM A HIGH TO A LOW, LOOK OUT BELOW.” 고도계 수정 없이 저기압 영역에서 고기압 영역으로 비행할 경우 실제 고도는 지시 고도보다 높다. 비행 도중 지형/장애물 회피를 위해 최신 altimeter settings를 자주 얻는 것이 좋다.

 

대부분의 고도계는 31.00＂Hg를 초과도록 조정될 수 없다. 더 높은 기압으로 고도계를 설정할 수 없다면 항공기의 실제 고도가 지시 고도보다 높다. 기압이 낮은 조건(28.00＂Hg 미만)에서 실제 altimeter setting을 설정할 수 없다면 비행이 권장되지 않는다.

 

비표준 압력을 보상하기 위한 보정이 비표준 온도를 보상하지는 않는다. 찬 공기는 따뜻한 공기보다 밀도가 높다. 따라서 표준 온도보다 낮은 온도를 운영하는 경우에는 실제 고도가 지시 고도보다 낮다. [그림 8-3] 오차의 정도는 온도 차이의 정도에 따라 달라진다. 보통 조종사가 우려하는 것은 더 추운 온도로 인한 오차이다. 일정한 지시 고도를 유지하면서 더 추운 곳으로 비행하면 진고도가 낮아진다. 순항 고도를 선택하는데 있어 지형/장애물 회피가 중요한 요소인 경우에는 다음을 기억하라: 표준 온도보다 낮은 온도에서는 항공기가 지시 고도보다 낮은 곳에 위치할 수 있다. 따라서 충분한 지형 회피를 위해 지시 고도가 더 높아야 할 수 있다. “FROM HOT TO COLD, LOOK OUT BELOW.” 표준 온도보다 높은 온도를 운영하는 경우 실제 고도가 지시 고도보다 높다. 온도에 대한 고도 보정은 navigation computer를 통해 계산될 수 있다.

매우 낮은 온도는 고도계 지시에 영향을 미친다. [그림 8-4] 이 차트는 매우 낮은 온도에서 얼마나 많은 오차가 존재하는지를 나타낸다.

Setting the Altimeter

 

대부분의 고도계에는 barometric pressure setting window(혹은 Kollsman window)가 있으며 이는 고도계를 수정할 수단을 제공한다. 이러한 수정을 위해 계기의 하단에 knob가 위치한다.

 

대기압의 변화에 대해 고도계를 수정하기 위해선 altimeter setting window의 pressure scale(＂Hg 및/혹은 mb로 눈금 됨)을 특정 altimeter setting으로 조정해야 한다. altimeter setting은 station pressure를 해수면 기압으로 보정한 것이다(ATP: station이나 airport의 field elevation에서 측정된 실제 압력이 station pressure이다). altimeter setting은 reporting station 근처에서만 정확하므로 하나의 station에서 다음 station으로 비행이 진행됨에 따라 고도계가 조정되어야 한다. 최신의 altimeter settings가 있다면 ATC가 이를 알려줄 것이다. 조종사가 ATC의 지원을 받지 않는 경우에는 AWOS/ASOS(automated weather observing system/automated surface observation system)나 ATIS(automatic terminal information service)를 통해 local altimeter settings를 얻을 수 있다.

 

최신 altimeter setting이 기압의 불규칙성을 보상하리라 기대되지만 이것이 항상 사실이지는 않다. 지상국으로부터 방송되는 altimeter setting은 station pressure를 해수면 기압으로 보정한 것이다. 이는 더 높은 수준의 불규칙성(특히 비표준 온도의 영향)은 고려하지 않는다. 특정 지역의 모든 조종사들이 동일한 altimeter setting을 사용하면 모든 고도계들에 동일한 온도 오차와 기압 오차가 적용되므로 항공기 간 수직 거리가 유지될 수 있다(ATP: 따라서 조종사는 altimeter 설정 시 비표준 기온과 비표준 압력에 대한 영향을 무시해도 된다). 허나 이것이 수직 분리를 보장하지는 않는다. 다른 항적에 대한 육안 확인을 수행하는 것은 여전히 필수적이다.

 

높은 산악 지형 상공을 비행할 때 특정 대기 조건으로 인해 고도계가 실제 고도보다 1,000ft 이상 높은 고도를 나타낼 수 있다. 때문에 고도계 오차, 그리고 하강 기류의 가능성을 위해 고도 여유가 있어야 한다.

 

altimeter setting system을 사용하는 방법을 설명하기 위해 Dallas Love Field, Texas에서 Mineral Wells를 거쳐 Abilene Municipal Airport, Texas로 향하는 비행을 예시로 든다. Love Field에서 이륙하기 전에 조종사는 관제탑이나 ATIS로부터 최신 altimeter setting(29.85＂Hg)을 받았으며 이를 altimeter setting window에 설정하였다. 그런 다음 고도계 지시를 공항 표고(487ft)와 비교해야 한다. 대부분의 고도계는 완벽하게 보정되지 않으므로 오차가 있을 수도 있다.

 

Mineral Wells를 통과할 때 조종사는 최신 altimeter setting(29.94＂Hg)을 받았으며 이를 altimeter window에 설정하였다. Abilene Municipal Airport의 장주 패턴에 진입하기 전에 Abilene Control Tower로부터 새로운 altimeter setting(29.69＂Hg)을 받았고 이를 altimeter setting window에 설정하였다. Abilene의 공항 표고(1,791ft)로부터 대략 800ft의 고도로 장주 패턴을 비행하길 원한다면 2,600ft의 지시 고도를 유지해야 한다(1,791ft + 800ft = 2,591ft).

 

고도계를 올바르게 설정하는 것은 매우 중요하다. Abilene에서 최신 altimeter setting을 설정하지 않고 Mineral Wells의 altimeter setting(29.94＂Hg)을 계속 사용했다 가정해보자. 이때 Abilene traffic pattern을 2,600ft의 지시 고도로 진입하면 항공기가 장주 패턴 고도로부터 대략 250ft 아래에 있을 것이다. 착륙 시 고도계는 공항 표고보다 약 250ft 더 높게 지시할 것이다.

(1인치의 압력은 대략 1,000ft의 고도와 같다. 따라서 0.25 x 1,000ft = 250ft.)

 

고도계 오차를 더할지 뺄지 결정할 때 다음을 기억하라: 실제 압력이 altimeter window에 설정된 것보다 낮다면 항공기의 실제 고도는 지시 고도보다 낮다. 다음은 고도계 오차를 계산하는 또 다른 방법이다. 먼저 29.94＂Hg에서 최신 altimeter setting을 뺀다. 항상 기존 altimeter setting에서 최신 altimeter setting을 뺀다.

(1인치의 압력은 대략 1,000ft의 고도와 같다. 따라서 0.25 x 1,000ft = 250ft.) 항상 지시 고도에서 이 값을 뺀다.

이번에는 altimeter setting을 29.94에서 30.56으로 조정해보자.

(1인치의 압력은 대략 1,000ft의 고도와 같다. 따라서 0.62 x 1,000ft = 620ft.) 항상 지시 고도에서 이 값을 뺀다.

조종사는 620ft 더 높은 고도에 있다.

 

현재의 지시 고도(2,600ft)에서 음수를 빼는 것은 더하는 것과 같다. 이를 통해 조종사는 최신 altimeter setting의 중요성을 더 제대로 이해할 수 있다(오차를 잘못 계산하는 경우에도 안전에 영향을 미칠 수 있다. 만약 지시 고도보다 실제 고도가 낮다면 항공기가 장애물과 충돌할 위험이 있다).

 

Altimeter Operation

 

고도계의 지시침은 두 가지 방법을 통해 움직일 수 있다. 하나는 기압이 변화하는 경우이고 하나는 barometric scale을 조정하는 경우이다. 항공기가 상승/하강을 수행하면 고도계 케이스 내의 압력 변화가 aneroid barometer를 팽창/수축시킨다. 이러한 팽창/수축은 기계적 연결 장치를 통해 전달되어 지시침을 회전시킨다.

 

압력이 감소하면 고도계가 고도 증가를 지시한다. 반면 압력이 증가하면 고도계가 고도 감소를 지시한다. 따라서 지상에 주기된 항공기의 기압면이 29.98＂Hg에서 29.68＂Hg로 변화하면 고도계는 약 300ft의 증가를 나타낼 것이다. 이러한 압력 변화는 항공기가 밤새 주기되어 있었을 때 가장 두드러진다. 압력이 떨어지면 고도계는 이를 상승으로 해석한다. 고도계는 공항 표고보다 높은 고도를 나타낸다. barometric pressure setting이 최신 altimeter setting(29.68＂Hg)로 설정되면 공항 표고가 다시 고도계에 나타난다.

 

비행 도중에는 이러한 압력 변화가 쉽게 감지되지 않는다. 왜냐하면 항공기는 특정 고도를 비행하기 때문이다. 지시 고도가 유지되는 동안 항공기의 실제 고도는 계속 감소한다.

 

항공기의 고도를 아는 것은 조종사에게 매우 중요하다. 조종사는 경로를 따라 위치한 가장 높은 지형이나 장애물을 회피할 수 있을 정도로 높이 비행하고 있는지 확인해야 한다. 저시정 조건인 경우에는 정확한 고도 정보를 확보하는 것이 중요하다. 장애물 회피를 위해 조종사는 항공기의 고도와 주변 지형의 높이를 지속적으로 인지해야 한다. 공중 충돌 가능성을 줄이기 위해서는 항공 교통 규칙에 따라 고도를 유지하는 것이 필수적이다.

 

Types of Altitude

 

고도는 그 유형이 구체적으로 명시되는 경우에만 적절한 용어이다.  “altitude”라는 용어가 사용되었다면 이는 보통 해수면으로부터의 고도를 의미한다. 왜냐하면 이러한 고도가 장애물, 공역, 그리고 항적 분리에 사용되는 고도이기 때문이다.

 

고도란 특정 지점이나 수평면으로부터의 수직 거리이다. 고도가 측정되는 기준면이 다양한 만큼 여러 유형의 고도가 있다. 각각의 고도는 특정한 이유로 인해 사용될 수 있다. 조종사는 주로 다섯 가지 유형의 고도에 관심이 있다:

 

1. Indicated altitude – 최신 altimeter setting으로 설정되어 있을 때 고도계가 지시하는 값(uncorrected).

 

2. True altitude – 해수면으로부터의 항공기 수직 거리(실제 고도). 진 고도는 보통 MSL(평균해수면)으로부터 feet 단위로 표시된다. 항공 차트의 공항, 지형, 그리고 장애물의 표고는 진고도이다.

 

3. Absolute altitude – 지형으로부터의 항공기 수직 거리(AGL – above ground level).

 

4. Pressure altitude – altimeter setting window(barometric scale)가 29.92＂Hg로 조정되었을 때 지시되는 고도. 이는 standard datum plane으로부터의 고도이다. standard datum plane이란 공기압(섭씨 15도로 보정된)이 29.92＂Hg인 이론상의 평면이다. 기압 고도는 밀도 고도, 진고도, 진대기속도(TAS), 그리고 그 외 성능 데이터를 계산하는데 사용된다.

 

5. Density altitude – 표준 온도로부터의 변화가 보정된 기압 고도. 표준 조건인 경우에는 기압 고도와 밀도 고도가 같다. 만약 온도가 표준 온도보다 높다면 밀도 고도가 기압 고도보다 높다. 만약 온도가 표준 온도보다 낮다면 밀도 고도가 기압 고도보다 낮다. 밀도 고도는 항공기의 성능과 직결되기 때문에 중요한 고도이다.

 

조종사는 항공기 성능이 공기 밀도와 어떻게 연관되는지를 이해해야 한다. 공기의 밀도는 자연 흡기 엔진의 출력과 에어포일의 효율성에 영향을 미친다. 대기압이 낮아서 프로펠러가 가속할 공기 분자가 적어지면 rotation speed까지 가속하는데 걸리는 시간이 길어진다. 이는 더 긴 이륙 활주로 이어진다(즉, 성능이 저하된다).

 

표고가 5,048ft MSL이고 온도가 섭씨 5도인(표준 온도) 공항을 예로 들어보자. 이러한 조건에서는 기압 고도와 밀도 고도가 5,048ft로 동일하다. 만약 온도가 30도로 증가하면 밀도 고도가 7,855ft로 증가한다. 이는 표고가 7,855ft MSL인 공항에서 표준 온도일 때 항공기가 이륙하는 것과 동일하다. 반대로 온도가 섭씨 –25도로 감소하면 밀도 고도가 1,232ft로 감소한다. 이러한 조건에서는 항공기가 훨씬 더 좋은 성능을 발휘할 것이다.

 

Instrument Check

 

매 비행 전에 조종사는 고도계의 지시가 적절한지 점검해야 한다. 고도계의 상태를 확인하기 위해 barometric scale을 최신 altimeter setting으로 설정한다. 이는 local airport traffic control tower, FSS(flight service station), 혹은 그 외 신뢰할 수 있는 출처(예를 들어 ATIS, AWOS, 혹은 ASOS)로부터 받을 수 있다. 고도계는 공항의 표고를 나타내야 한다. 만약 고도계 지시가 공항 표고로부터 75ft 이상 벗어났다면 계기를 다시 보정하기 위해 수리소에 문의한다.

 

Vertical Speed Indicator(VSI)

 

VSI는 항공기가 상승중인지, 하강중인지, 혹은 수평비행중인지 나타낸다. 상승률이나 하강률은 fpm(feet per minute)으로 표시된다. VSI가 올바르게 보정되었다면 이는 수평비행 시 0을 지시한다. [그림 8-5]

Principle of Operation

 

VSI는 정압만으로 작동하지만 이는 차압계이다. 밀폐된 케이스 내부에 diaphragm이 있으며 이는 지시침과 연결된다. diaphragm의 내부는 pitot-static system의 static line과 직접 연결된다. diaphragm의 외부(즉, 계기 케이스의 내부)는 calibrated leak을 통해 static line과 연결되어 있다.

 

diaphragm과 케이스는 모두 static line으로부터 현재 고도에서의 대기압을 공급받는다. diaphragm은 제한 없이 공기를 공급받는 반면 케이스는 metered leak을 통해 정압을 공급받는다. 수평 비행 도중에는 diaphragm 내부의 압력과 계기 케이스 내부의 압력이 동일하다. 따라서 지시침은 0을 지시한다. 허나 항공기가 상승/하강을 수행하면 diaphragm 내부의 압력이 즉시 변화하는 반면 케이스는 calibrated leak로 인해 잠시 동안 높은/낮은 압력을 유지한다. 이는 diaphragm을 수축/ 팽창하게 만든다. 이로 인해 압력 차이가 발생하여 계기의 지시침이 상승/하강을 지시한다. 압력 차이가 일정한 비율로 안정화되면 지시침은 고도 변화율을 지시한다.

 

VSI는 두 가지 유형의 정보를 나타낸다:

 

∙trend information은 항공기 상승률/하강률의 증감을 즉시 나타낸다.

 

∙rate information은 고도 변화율을 나타낸다.

 

trend information은 VSI 지시침이 움직이는 방향을 의미한다. 예를 들어 직진 비행 도중 조종사가 조종간을 당겨서 기수가 높아지면 VSI 지시침이 상승을 나타내기 위해 위로 움직인다. 이때 pitch 자세가 일정하게 유지되면 지시침이 몇 초 안(6 ~ 9초)에 안정된 후에 상승률을 나타낸다. 상승률의 초기 변화가 발생한 후 VSI가 새로운 rate를 정확히 지시하기까지 걸리는 시간을 lag라 부른다. 거친 조작과 난기류는 lag를 연장시킬 수 있으며 불규칙하고 불안정한 rate가 지시될 수 있다. 일부 항공기는 IVSI(instantaneous vertical speed indicator)를 장비한다. 이는 전형적인 VSI의 lag를 보상하기 위해 가속도계(accelerometers)를 통합한다. [그림 8-6]

Instrument Check

 

비행 전 점검 도중 VSI가 올바르게 작동하는지 확인해야 한다. ramp를 떠나기 전에, 그리고 이륙하기 전에 VSI가 0 근처를 나타내는지 확인한다. 만약 VSI가 0이 아닌 다른 값을 나타내고 있다면 이를 zero mark로 참조할 수 있다. 이륙 후 VSI는 positive rate of climb을 나타내기 위해 upward trend를 나타내야 한다. 그런 다음 상승이 안정화되면 상승률을 참조할 수 있다.

 

Airspeed Indicator(ASI)

 

속도계는 pitot pressure와 static pressure의 차이를 측정 및 표시하는 차압계이다. 항공기가 지상에 주기되어 있다면 이 두 압력은 동일하다. 허나 항공기가 비행하는 도중에는 pitot line의 압력이 static line의 압력보다 커진다. 압력 차이는 속도계의 지시침을 통해 나타난다. 계기는 mph나 knots(혹은 둘 다) 나타내도록 눈금된다. [그림 8-7]

속도계는 pitot system과 static system을 둘 다 사용하는 유일한 계기이다. 속도계의 케이스로는 정압이 유입되며 diaphragm에는 동압이 유입된다. 동압은 diaphragm을 확장시키거나 수축시킨다. diaphragm은 indicating system과 연결되어 있으며 이 시스템이 기계적 연결 장치와 속도계 지시침을 구동한다.

 

속도에는 다양한 유형이 있다. 조종사는각 유형의 속도를 잘 알아야 한다.

 

∙Indicated airspeed(IAS) - 속도계로부터 얻은 계기 값. 이는 대기 밀도의 변화, 설치 오차, 혹은 계기 오차에 대해 수정되지 않는다. 제조업체는 항공기 성능을 결정하는 기준으로 이 속도를 사용한다. AFM/POH에 나열된 이륙 속도, 착륙 속도, 그리고 실속 속도는 IAS이며 이는 고도나 온도에 의해 변화하지 않는다.

 

∙Calibrated airspeed(CAS) - 설치 오차와 계기 오차가 수정된 IAS. 제조업체는 속도 오차를 최소화하려 노력한다. 허나 모든 속도 범위에서 모든 오차를 제거할 수는 없다. 특정 속도와 특정 flap 설정에서는 설치 오차와 계기 오차가 수 노트에 이를 수 있다. 이러한 오차는 보통 저속에서 가장 크다. 순항 속도 범위와 고속 범위에서는 IAS와 CAS가 거의 동일하다. airspeed calibration chart를 참조하여 속도 오차를 수정한다.

 

∙True airspeed(TAS) - 고도와 비표준 온도가 수정된 CAS. 고도가 높아질수록 공기 밀도가 감소하므로 높은 고도에서는 더 빠르게 비행해야 동압과 정압의 압력 차이가 동일해진다. 특정 CAS에 대해 TAS는 고도가 높아질수록 증가한다. 반면 특정 TAS에 대해 CAS는 고도가 높아질수록 감소한다. 조종사는 두 가지 방법을 통해 TAS를 찾을 수 있다. 가장 정확한 방법은 flight computer를 사용하는 것이다. flight computer의 airspeed correction scale을 통해 CAS를 온도와 기압 변화에 대해 수정할 수 있다. 매우 정교한 electronic flight computers를 이용할 수도 있다. CAS, pressure altitude, 그리고 온도를 입력하기만 하면 electronic flight computer가 TAS를 계산한다. 두 번째 방법은 rule of thumb를 통해 대략적인 TAS를 계산하는 것이다. 1,000ft 고도마다 CAS에 2%만 더하면 TAS가 계산된다. TAS는 비행 계획에 사용되는, 그리고 비행 계획서에 사용되는 속도이다.

 

∙Groundspeed(GS) - 비행기의 실제 속도. 이는 바람이 수정된 TAS이다. 정풍이 불면 GS가 감소하며 배풍이 불면 GS가 증가한다.

 

(ATP: 고도가 높아질수록 압력은 낮아진다. 따라서 pitot pressure와 static air pressure간에 동일한 압력 차이를 생성하기 위해선 TAS가 높아야 한다. 그 결과 Vs(KTAS)는 고도가 높아질수록 증가한다.) 

 

Airspeed Indicator markings

 

1945년 이후에 제조된 12,500 파운드 이하의 항공기는 standard color-coded marking system에 따라 속도계를 표시해야 한다. 이러한 시스템 덕분에 조종사는 항공기의 안전한 운영에 필요한 특정 비행 속도 한계를 한눈에 파악할 수 있다. 예를 들어 기동 도중 속도계 지시침이 yellow arc에 있으며 빠르게 red line으로 근접하고 있다면 즉시 속도를 줄여야 한다.

 

단발 소형 항공기의 속도계는 다음과 같은 standard color-coded markings를 포함한다. [그림 8-8]

∙White arc – 보통 flap operating range라 불린다. 왜냐하면 하한은 full flap 실속 속도를 나타내고 상한은 maximum flap speed를 나타내기 때문이다. 접근 및 착륙은 보통 white arc 내에서 비행된다.

 

∙White arc의 하한(VS0) - 착륙 외장에서의 실속 속도. 소형 항공기의 경우 이는 landing configuration(gear와 flaps가 연장된 상태) 및 최대 착륙 무게에서의 무동력 실속 속도이다.

 

∙White arc의 상한(VFE) - flaps가 연장된 상태에서의 최대 속도.

 

∙Green arc – 항공기의 normal operating range. 대부분의 비행은 이 범위 내에서 이루어진다.

 

∙Green arc의 하한(VS1) - 특정 외장에서의 실속 속도. 대부분의 항공기에서 이는 clean configuration(gear와 flaps가 접혀진 상태) 및 최대 이륙 무게에서의 무동력 실속 속도이다.

 

∙Green arc의 상한(VN0) - maximum structural cruising speed. smooth air 상태가 아니라면 이 속도를 초과하지 않는다.

 

∙Yellow arc – caution range. smooth air에서만 이 범위 내에서 비행할 수 있다(단, 주의할 것).

 

∙Red line(VNE) - never exceed speed. 이 속도 너머에서는 비행이 금지된다. 왜냐하면 이는 구조적 손상이나 구조적 파괴로 이어질 수 있기 때문이다.

 

(ATP: VNE는 고도에 의해 변화하지 않으며 항상 동일하다.)

 

Other Airspeed Limitations

 

일부 중요한 속도 한계들은 속도계에 표시되어 있지 않다. 허나 placards와 AFM/POH에서 이를 확인할 수 있다. 이러한 속도들에는 다음이 포함된다:

 

∙Design maneuvering speed(VA) - 돌풍이나 조종면의 full deflection으로 인해 structural design’s limit load가 가해졌을 때 구조적 손상이 발생하지 않는 최대 속도. 이 속도를 참조할 때는 무게를 고려해야 한다. 예를 들어 비행기가 무거우면 VA가 100노트일 수 있으나 비행기가 가벼우면 90노트일 수 있다.

 

∙Landing gear operating speed(VLO) - landing gear를 접거나 연장할 수 있는 최대 속도(단, retractable landing gear를 장비한 항공기의 경우).

 

∙Landing gear extended speed(VLE) - landing gear가 연장된 상태에서 항공기가 안전하게 비행할 수 있는 최대 속도.

 

∙Best angle-of-climb speed(VX) - 단위 거리 당 가장 높은 고도를 얻는 속도. 이는 short-field takeoff 도중 장애물 회피를 위해 사용된다.

 

∙Best rate-of-climb speed(VY) - 단위 시간 당 가장 높은 고도를 얻는 속도.

 

∙Single-engine best rate-of-climb(VYSE) - 하나의 엔진이 작동하지 않는 다발 항공기가 best rate-of-climb이나 minimum rate-of-sink를 얻는 속도. 이 속도는 속도계에 파란색으로 표시되어 있다. VYSE는 보통 “Blue Line”이라 불린다.

 

∙Minimum control speed(VMC) - 하나의 엔진은 작동하지 않고 남은 엔진은 이륙 추력 상태일 때 다발 항공기가 만족스럽게 제어될 수 있는 최소 비행 속도.

 

Instrument Check

 

이륙 전에 속도계는 0을 나타내야 한다. 그러나 강한 바람이 pitot tube에 직접 불어오면 속도계가 0보다 높은 값을 나타낼 수 있다. 이륙 시 속도계가 적절한 rate로 증가하는지 확인한다.

 

Blockage of the Pitot-static System

 

계기가 오류를 나타낸다면 pitot tube나 static port(혹은 둘 다)가 막혀있을 가능성이 높다. 수분(얼음 포함), 먼지, 혹은 곤충으로 인해 장치가 막힐 수 있다. 비행 전 점검 도중 pitot tube cover가 벗겨져 있는지 확인한다. 그런 다음 pitot tube의 개구부와 static port의 개구부를 점검한다. pitot tube가 막히면 속도계에 오류를 발생시킨다. 허나 static port가 막히면 속도계, 고도계, 그리고 VSI에 오류를 발생시킨다.

 

Blocked Pitot System

 

pitot system은 완전히 막히거나 부분적으로 막힐 수 있다. pitot tube는 막혀있으나 drain hole은 막혀있지 않다면 ram air가 더 이상 pitot system에 들어올 수 없다. 시스템 내에 있던 기존의 공기가 drain hole을 통해 빠져나가고 남은 압력이 주변(외부) 공기압으로 떨어진다. 이때 속도계는 점점 0을 지시한다. 왜냐하면 속도계가 ram air pressure와 static air pressure 사이의 차이를 감지하지 못하기 때문이다. pitot tube의 개구부를 통해 동압이 들어오지 못하므로 속도계는 더 이상 작동하지 않는다. pitot drain hole은 여전히 열려 있으므로 diaphragm 내부와 외부의 정압이 동일해진다. 명확한 속도 감소가 즉시 발생하지는 않지만 매우 빠르게 이루어진다. [그림 8-9]

pitot tube의 개구부와 drain hole이 동시에 막히면 pitot tube 내부의 압력이 갇혀버린다. 이때 대기 속도가 증가하거나 감소하여도 속도계에는 변화가 나타나지 않는다. 허나 항공기가 고도를 변경하면 속도계에 변화가 발생한다(단, static port가 막히지 않은 경우). 이러한 변화는 대기속도의 변화가 아닌 정압의 변화와 관련되어 있다. pitot tube의 개구부와 drain hole이 동시에 막혔으므로 pitot tube의 총 압력은 변화하지 않는다. 그러나 정압은 변화할 것이다.

 

속도계의 지시는 정압과 동압을 모두 사용하기 때문에 이러한 시스템들 중 하나가 막히면 속도계에 영향을 미친다. 속도계에는 diaphragm이 있다. 여기에는 동압이 들어온다. 이 diaphragm의 뒤에는 static ports로부터 들어온 정압이 있다. diaphragm은 이 정압으로부터 압력을 받으며 그 결과로 속도 지시가 변화한다. [그림 8-10]

예를 들어 특정 고도에서 항공기를 0노트로 감속한다. 만약 static port와 pitot tube가 둘 다 막혀있지 않다면 다음과 같은 주장을 할 수 있다:

 

1. 속도계는 0일 것이다.

2. 동압과 정압은 동일하다.

3. 따라서 증속 시 동압은 두 가지 구성 요소를 가져야 한다: 정압과 동압.

 

속도계의 지시는 이 두 압력 사이의 관계에 기초해야 한다는 것을 추론할 수 있다. 속도계는 정압을 기준 압력으로 사용한다. 때문에 속도계의 케이스는 이 압력으로 유지된다. 반면 pitot tube를 통해 전달되는 동압은 diaphragm에 연결된다. 고도에 관계없이 항공기의 움직임이 없으면 속도가 0이다. 따라서 pitot tube는 항상 동압과 정압을 함께 제공한다.

 

즉, 속도계의 지시는 두 가지 압력의 결과이다: 속도계 케이스의 정압이 대해 측정된 diaphragm 내의 정압과 동압.

 

pitot tube가 막힌 상태로 항공기가 하강하면 diaphragm 내부의 압력이 일정하게 유지된다. 그러나 diaphragm에 대한 정압은 증가하여 diaphragm이 압축된다. 이는 속도 감소를 지시한다. 반대로 항공기가 상승하면 정압이 감소하여 diaphragm이 팽창한다. 이는 속도 증가를 지시한다(ATP: 즉, 속도계는 고도계처럼 작동한다). [그림 8-10]

 

비행 도중 pitot tube가 visible moisture로 인해 막힐 수 있다. visible moisture 내를 비행하기 위해 일부 항공기는 pitot heat을 갖출 수 있다. pitot heat와 관련된 특정 절차는 AFM/POH를 참조한다.

 

Blocked Static System

 

static system은 막혔으나 pitot tube는 정상 상태라면 ASI가 부정확한 지시를 나타낸다. 항공기의 static ports가 막혀버린 고도보다 높은 고도를 비행하면 속도계가 실제 속도보다 낮은 값을 지시한다. 왜냐하면 시스템에 갇혀 있는 정압이 높은 고도에서의 정압에 비해 높기 때문이다. 반대로 static ports가 막혀버린 고도보다 낮은 고도를 비행하면 속도계가 실제 속도보다 높은 값을 지시한다. 왜냐하면 시스템에 갇혀 있는 정압이 낮은 고도에서의 정압에 비해 낮기 때문이다.

 

항공기가 하강하면 pitot tube의 정압은 증가하여 속도계가 증가한다(단, 이는 항공기가 실제로는 일정한 속도를 유지한다 가정함). pitot tube의 정압 증가는 동압 증가와 동등하다. 왜냐하면 static system의 정압은 변화할 수 없기 때문이다.

 

static port가 막힌 후 항공기가 상승하기 시작하면 속도가 감소하기 시작한다. pitot tube의 정압은 감소하는 반면 static system의 정압은 일정하게 유지되기 때문이다.

 

static system이 막히면 altimeter와 VSI에도 영향을 미친다. static system이 막힌 고도에서 고도계가 정지하며 VSI는 계속하여 0을 지시한다. [그림 8-11]

일부 항공기는 조종실 내에 alternate static source를 장비한다. static source가 막혔을 때 alternate static source를 열면 조종실로부터 시스템을 향해 정압이 유입된다. 조종실의 정압은 외부 압력보다 낮다. alternate static pressure를 사용하였다면 속도 보정을 위해 AFM/POH를 참조한다.