(2) Sensory Systems for Orientation

Sensory Systems for Orientation

 

방향감각이란 특정 기준점과 관련하여 항공기와 자기 자신의 위치를 인지하는 것이다. 방향감각 상실이란 방향감각이 상실된 상태를 의미하며 특히 공간정위상실은 지구와 다른 물체와 관련하여 방향감각이 상실된 상태를 의미한다.

 

방향감각은 세 가지 신체 감각 기관들(visual, vestibular, 그리고 postural)을 통해 유지된다. 눈은 visual orientation을 유지한다. 내이(inner ear)의 움직임 감지 시스템은 vestibular orientation을 유지한다. 피부, 관절, 그리고 근육의 신경들은 postural orientation을 유지한다. 건강한 사람이 일반적인 환경에 놓이면 이 세 가지 시스템들이 제대로 작동한다. 허나 비행 도중 발생하는 힘이 인체에 가해지는 경우에는 이러한 감각들이 잘못된 정보를 제공할 수 있다. 이는 조종사가 방향감각을 잃게 만든다.

 

Eyes

 

모든 감각들 중 시각은 안전한 비행을 위한 정보를 제공하는데 있어 가장 중요하다. 비록 인간의 눈은 주간 시력에 최적화되어 있지만 매우 낮은 조도에서도 시력이 유지될 수 있다. 주간에는 원추세포라 불리는 수용기가 사용된다. 반면 야간에는 간상세포를 통해 시력이 촉진된다. 이들은 특정 조명 조건일 때 최상의 시력을 제공한다. 즉, 야간에는 원추세포가 효과적이지 못하며 주간에는 간상세포가 효과적이지 못하다.

 

간상세포는 로돕신을 포함하는데 이는 빛에 민감하다. 빛이 증가하면 로돕신이 사라져서 야간 시력이 손상된다. 따라서 야간에 강력한 빛을 순간적으로 바라보면 시력이 완전히 저하될 수 있다. 왜냐하면 간상세포가 어둠에 다시 적응하기 위해선 시간이 걸리기 때문이다. 흡연, 알코올, 산소 부족, 그리고 나이는 시력이 영향을 미친다(특히 야간인 경우). 야간에는 산소 부족이 시력을 현저하게 감소시킨다는 것을 유의해야 한다(예를 들어 높은 고도로 상승한 경우). 낮은 고도로 되돌아간다 하여 시력이 금방 회복되지는 않는다.

(출처: 네이버 지식백과)

 

눈에는 두 가지 blind spot이 있다. day blind spot은 시신경 섬유 다발(이는 눈에서 뇌로 메시지를 전달함)이 통과하는 망막상의 지점이다. 여기에는 빛 수용기가 없으므로 뇌로 전달할 메시지가 생성될 수 없다. night blind spot은 망막의 중심와(fovea)를 둘러싼 영역에 원추세포가 집중되기 때문에 발생한다. 이 영역에는 간상세포가 없으므로 야간에는 물체에 대한 중심시(direct vision)가 사라질 것이다. 따라서 야간에 장애물을 회피하기 위해선, 그리고 상황 인식을 극대화하기 위해선 주변시를 사용하는 것이 최선이다.

(출처: 네이버 지식백과)

또한 뇌는 색, 색들의 관계, 그리고 주변 물체들을 기반으로 시각 정보를 처리한다. 그림 3-1은 정보의 시각적 처리를 보여준다. 뇌는 사물들과 그 주위를 기초로 색깔을 할당한다. 아래 그림에서 그늘진 면의 주황색 사각형은 큐브 윗면의 갈색 사각형과 같은 색깔이다.

주황색 사각형의 주위를 가려야만 그것이 사실은 갈색임을 알 수 있다. 실제로 주변 환경의 영향을 받는 시각정보를 처리할 때 이는 명백해진다. 변화하는 지형 속에서 공항을 분간하는 것, 혹은 옅은 연무 속에서 다른 항적을 분간하는 것이 그 예이다.

 

그림 3-2는 인지에 대한 문제점을 보여준다. 두 테이블의 길이는 같다. 물체들의 크기는 잘못 해석되기 쉽다. 평평한 지형에 놓인 75ft 폭의 활주로에 익숙해지면 평탄하지 않은 지형에 놓인 넓은 활주로를 인지하는데 영향을 미칠 수 있다.

Vision Under Dim and Bright Illumination

 

어두운 조건에서는 항공 차트와 계기를 읽지 못할 수 있다(단, 충분한 조종실 조명을 이용할 수 있는 경우 제외). 어둠 속에서는 시력이 빛에 더욱 민감해진다. 이 과정을 암순응이라 부른다. 완전한 암순응을 위해서는 최소 30분 동안 어둠에 노출되어야 한다. 허나 어둑한 붉은색 조종실 조명 속에서는 20분 내에 암순응이 달성될 수 있다.

 

붉은색 빛은 색깔을 왜곡하며(특히 항공 차트의 색깔들을) 항공기 내부 물체에 초점을 맞추는 것을 어렵게 만든다. 조종사는 최적의 야간 시력이 필요한 경우에만 이를 사용해야 한다. 차트와 계기를 읽어야 하는 경우에는 하얀색 조종실 조명(dim lighting)이 필요하다(특히 IMC conditions일 때).

 

밝은 빛을 보았다면 암순응이 몇 초 만에 사라진다. 따라서 조명을 사용하는 경우에는 야간 시력을 어느 정도 유지하기 위해 한쪽 눈을 감아야 한다. 번개 근처를 비행하고 있다면 밝은 섬광으로 인해 야간 시력이 손상되는 것을 방지하기 위해 조종실 조명을 켜야 한다. 또한 5,000ft 이상의 cabin pressure altitudes에 노출될 경우, 흡연으로 일산화탄소를 흡입한 경우, 식단에 비타민 A가 부족한 경우, 그리고 밝은 햇빛에 장시간 노출된 경우에도 암순응이 손상된다.

 

VMC(visual meteorological conditions)로 비행할 때 눈은 방향감각을 위한 중요한 정보원이며 이는 보통 정확한 정보를 제공한다. 시각적 단서들은 보통 다른 감각 시스템들의 잘못된 감각들을 압도한다. 이러한 시각적 단서들이 사라지면(예를 들어 IMC인 경우) 조종사는 잘못된 감각으로 인해 방향감각을 상실할 수 있다.

 

이러한 잘못된 감각에 효율적으로 대응하기 위해 문제를 인지하고, 잘못된 감각을 무시하며, 계기를 의존하고, 눈을 통해 항공기 자세를 결정한다. 조종사는 문제를 이해해야 하며 계기만을 통해 항공기를 제어하는 기술을 갖추어야 한다.

 

Ears

 

내이(inner ear)에는 방향감각과 관련된 두 가지 기관이 있다: 반고리관(semicircular canals)과 이석 기관(otolith oragns). [그림 3-3] 반고리관은 각가속도를 측정하는 반면 이석 기관은 선가속도와 중력을 감지한다. 반고리관은 서로 직각을 이루는 세 개의 관으로 구성되어 있다. 각각은 관들은 세 개의 축들(pitch, roll, 혹은 yaw) 중 하나에 위치한다. [그림 3-4] 반고리관은 내림프액(endolymph fluid)이라 불리는 유체로 채워져 있다. 관의 중심에는 큐폴라(cupola)가 있으며 이는 전정신경(vestibular nerve) 끝에 위치한 감각모(sensory hair)에 얹혀있다. 유체 속에서 이러한 털들이 이동하면 움직임에 대한 감각들이 발생한다.

 

유체와 관 사이의 마찰로 인해 유체가 관의 움직임과 같은 속도에 도달하는데 약 15 ~ 20초가 걸릴 수 있다.

 

선회 도중 무슨 일이 발생하는지 이해하기 위해 직진수평 비행중인 항공기를 상상해보자. 항공기가 가속하지 않는다면 털세포(hair cells)는 꼿꼿한 상태를 유지하므로 신체는 선회가 발생하지 않는다 감지한다. 따라서 털세포의 위치와 실제 감각이 일치한다.

 

항공기가 선회를 수행하면 반고리관과 관 내 유체가 움직이기 시작한다. 이때 반고리관 내 유체의 움직임은 반고리관 벽의 움직임보다 뒤쳐진다. [그림 3-5] 이러한 지연은 관 내에서 유체의 상대적 움직임을 만들어낸다. 관의 벽과 큐폴라는 유체의 움직임과 반대로 움직인다.

뇌는 털세포가 움직이는 방향을 관 벽이 선회하는 방향과 동일하다 해석한다. 신체는 선회가 수행 중임을 정확하게 감지한다. 만약 선회가 일정한 rate로 몇 초간 계속되면 유체의 움직임이 관 벽의 움직임을 따라잡는다. 이때 털세포는 더 이상 굽혀있지 않으며 뇌는 선회가 중단되었다는 잘못된 감각을 수신한다. 따라서 오랫동안 선회가 지속될 경우 털세포의 위치와 그에 따른 감각으로 인해 선회하지 않는다는 착각이 발생한다.

 

항공기가 직진수평비행으로 되돌아오면 관 내의 유체가 잠시 반대 방향으로 움직인다. 이는 항공기가 반대 방향으로 움직이고 있다는 잘못된 신호를 뇌로 전달한다. 이때 조종사가 착각을 수정하기 위해 다시 왼쪽으로 선회하면 항공기를 통제 불능 상태에 빠트릴 수 있다.

 

이석 기관도 이와 유사한 방식으로 선가속도와 중력을 감지한다. 여기에서는 분필 모양의 결정체가 포함된 세포막이 털세포를 덮는다. 조종사가 머리를 기울이면 이 결정체들의 무게가 중력에 의해 세포막을 움직이며 털세포가 이러한 변화를 감지한다. 가속과 감속 또한 유사한 방식으로 세포막을 움직인다. 가속은 머리가 뒤로 기울어지는 착각을 만들어낸다. [그림 3-6] 이로 인해 조종사는 nose-down 자세를 만들려 할 수 있다.

Nerves

 

몸의 피부, 근육, 그리고 관절에 있는 신경들은 뇌로 신호를 보내서 몸과 중력 사이의 관계를 알려준다. 이러한 신호들은 조종사의 현재 자세를 알려준다. 좌석쪽으로 밀려날 때에는 가속도가 느껴진다. 선회 도중 발생하는 힘들은 중력의 실제 방향에 대해 잘못된 감각으로 이어질 수 있으며 조종사는 어디가 위쪽인지 잘못 인지할 수 있다.

 

uncoordinated turns(특히 climbing turns)는 잘못된 신호를 뇌로 보낼 수 있다. skids와 slips는 기울어진 느낌을 준다. 난기류 또한 뇌를 혼란시키는 움직임을 만들어낼 수 있다. 피로나 질병이 이러한 감각을 악화시킬 수 있다는 것을 알아야 한다.