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Chapter Summary

항공기를 비행하기 위해선 추력, 항력, 양력, 그리고 무게가 항공기에 어떻게 영향을 미치는지 이해해야 한다. 설계∙무게∙하중 계수∙중력이 기동 중인 항공기에 어떻게 영향을 미치는지 이해하고 공기역학을 이해함으로써 조종사는 이러한 힘들 사이에서 균형을 제어하는 방법을 배운다. 실속 속도, 하중 계수, 그리고 그 외 중요한 항공기 정보들은 항상 AFM/POH를 참조한다.

Introduction

기상은 항공기의 성능, 그리고 비행 안전에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 이는 변수들(예를 들어 온도, 습도, 풍속, 시정, 그리고 기압)과 관련하여 특정 시간 및 장소에서의 상태를 의미한다. “weather”이라는 용어는 악조건인, 혹은 파괴적인 대기조건(예를 들어 강풍)에서도 적용될 수 있다.

이 장에서는 기본적인 기상 이론을 설명하며 기상 원리에 대한 배경 지식을 제공한다. 이는 기상이 일상적인 비행 활동에 어떻게 영향을 미치는지를 이해하기 쉽도록 고안되었다. 기상에 대한 이론을 이해하는 것은 FSS(Flight Service Station) 기상 전문가와 그 외의 항공 기상 서비스로부터 얻은 보고 및 예보를 기반으로 기상 결정을 내리는데 도움을 준다.

local flight이든 cross-country이든 기상에 기초한 결정은 비행 안전에 큰 영향을 미칠 수 있다.

Atmosphere

대기는 지구를 둘러싸고 있는 기체들의 혼합물로 구성된 공기 봉투이다. 이는 지구 표면으로부터 거의 350마일까지 도달한다. 이러한 혼합물은 계속하여 움직인다. 만약 대기가 눈에 보인다면 이는 소용돌이치는 바다, 상승 및 하강하는 공기, 그리고 먼 거리를 이동하는 파도처럼 보일 수 있다.

지구의 생명체는 대기, 태양 에너지, 그리고 지구 자기장에 의해 유지된다. 대기는 태양으로부터 에너지를 흡수하고, 물과 그 외의 화학 물질을 순환시키며, 적당한 기후를 제공하기 위해 전기력 및 자기력과 함께 작용한다. 또한 대기는 높은 에너지 복사, 그리고 우주의 차디찬 진공으로부터 지구의 생명체를 보호한다.

Composition of the Atmosphere

특정 부피의 공기에서 질소는 대기를 구성하는 기체의 78%를 차지하고 산소는 21%를 차지한다. 아르곤, 이산화탄소, 그리고 그 외의 기체들은 나머지 1%를 차지한다. 이 공기에는 약간의 수증기가 0 ~ 5% 포함되어 있다. 이 적은 양의 수증기는 날씨의 주요한 변화에 책임이 있다. [그림 12-1]

지구를 둘러싸고 있는 기체는 밑에서부터 끝까지 변화한다. 열 특성(온도 변화), 화학적 구성, 움직임, 그리고 밀도를 통해 네 개의 서로 다른 층들이 식별된다. [그림 12-2]

대류권(troposphere)이라 알려진 첫 번째 층은 지구 표면으로부터 6 ~ 20km(4 ~ 12마일)에 걸쳐 확장된다. 적도 지역에서는 최대 48,000ft(14.5km)까지 확장된다. 기상, 구름, 폭풍, 그리고 온도 변화의 대부분이 대기의 첫 번째 층에서 발생한다. 대류권 내부의 평균 온도는 고도가 1,000ft 증가할 때마다 약 섭씨 2도씩 감소한다. 그리고 압력은 고도가 1,000ft 증가할 때마다 약 1인치씩 감소한다.

대류권의 꼭대기에는 대류권계면(tropopause)이라 알려진 경계가 있다. 이는 수분, 그리고 관련 기상을 대류권에 가둔다. 대류권계면의 고도는 위도와 계절에 따라 다르다. 대류권계면은 보통 제트 기류, 그리고 청천난기류와 연관되어 있으므로 중요하다.

대류권계면의 위에는 3개의 대기층이 더 있다. 첫 번째는 대류권계면으로부터 약 고도 160,000ft(50km)까지 뻗어 있는 성층권이다. 이 층에는 기상이 거의 없으며 공기는 안정적이다. 허나 특정 유형의 구름이 종종 성층권까지 확장된다. 성층권 위에는 기상에 거의 영향을 미치지 않는 중간권, 그리고 열권이 있다.

Atmospheric Circulation

대기는 지속적으로 움직이고 있다. 대기가 움직이는 주요 요인은 지구 표면의 불균등한 가열 때문이다. 이러한 가열은 대기의 균형을 깨서 공기의 움직임을, 그리고 기압을 변화시킨다. 지구 표면 주위의 공기 움직임을 대기 순환이라 부른다.

지구는 태양에서 방출되는 에너지에 의해 따뜻해진다. 이는 따뜻한 공기가 상승하여 차가운 공기로 대체될 때 발생하는 원형 운동을 유발한다.

따뜻한 공기는 상승한다. 왜냐하면 열이 공기 분자를 흩어지게 만들기 때문이다. 공기가 팽창함에 따라 밀도가 낮아지고 주변 공기보다 가벼워진다. 공기가 차가워지면 분자들은 더 가까이 모여들어서 밀도가 높아진다. 그리고 따뜻한 공기보다 무거워진다. 그 결과 시원한/무거운 공기는 가라앉아서 따뜻한/가벼운 공기를 대체하는 경향이 있다.

지구는 공전 도중 회전축을 중심으로 회전하는 곡면을 가지고 있다. 따라서 지구의 적도 지역은 극지방보다 태양으로부터 더 많은 양의 열을 받는다. 지구를 따뜻하게 하는 태양 에너지의 양은 특정 지역에 대한 일 년 중의 시기, 그리고 위도에 따라 달라진다. 이 모든 요소들은 햇빛이 지표면에 닿는 각도와 시간에 영향을 미친다.

태양열은 적도 지역의 온도를 상승시켜 공기 밀도를 낮추고 상승시킨다. 따뜻한 공기가 극을 향해 흐를 때 이는 차가워지고 밀도가 높아져서 다시 지면을 향해 가라앉는다. [그림 12-3]

Atmospheric Pressure

지구 표면의 불균등한 가열은 공기 밀도를 바꿀 뿐만 아니라 순환 패턴을 만든다. 이는 또한 공기 압력(공기 분자의 무게에 의해 가해지는 힘)을 변화시킨다. 비록 공기 분자는 눈에 보이지 않지만 무게를 가지고 있으며 공간을 차지한다.

1평방인치의 면적에 350마일 높이를 가진 밀폐된 공기 기둥을 상상해보라. 이 기둥을 들어 올리는데 14.7파운드의 작용력이 필요할 것이다. 이는 공기의 무게를 나타낸다. 만약 기둥이 짧아진다면 바닥에 가해지는 압력과 무게가 줄어든다.

18,000ft 상공에서 공기 기둥의 무게는 약 7.4파운드이다. 이는 대략 해수면의 절반이다. 예를 들어 해수면에 대해 보정된 저울을 18,000ft로 들어 올릴 경우 해수면에서 14.7파운드의 무게를 가졌던 공기 기둥이 18,000ft 짧아진다. 결국 해수면에서보다 약 7.3파운드(50%) 더 적게 무게가 나갈 것이다. [그림 12-4]

특정 장소 및 시간에서의 실제 압력은 고도, 온도, 그리고 공기밀도에 따라 다르다. 이러한 조건은 또한 항공기 성능(특히 이착륙과 상승률)에도 영향을 미친다.

Coriolis Force

일반적인 대기 순환 이론에 따르면 온도의 차이로 인해 적도 지역에서는 저기압이, 그리고 극지방에서는 고기압이 존재한다. 저기압은 극지방의 고압 공기가 지구의 표면을 따라 적도 쪽으로 흐르게 만든다. 이러한 공기 순환 패턴은 이론적으로 정확하긴 하지만 몇 가지 힘에 의해 변화하는데 그 중 가장 중요한 것은 지구의 자전이다.

지구의 자전에 의해 생성된 힘은 코리올리 힘(전향력)으로 알려져 있다. 인간은 걷는 도중 이러한 힘을 인지할 수 없다. 왜냐하면 인간은 지구의 크기와 자전 속도에 비해 상대적으로 천천히 움직이며 짧은 거리를 이동하기 때문이다. 허나 코리올리 힘은 광범위한 거리의 움직임(예를 들어 기단)에 상당한 영향을 미친다.

코리올리 힘은 북반구에서 공기를 오른쪽으로 꺾어서 공기가 곡선 경로를 따르게 만든다. 편향되는 양은 위도에 따라 다르다. 코리올리 힘은 극에서 가장 크며 적도에서는 0으로 감소한다. 코리올리 힘의 크기는 움직이는 물체의 속도에 따라서도 달라진다(물체의 속도가 높을수록 편차도 커짐). 북반구에서는 지구의 자전으로 인해 공기가 오른쪽으로 편향되며 이는 일반적인 공기 순환패턴을 변화시킨다.

코리올리 힘은 각 반구에서 일반적인 공기 흐름을 세 개의 개별 셀(cell)로 분할시킨다. [그림 12-5] 북반구에서는 적도의 따뜻한 공기가 지표면으로부터 위로 올라와 북쪽으로 이동하는데 이는 지구의 자전으로 인해 동쪽으로 편향된다. 공기가 적도에서 북극까지 1/3만큼 이동하였을 때 이는 더 이상 북쪽으로 이동하지 않고 동쪽으로 이동한다. 이 공기는 약 위도 30도 지점에서 냉각되고 가라앉으면서 고압 영역을 형성한다. 그런 다음 공기는 표면을 따라서 적도를 향해 남쪽으로 흐른다. 코리올리 힘은 공기 흐름을 오른쪽으로 꺾어서 북동 무역풍을 만들어내며 이는 위도 30도와 적도 사이에서 만연한다. 이와 유사한 힘이 위도 30도와 60도 사이에서, 그리고 60도와 극 사이에서 순환 셀을 만든다.

순환 패턴은 계절의 변화, 대륙과 해양의 차이점, 그리고 그 외의 요인들(예를 들어 지구 표면의 지형에 의해 발생하는 마찰력. 이는 대기의 공기 움직임을 변화시킴)에 의해 더욱 복잡해진다. 예를 들어 지면으로부터 2,000ft 이내에서는 지면과 대기 사이의 마찰로 인해 공기가 느려진다. 마찰력은 바람의 방향이 바뀌게 만든다. 따라서 지표면에서의 풍향은 불과 몇 천 피트 상공에서의 풍향과 다소 다르다.

Measurement of Atmosphere Pressure

대기압은 예부터 수은 기압계에 의해 수은주 인치 단위(＂Hg)로 측정되었다. [그림 12-6] 기압계는 유리관 내부의 수은주 높이를 측정한다. 수은의 한 부분은 대기의 압력에 노출되어 있으며 이는 수은에 힘을 가한다. 압력이 증가하면 수은이 관 내에서 상승한다. 압력이 떨어지면 수은이 관 밖으로 배출되서 높이가 감소한다. 이러한 유형의 기압계는 보통 실험실이나 기상 관측소에서 사용되며 운반하기 어렵고 읽기도 어렵다.

아네로이드 기압계는 압력을 측정하는데 사용되는 표준 계기로 이는 운반하기 쉬우며 읽기도 쉽다. [그림 12-7] 아네로이드 기압계는 압력의 변화에 따라 수축 및 팽창하는 aneroid cell을 가지고 있으며 이는 밀폐되어 있다. aneroid cell은 기계적 연결을 통해 pressure indicator에 연결되서 압력 판독 값을 제공한다. 항공기 고도계에서 압력을 감지하는 부분은 본질적으로 아네로이드 기압계이다. 아네로이드 기압계의 연결 메커니즘으로 인해 이는 수은 기압계만큼 정확하지는 않다.

공통 기준을 제공하기 위해 국제표준대기(ISA - International Standard Atmosphere)가 설정되었다. 이러한 표준 조건은 특정 비행계기와 항공기 성능 데이터의 기초가 된다. 표준 해수면 압력은 29.92＂Hg이고 표준 온도는 섭씨 15도(화씨 59도)로 규정된다. 대기압은 millibars(mb) 단위로도 보고된다(1＂Hg = 34mb). 표준 해수면 압력은 1,013.2mb이다. 일반적인 mb 압력 측정값의 범위는 950.0 ~ 1,040.0mb이다. 지표면 차트, 고기압/저기압 중심, 그리고 허리케인 정보는 mb를 사용하여 보고된다.

기상 관측소들이 전 세계에 위치하고 있으므로 기록 및 보고에 대한 공통 기준을 제공하기 위해 모든 local barometric pressure 값이 해수면 압력(sea level pressure)으로 변환된다. 이를 위해 모든 기상 관측소들은 표고 1,000ft마다 약 1＂Hg를 더해서 기압을 변환한다. 예를 들어 해수면으로부터 5,000ft에 위치한 기상 관측소에서의 측정값이 24.92＂Hg이라면 해수면 압력 값은 29.92＂Hg라 보고된다. [그림 12-8] 최신 해수면 압력 값을 사용하면 항공기 고도계를 올바르게 설정할 수 있다.

기상 예보관들은 넓은 지역에 걸친 기압 경향을 분석함으로써 기압계, 그리고 관련 기상의 움직임을 더 정확하게 예측할 수 있다. 예를 들어 기압이 상승하는 것은 보통 맑은 날씨가 다가오고 있음을 나타낸다. 반대로 기압이 감소하는 것은 보통 악기상이 다가오고 있음을 나타낸다.

Altitude and Atmospheric Pressure

고도가 높아지면 기압도 낮아진다. 평균적으로 고도가 1,000ft 증가할 때마다 대기압은 1＂Hg 감소한다. 압력이 감소함에 따라 공기의 밀도가 낮아진다. 이는 더 높은 고도에 있는 것과 같다. 이를 밀도고도라 부른다. 압력이 감소함에 따라 밀도고도가 높아지는데 이는 항공기 성능에 현저한 영향을 미친다.

온도 변화로 인한 공기 밀도 변화는 압력 변화를 초래한다. 이는 대기중에 수평 움직임과 수직 움직임(해류와 바람)을 만들어낸다. 대기는 평형에 도달하기 위해 끊임없이 움직이고 있다. 이러한 끝임없는 공기 움직임이 연쇄 반응을 일으켜 날씨를 계속 변화시킨다.

Altitude and Flight

고도는 항공기의 성능부터 사람의 수행 능력에 이르기까지 비행의 모든 측면에 영향을 미친다. 높은 고도에서는 기압이 감소해서 이륙/착륙 거리가 증가하고 상승률은 감소한다.

항공기 이륙 시 날개 주위의 공기 흐름에 의해 양력이 생성된다. 공기가 희박한 곳에서 이륙에 필요한 충분한 양력을 얻기 위해선 더 높은 속도가 필요하다(즉, 이륙 활주가 길어진다). 해수면에서 745ft의 이륙 활주 거리가 필요한 항공기가 8,000ft의 기압고도에서는 두 배 이상의 이륙 활주 거리를 필요로 한다. [그림 12-9] 높은 고도에서는 공기 밀도가 감소하므로 항공기 엔진과 프로펠러의 효율성이 떨어진다. 이로 인해 상승률은 감소하고 장애물 회피를 위한 이륙 활주 거리는 증가한다.

Altitude and the Human Body

질소와 그 외 미량의 기체들이 대기의 79%를 차지하고 있다. 나머지 21%는 생명을 유지하는데 필요한 산소이다. 해수면에서의 대기압은 정상적인 성장, 활동, 그리고 생명을 유지할 만큼 충분히 높다. 허나 18,000ft에서는 산소의 분압이 감소하여 인체의 정상적인 활동 및 기능에 악영향을 미친다.

일반적인 사람들의 반사신경은 약 10,000ft에서 손상된다. 그러나 사람에 따라 5,000ft의 고도에서도 손상이 발생할 수 있다. 저산소증이나 산소 부족에 대한 생리적 반응은 서서히 발생하며 다양한 방식으로 사람들에게 영향을 미친다. 이러한 증상은 신체의 내성과 고도에 따라 가벼운 방향 감각 상실에서부터 완전한 무력화에 이르기까지 다양하다. 보조 산소나 객실 여압 시스템은 조종사가 더 높은 고도에서 비행하는 것을, 그리고 산소 부족의 영향을 극복하는 것을 돕는다.