비행에 위험이되는 요소들 중 하나는 항공기 착빙이다. 계기 조종사는 착빙이 발생하기 쉬운 조건을 알고 있어야 한다. 이러한 조건에는 착빙의 종류, 착빙이 항공기 제어 및 성능에 미치는 영향, 착빙이 항공기 시스템에 미치는 영향, 그리고 항공기 deice 장비와anti-ice 장비의 사용법과 제한사항을 포함한다. 착빙에 대한 대처는 비행 전 계획 도중 시작된다. 이때 조종사는 착빙이 발생할 수 있는 위치를 확인한다. 이륙 전에는 항공기에 얼음이나 서리가 없는지를 확인한다. 기상 상황이 급변할 수도 있으므로 비행 중에는 deice system과anti-ice system을 올바르게 관리해야 한다.이때 조종사는 비행 계획서의 변경이 필요한 시점을 인지할 수 있어야 한다.
구조적 착빙이란 항공기 외부에 얼음이 쌓이는 것을 말한다. 과냉각 물방울이 항공기 구조와 표면에 부딪혀서 얼면 얼음이 형성된다. 작거나 좁은 물체에는 물방울이 모이기 좋으며 제일 빠르게 얼음이 생성된다. 때문에 조종사의 시야에 들어오는 작은 돌출부가 “ice evidence probe”로 활용될 수 있다. 이러한 부분은 보통 상당한 양의 얼음이 제일 먼저 형성되는 곳들 중 하나이다. 항공기의 꼬리날개는 주날개보다 기류에 대해 더 얇은 표면을 내놓기 때문에 물방울이 모이기 더 좋다.
Induction Icing
흡입 계통 내의 얼음은 연소에 사용되는 공기의 양을 줄일 수 있다. 왕복 엔진의 경우 가장 일반적인 예시는 기화기 착빙이다. 대부분의 조종사들은 이러한 현상에 익숙하다. 습한 공기가 기화기 벤투리를 통과하여 냉각되면 기화기 착빙이 발생한다. 이로 인해 venturi walls와 throttle plate에 얼음이 형성되서 엔진으로 향하는 공기 흐름이 제한될 수 있다. 기화기 착빙은 -7°C(화씨20도) ~ 21°C(화씨 70도)에서 발생할 수 있다. 이 문제는 carburetor heat을 통해 해결된다. carburetor heat는 엔진의 배기가스를 열원으로 사용하여 얼음을 녹이거나 얼음 형성을 방지한다. 연료 주입식 항공기의 경우에는 이러한 착빙에 덜 취약하다. 허나 엔진의 air source가 얼음으로 막히게 되면 영향을 받을 수 있다. 정상 시스템이 작동하지 않을 때를 위하여 제조업체는 alternate air source를 제공한다.
(출처: PHAK)(출처: DA40NG AFM)
터보제트 항공기의 경우엔진으로 흡입되는 공기가 inlet 쪽에 압력 감소 영역을 형성하는데이는 주변 공기보다 낮은 온도를 만들어낸다.착빙이 발생할 수 있는 조건이라면 이러한 온도 감소로 인해 엔진 inlet에 얼음이 형성될 수 있으며이는 결국 엔진으로 향하는 공기흐름을 방해한다. 또 다른 위험은 얼음이 부서져서 엔진에 유입될 때 발생한다. 이는 fan blades 손상, engine compressor stall, 혹은 combustor flameout을 일으킬 수 있다. anti-icing systems가 사용되는 경우에는 runback water가 inlet의 unprotected surfaces에서 다시 얼 수 있다. 이것이 과도해지면 엔진으로 유입되는 공기 흐름이 감소하거나, 혹은 compressor blade나 fan blade가 진동하는 방식으로 공기 흐름이 왜곡돼서 엔진이 손상될 수 있다. 터빈 엔진의 또 다른 문제는 engine probes가 어는 것이다. engine probes(예를 들어engine inlet temperature probe나 engine pressure ratio(EPR) probe)는 출력을 설정하는데 사용된다. 이러한 장비가 얼면 엔진 계기에 잘못된 값이 표시될 수 있다.
착빙의 유형은 얼음의 구조와 모양에 따라 clear, rime, 혹은 mixed로 분류될 수 있다. 착빙의 유형은 착빙이 형성되는 대기 조건과 비행 조건에 따라 달라진다. 상당한 구조적 착빙이 형성되면 항공기 제어와 성능에 심각한 문제가 발생할 수 있다.
Clear Ice
과냉각수가 비교적 느리게 얼면 맑은 착빙이 형성된다. 이러한 얼음은 광택이 나며 투명하다. [그림 4-17] “clear”와 “glaze”라는 용어는 본질적으로 동일한 유형의 착빙에 사용된다. 이러한 유형의 착빙은 거친 착빙보다 밀도가 높고 단단하며 더 투명하다. 맑은 착빙의 양이 많아지면 “horns”의 형태를 이룰 수 있다. [그림 4-18] 빙점에 가까운 온도, 많은 양의 물, 높은 항공기 속도, 그리고 큰 물방울은 맑은 착빙이 형성되는 것을 돕는다.
Rime Ice
과냉각 물방울이 항공기에 부딪혀서 매우 빠르게 얼면 거친 착빙이 형성된다. 이러한 얼음은 거칠고, 우윳빛깔이며, 불투명하다. [그림 4-19] 거친 착빙은 급속한 결빙으로 인해 얼음 내에 공기주머니를 형성한다. 이로 인해 얼음이 불투명한 모습을 보이며 다공성이고 부서지기 쉽다. 거친 착빙의 양이 많아지면 얼음이 날개를 따라 유선형으로 연장될 수 있다. 낮은 온도, 적은 양의 물, 낮은 속도, 그리고 작은 물방울은 거친 착빙이 형성되는 것을 돕는다.
Mixed Ice
혼합 착빙은 맑은 착빙과 거친 착빙이 동일한 표면에 형성된 것이다. 공기역학적 관점에서 가장 중요한 것은 얼음의 모양과 거칠기이다.
General Effects of Icing on Airfoils
구조적 착빙의 가장 위험한 측면은 공기역학적 영향이다. [그림 4-20] 얼음은 에어포일의 모양을 변화시켜서 최대 양력 계수와 임계 받음각을 감소시킨다. 낮은 받음각에서는 양력 계수에 대한 얼음의 영향이 거의 없을 수 있다. 따라서 낮은 받음각으로 순항할 때에는 날개의 얼음이 양력에 거의 영향을 미치지 않을 수 있다. 허나 얼음은 최대 양력 계수와 임계 받음각을 훨씬 낮아지게 만든다는 것을 유념하라. 따라서 접근을 위해 속도를 늦추고 받음각을 증가시킬 때 조종사는 순항 도중 양력에 거의 영향을 미치지 않았던 날개의 얼음이 낮은 받음각과 높은 속도에서 실속을 발생시키는 것을 확인할 수 있다. 설령 날개 앞전의 얼음이 얇다 하더라도실속 속도를 높이는데 상당한 영향을 미칠 수 있다(특히 그 얼음이 거친 경우). 만약 날개 앞전의 얼음이 커지면 낮은 받음각에서도 양력이 감소할 수 있다(특히 얼음이 horns 형태인 경우). 축적된 얼음은 날개의 항력 계수에 영향을 미친다. [그림 4-20] 이 영향은 심지어 매우 작은 받음각에서도 상당하다는 것을 주목한다.
최대 양력 계수와 임계 받음각의 감소는 비교적 작은 얼음으로 인해서도 발생할 수 있다. 최대 양력 계수가 약 30% 감소하는 것은 드문 일이 아니다. 큰 horn 모양 착빙에서는 최대 양력 계수가 40 ~50% 감소될 수 있다. 항력은 착빙이 증가함에 따라 꾸준히 증가하는 경향을 나타낸다. 에어포일 항력이 100% 증가하는 것은 드문 일이 아니다. 큰 horn 모양 착빙에서는 항력이 200% 이상 증가할 수 있다.
에어포일 착빙은 이 곡선에 표시되지 않은 또 다른 영향을 미칠 수 있다. 에어포일이 실속에 빠지기 전에 에어포일 윗면의 압력에 변화가 있을 수 있으며이는 뒷전의 조종면에 영향을 미칠 수 있다. 또한 대부분의 항공기 날개는 이륙, 접근, 그리고 착륙 도중 세 개 이상의 에어포일로 이루어진 multi-element airfoils이다.착빙은 각 에어포일에 서로 다른 방식으로 영향을 미칠 수 있다. 또한 착빙은 공기 흐름이 에어포일들의 윗면에서 상호 작용하는 방식에도 영향을 미칠 수 있다.
(multi-element airfoils의 예시)
착빙으로 인해 조종면이 부분적으로 제한될 수도 있으며 이로 인해 조종면의 움직임이 비효율적이게 될 수 있다. 또한 과도한 착빙으로 인해 무게가 너무 많이 증가하면 항공기가 이륙하지 못할 수도 있으며만약 비행 중이라면 항공기가 고도를 유지하지 못할 수 있다. 따라서 비행을 수행하기 전에 얼음이나 서리를 제거해야 한다.
구조적 착빙의 또 다른 위험은 uncontrolled roll phenomenon(roll upset이라고도 불림)으로 이는 severe icing과 연관되어 있다. severe icing은 항공기의 icing envelope가 초과되는 상황이므로 known icing conditions를 비행할 수 있도록 증명된 항공기의 조종사는 이를 인지해야 한다. roll upset은 공기역학적 실속으로 인해 발생할 수 있으며이는 ailerons의-self deflection을 발생시켜서 roll 조작 특성을 저하시킨다. [그림 4-21] 이러한 현상은 얼음 축적으로 인한 일반적인 증상이나 공기역학적 실속 없이도 발생할 수 있다.
(출처: FAA AIM)
(출처: AC 91-74B)
대부분의 항공기 날개로부터nose-down pitching moment를 가지고 있다. 왜냐하면 CG가CP보다 앞에 있기 때문이다. 이러한 모멘트에 대응하여 아래쪽으로 향하는 힘을 제공하는 것이 꼬리날개의 역할이다. [그림 4-22] 때문에 날개를 실속으로부터 멀어지게 하는 조작들(예를 들어 flaps를 사용한 경우, 혹은 증속한 경우)은 꼬리날개의 negative AOA를 증가시킬 수 있다. 꼬리날개에 착빙이 발생하였을 때 full flap이나partial flap이 사용되면 꼬리날개가 실속에 빠질 수 있다. [그림 4-23]
보통 꼬리날개는 주날개보다 얇기 때문에 얼음이 더 잘 쌓인다. 대부분의 항공기에서 조종사는 꼬리날개를 볼 수 없다. 때문에 조종사는 deicing system을 통해 착빙이 얼마나 잘 제거되었는지 확인할 수 없다. 그러므로 조종사는 tailplane stall의 가능성을 주의해야 한다(특히 접근 및 착륙 도중).
Piper PA-34-200T(Des Moines, Iowa)
이 사고는 1996년 1월 9일에 발생하였다. 조종사가 활주로 시단을 통과한 후 flaps를 25도로 낮추었을 때 비행기 기수가 낮아지기 시작했다. 조종사는 즉시 flaps를 올리고 출력을 증가하였지만 비행기는 이미 통제가 불가능한 상태였다. 항공기는 활주로 중심선에 부딪히고 1,000ft 정도를 미끄러진 후에 정지하였다. 이 사고로 인해 유일한 탑승자였던 조종사가 중상을 입었다.
잔해를 조사한 결과 수평 안정판의 좌우 앞전과 수직 안정판의 앞전을 따라 약 0.5인치의 거친 착빙이 확인되었다.
조종사가 비행기의 deicing system을 사용하지 않아서 꼬리날개에 얼음이 축적되었으며 이로 인해 tailplane stall이 발생했다고 National Transportation Safety Board(NTSB)는 추정하였다. 이 사고와 관련된 요인은 조종사가 known icing conditions를 향하여 의도적으로 비행한 것이다.
Tailplane Stall Symptoms
다음 징후들 중 하나 이상이 발생하였다면 tailplane icing이 의심될 수 있다:
∙ elevator 조종간의 진동.
∙ 비정상적인 nose-down trim 변화.
∙ 기타 비정상적인 pitch 변화(이로 인해 pilot induced oscillations가 발생할 수 있음).
∙ elevator 효율성의 감소.
∙ elevator 압력의 갑작스러운 변화(이를 막지 않으면 조종간이 nose-down으로 움직임).
∙ 갑작스런 nose-down pitch.
위의 징후들 중 하나 이상이 발생하였다면 조종사는 다음을 수행해야 한다:
∙ flaps를 즉시 이전 상태로 되돌리고 적절한 nose-up elevator 압력을 가한다.
∙ flap 설정에 알맞게 속도를 높인다.
∙ 항공기 외장 및 상황에 맞는 충분한 출력을 적용한다. (일부 항공기에서는 높은 엔진 출력이 tailplane stall에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 출력 설정과 관련된 제조업체의 권장 사항을 준수한다.)
∙ 상황이 허용한다면 기수를 천천히 아래로 내린다.
∙ 공압식 deicing system을 갖추고 있다면 시스템을 여러 번 작동하여 꼬리날개의 착빙을 제거한다.
tailplane stall이 발생한 후에 대기속도가 증가하면 실속 상황이 악화되는 경향이 있다. 또한 똑같은 flap 설정에서 출력이 증가하는 경우에도 실속 상황이 악화될 수 있다. 어떤 flap 설정에서든 꼬리날개의 착빙이 제거되지 않은 상태에서 제조업체의 권장 속도가 초과되면 tailplane stall이 발생할 수 있다. tailplane stall은 maximum flap extended speed(VFE)보다 낮은 속도에서도 발생할 수 있다.
Propeller Icing
프로펠러 블레이드에 얼음이 쌓이면 추력이 감소한다. 이는 날개에 얼음이 쌓였을 때 양력이 줄어들고 항력이 증가하는 것과 같은 공기역학적 이유 때문이다. 가장 많은 양의 얼음은 보통 spinner와 프로펠러 내부 반경에 쌓인다. 얼음이 쌓인 후 엔진으로 유입될 수 있는 프로펠러 영역에서는 보통 deice 대신 anti-ice가 사용된다.이는 축적된 얼음이 엔진으로 흡입될 가능성을 줄이기 위함이다.
Effect of Icing on Critical Aircraft Systems
조종사는 착빙에 취약한 항공기 시스템을 알고 있어야 한다. 이러한 시스템의 예로는 flight instruments, stall warning systems, 그리고 windshields가 있다.
Flight Instruments
다양한 항공기 계기들(예를 들어 속도계, 고도계, 그리고 VSI)은 작동을 위해 pitot tubes와 static ports의 압력을 이용한다. 이 장치들이 얼음으로 뒤덮이면 계기들이 잘못된 정보를 표시하며 이로 인해 비행이 위험해질 수 있다. 이러한 계기들의 작동 방법과 착빙의 영향에 대한 자세한 내용은 Chapter 5, Flight Instruments에 나타나 있다.
Stall Warning Systems
실속 경고 시스템은 조종사에게 중요한 정보를 제공한다. 이러한 시스템은 정교한 stall warning vane부터 간단한 stall warning switch까지 다양하다. 착빙은 이러한 시스템에 다양한 방식으로 영향을 미쳐서 실속 경고가 발생하지 않도록 만들 수 있다. 이러한 시스템이 손실되면 이미 위험한 상황이 더 악화될 수 있다. 설령 실속 경고 시스템이 정상 작동중이라 해도 에어포일의 얼음으로 인해 날개가 더 낮은 받음각에서 실속에 빠지므로 시스템이 효율적이지 못할 수 있다.
Windshields
조종실 창문에 얼음이 쌓이면 조종사의 시야가 심하게 제한될 수 있다. known icing conditions를 비행할 수 있는 항공기는 일종의 windshield anti-icing을 갖추고 있다. 이는 비행 중 착빙이 발생하였을 때 조종사가 항공기 바깥을 바라볼 수 있게 만든다. 이러한 시스템들 중 하나는 windshield에 전기 가열판을 설치하여 조종사에게 좁은 시야를 제공한다. 또 다른 시스템은 windshields에deicing fluid를 분사하여 얼음이 형성되는 것을 방지한다. high performance aircraft의 경우에는 조류 충돌을 방지하기 위해,그리고 여압으로 인한 부하을 견디기 위해 복잡한 windshields를 필요로 한다. 이러한 항공기에서는 전류가 흐르는 발열체(전도성 필름이나 얇은 와이어 가닥)가 사용되며 이는 windshields를 가열하여 얼음이 형성되는 것을 방지한다.
(출처: AOPA)(출처: Boldmethod)
Antenna Icing
안테나는 항공기의 표면과 수평을 이루지 않으며 그 크기가 작기 때문에 얼음이 빠르게 축적된다. 또한 안테나에는 보통 anti-icing 기능이나deicing 기능이 없다. 안테나에 얼음이 쌓이면 안테나가 진동하기 시작하거나 무선 신호가 왜곡될 수 있으며 안테나가 손상될 수 있다. 만약 얼어붙은 안테나가 부서지면 항공기의 다른 부분이 손상될 수 있으며 교신 시스템이나 항법 시스템에 문제가 발생할 수 있다.
얼음이 축적된 항공기는 많은 사고에 연루되어 왔다. 이륙 사고는 보통 지상에서 critical surfaces를 제대로 deice(혹은 anti-ice) 하지 못하였을 때 발생하였다. 올바른 deicing procedure와anti-icing procedure는 두 가지 조종사 지침서에서 다뤄진다(AC 120-58, Pilot Guide: Large Aircraft Ground Deicing과 AC 135-17, Pilot Guide: Small Aircraft Ground Deicing).
착빙 조건에서의 비행에 대한 자격이나 장비를 갖추지 않은 항공기의 조종사는 모든 착빙 조건을 피해야 한다. 위에서 언급한 지침서들은 착빙 조건을 피하는 방법을, 그리고 의도치 않게 착빙 조건에 진입하였다면 어떻게 빠져나가는지를 설명한다.
착빙 조건에 대한 자격을 갖춘 항공기는 특정 조건(항공기 증명 도중 평가된 조건)을 안전하게 운항할 수 있다. 허나 결코 착빙을 간과해서는 안 된다. 소량의 거친 착빙을 짧게 마주하여도 매우 위험할 수 있다. 조종사는 착빙 조건에서의 비행에 대한 AFM(혹은 POH)의 모든 정보를 숙지해야 하며 이를 따라야 한다. 특히 중요한 것은 착빙 방지 시스템의 올바른 작동 방법, 그리고 착빙 조건 비행 도중 준수해야 하는 모든 최소 비행 속도이다. 항공기 증명 도중 어떠한 항공기도 평가되지 않는 착빙 조건이 있다(예를 들어 SLD[super-cooled large drops]). 지름이 50 마이크론 이상인 이러한 과냉각 물방울은 구름 내부나 구름 아래에서 발생한다. 이러한 조건을 계속 비행하는 것은 매우 위험할 수 있다. 조종사는 이러한 조건과 연관된 AFM(혹은 POH)의 모든 정보를 잘 알아야 한다. 또한 구름 내에서 이러한 위험 조건을 인지하기 위한 항공기 특유의 단서도 잘 알아야 한다.
이 장은 항공기 착빙의 위험에 대하여 나타낸다. 자세한 내용은 AC 91-74, Pilot Guide: Flight in Icing Conditions, AC 91-51, Effect of Icing on Aircraft Control and Airplane Deice and Anti-Ice Systems, AC 20-73, Aircraft Ice Protection, 그리고 AC 23.143-1, Ice Contaminated Tailplane Stall(ICTS)를 참조한다.
이 장은 비행 중 발생할 수 있는 특정 비정상 상황과 비상 상황을 설명한다. 비상 상황을 성공적으로 관리하기 위한 핵심 요소, 그리고/혹은 비정상 상황이 실제 비상 상황으로 진행되는 것을 막기 위한 핵심 요소는 항공기 제조업체가 개발한 절차를 철저히 숙지 및 준수하는 것이다. 다음 지침들은 일반적인 것으로 AFM/POH에 포함된 항공기 제조업체의 권장 절차를 대체하지 않는다. 이 지침들은 비정상 및 비상 운영에 대한 조종사의 일반적인 지식을 향상시키기 위한 것이다. 이 장의 지침들 중 어느 하나라도 특정 비행기에 대한 제조업체의 권장 절차와 다르다면 제조업체의 권장 절차가 우선된다.
이 장은 소형 고정익 비행기의 비상 착륙 기술에 대한 정보를 포함한다. 여기서 제시되는 지침들은 실제 훈련이 불가능한 불리한 지형 조건에서 적용된다. 이 장의 목적은 조종사가 자신과 승객들을 보호하기 위해 비행기 구조물을 사용하는 방법을 알고 있다면 거의 모든 지형이 “적합한” 비상 착륙 지점으로 간주될 수 있다는 사실을 알려주기 위함이다.
Types of Emergency Landings
비상 착륙의 종류들은 다음과 같이 정의된다:
∙ Forced landing – 비행을 계속하는 것이 불가능할 때 공항이나 공항 외의 지역에 즉시 착륙하는 것. 엔진 고장으로 인한 비행기 추락이 대표적인 예이다.
∙ Precautionary landing – 비행을 계속하는 것이 가능하긴 하지만 권장되지는 않을 때 공항이나 공항 외의 지역에 계획적으로 착륙하는 것. 기상이 악화되거나, 길을 잃거나, 연료가 부족하거나, 혹은 엔진 고장이 서서히 발생하고 있을 때 precautionary landing이 필요할 수 있다.
∙ Ditching – 수면에서 이루어진 forced landing이나precautionary landing.
precautionary landing은 보통 forced landing보다 덜 위험하다. 왜냐하면 조종사가 지형을 선택하고 접근을 계획하는데 있어 더 많은 시간을 할애할 수 있기 때문이다. 또한 조종사는 판단의 오류나 조종 기술의 오류를 보상하기 위해 출력을 사용할 수 있다. 조종사가 이성 대신 희망적인 사고를 가지게 되면 precautionary landing이 필요했던 상황이 즉시 forced landing으로 발전할 수 있다는 것을 알아야 한다. 연료 고갈이 임박하였으나 precautionary landing의 가능성을 고려하지 않는 조종사는 매우 위험한 선택지를 받아들이게 된다.
Psychological Hazards
비상 상황을 직면하였을 때 신속하고 적절하게 행동하는 조종사의 능력을 방해할 수 있는 몇 가지 요인이 있다. 이러한 요인들 중 일부가 아래에 나열되어 있다.
∙ 비상 상황을 받아들이지 못함 -조종사의 행동이나 희망과 상관없이 비행기가 곧 지면에 충돌할 것이라는 생각에 정신이 마비되면 비상 상황을 다루는데 상당히 불리해진다. 무서운 순간을 늦추려는 무의식적인 욕구는 다음과 같은 오류로 이어질 수 있다: 비행 속도를 유지하기 위해 기수를 낮추지 못함, 가장 적절한 착륙 지역을 선택하지 못함, 그리고 망설임. 비행기 제어를 희생하면서 오류를 수정하려는 필사적인 시도도 같은 범주에 속한다.
∙ 다칠 것에 대한 과도한 걱정 -공포는 자기보호 메커니즘의 중요한 부분이다. 허나 공포가 공황으로 이어지면 우리는 가장 피하고 싶던 것을 마주하게 된다. 침착함을 유지하는 것, 그리고 수년간 개발된 일반적인 개념과 절차를 적용할 줄 아는 것이 좋다. 성공적인 비상 착륙은 기술만큼이나 정신의 문제이다.
∙ 비행기를 지키고자 하는 욕구 -simulated forced landing을 수행할 때마다 비교적 안전한 착륙 구역을 찾도록 훈련받은 조종사는 비행기 손상이 불가피한 지형에서의 착륙을 피하기 위해 모든 airmanship 규칙들을 무시할 수 있다. 그 결과는 보통 다음과 같다: 이용 가능한 고도가 충분하지 않음에도 활주로로 돌아가기 위해 180도 선회를 수행하는 것, 더 적절한 지역에 도달하기 위해 minimum control speed를 고려하지 않고 활공을 연장하는 것, 그리고 실수에 대한 여유를 남기지 않는 접근 및 착륙을 받아들이는 것. 위험에 관계없이 비행기를 구하려는 욕구는 두 가지 요인으로부터 영향을 받을 수 있다: 비행기에 대한 조종사의 재정 지분, 그리고 비행기가 손상되지 않는 것이 곧 신체적 피해가 없다는 확신. 그러나 탑승자들의 안전을 위해 비행기를 희생시키는 것에 더 관심을 가져야 할 때도 있다.
비행기 손상을 피할 수 없는 지형에 비상 착륙을 해야 하는 조종사는 충돌로 인한 부상을 피하기 위해 다음을 명심해야 한다: (1) 제동 도중 발생하는 충격을 흡수하기 위해 불필요한 구조물(즉, 날개, 착륙 장치, 동체 하부)을 사용해서 중요한 구조물(객실)을 비교적 온전하게 유지한다. (2) 내부 구조와의 강한 신체 충돌을 피한다. 내부 구조와의 강한 충돌을 피하기 위해선 신체가 좌석에 고정되어 있어야 한다. 탑승자가 주변 구조물과 동일한 속도로 감속하지 않는다면 중요한 구조물을 상대적으로 온전하게 유지한 이점이 실현되지 않는다. 탑승자는 2차 충돌의 형태로 강하게 정지한다.
불필요한 구조물을 희생시키는 것의 이점은 고속도로에서 증명된다. 시속 20마일(mph)의 속도로 나무에 정면충돌하는 차량은 운전석 문에 충돌하는 차량보다 덜 위험하다. 탑승자와 비행기의 충돌 지점 사이에 놓인 구조물의 규모는 탑승자에게 전달되는 충돌력의 강도와 직접적인 관련이 있으며 따라서 생존성에 직접적인 영향을 미친다.
식물, 나무, 그리고 심지어 인공 구조물도 에너지 흡수를 위해 사용될 수 있다. 농작물(예를 들어 옥수수와 곡물)이 빽빽한 경작지에서는 수리가 가능할 정도의 손상이 발생하며 이는 활주로의 emergency arresting device만큼 제동에 효과적이다. [그림 18-1] 덤불이 우거진 땅과 작은 나무들은 비행기를 파괴하지 않으면서도 상당한 완충효과와 제동효과를 제공한다. 불필요한 비행기 구조물보다 더 단단한 자연 및 인공 장애물을 다루는 경우에는 감속 과정에서 불필요한 비행기 구조물만 사용되도록 착륙을 계획해야 한다.
감속 과정의 강도는 속도(groundspeed)와 제동 거리에 의해 결정된다. 가장 중요한 것은 속도이다. groundspeed가 두 배로 증가하면 총 파괴 에너지가 네 배로 증가한다(그 반대도 마찬가지이다). 착륙 시 바람이나 조종 기술로 인한 groundspeed의 작은 변화조차도 충격에 영향을 미친다. 비상 착륙 시 모든 공기역학적 장치를 사용해서 실제 착륙이 minimum controllable airspeed에서 이루어져야 한다.
대부분의 조종사들은 비상 착륙을 위해본능적으로 가장 크고, 평평하고, 개방된 지역을 찾는다. 사실 속도가 균일하게 분산될 수 있다면(즉,이용 가능한 거리에 걸쳐 감속도가 고르게 분산될 수 있다면) 매우 적은 제동 거리만이 필요하게 된다. 이러한 개념이 항공모함의 arresting gear에 적용되며 항공기에 arresting gear가 연결된 순간부터 거의 일정한 제동력이 제공된다.
(출처: youtube/HotRod)
보통 소형 비행기는 전방으로 향하는 9배의 중력 가속도(9G)로부터 탑승자를 보호하도록 설계된다. 50mph에서9G 감속이 균일하게 이루어질 때 필요한 제동거리는 약 9.4ft이다. 반면 100mph에서는 제동거리가 37.6ft로 약 4배이다. [그림 18-2] 비록 이러한 수치는 이상적인 감속을 기초로하긴 하지만 짧은 제동거리가 효과적으로 사용되었을 때 어떤 결과가 발생할 수 있는지를 주목해야 한다. 균일한 감속의 필요성을 이해하면 조종사는 짧은 거리 내에서 불필요한 구조물을 통해 착륙하는 상황을 선택할 수 있으며이를 통해 객실의 최대 감속도를 줄일 수 있다.
Attitude and Sink Rate Control
비상 착륙의 계획 및 수행 도중 발생할 수 있는 가장 중대한 실수는 착륙 시 비행기의 자세와 침하율에 대한 주도권을 상실하는 것이다. 평평하고 개방된 지형에 착륙할 때 과도한 nose-low pitch attitude가 만들어지면 지상에 기수가 박힐 위험이 발생한다. 또한 착륙 직전에는 가파른 bank angles를 피해야 한다. 왜냐하면 이는 실속 속도와 wingtip strike 가능성을 증가시키기 때문이다.
비행기의 수직 양력 성분은 착륙 시 바로 0으로 감소하므로 이를 잘 제어해야 한다. 특히 저익기로 gear-up landings를 수행할 때 단단한 표면에 높은 침하율(500fpm 초과)로 착륙하면 객실이 파괴되지 않고도 부상이 발생할 수 있으며 단단한 바닥 구조가 구조적 변형으로 인해 충분한 완충을 제공하지 못할 수 있다. 고익기에서 이와 유사한 상황이 발생하면상부 구조물이 구조적으로 손상될 수 있다. 부드러운 표면에 높은 침하율로 착륙하는 경우에는 기수쪽 하부 구조가 지면에 파고들어서 심한 감속이 발생할 수 있다.
Terrain Selection
비상 착륙지 선택은 다음에 의해 결정된다:
∙ 비행 전 계획 도중 선정해둔 경로
∙ 비상 상황이 발생하였을 때의 고도
∙ 초과 속도(초과 속도는 거리 및/혹은 고도로 변환될 수 있음)
이륙 도중에는 고도가 낮고 속도가 느려서 조종사에게 매우 제한적인 선택지가 남는다. 허나 설령 이러한 상황이라 하더라도 충돌 방향을 몇 도만 바꿀 수 있다면 생존이 보장될 수 있다.
적절한 지형으로 향하는 활공 거리가 부족한 경우에는 에너지 흡수가 가능한 지형을 판단해야 한다. 만약 비상 상황이 높은 고도에서 발생하였다면 특정 지점 보다는 전반적으로 훌륭한 지형을 선택하는데 신경을 써야 한다. 높은 고도에서 바라본 지형의 모습은 오해의 소지가 있을 수 있으며 최적의 지점을 찾기까지 상당한 고도가 손실될 수 있다. 때문에 조종사는 더 나은 계획을 위해 기존 계획을 버릴 수 있어야 한다. 허나 일반적으로 두 번 이상 마음을 바꾸지는 않아야 한다. 열악한 지형에서 제대로 수행된 착륙이 확실한 지형에서 제대로 수행되지 못한 착륙보다 덜 위험할 수 있다.
Airplane Configuration
플랩은 저속에서 기동성을 향상시키며 실속 속도를 낮춘다. 따라서 최종 접근 도중 시간과 상황이 허락한다면 이를 사용하는 것이 권장된다. 그러나 항력 증가 및 활공 거리 감소 때문에 플랩을 사용할 시기와 플랩을 사용하는 양에 주의를 기울여야 한다. 플랩을 너무 일찍 사용해서 고도가 손실되면 계획이 위태로워질 수 있다.
retractable landing gear를 올릴지 내릴지에 대해 반드시 지켜야할 규칙은 제공될 수 없다. 바위투성이의 지형 및 나무에 착륙하는 경우, 혹은 높은 침하율로 착륙하는 경우에는 gear를 사용해야 객실이 보호된다. 허나 이러한 장점은 gear 붕괴로 인한 부작용(예를 들어 연료 탱크 파열) 가능성과 비교되어야 한다. 언제나 그렇듯 AFM/POH에 명시된 제조업체의 권장 사항을 따라야 한다.
평평하고 부드러운 지형이나 경작지에서 정상 착륙이 보장되며 충분한 제동 거리가 있다면 gear-up landing이 gear-down landing보다 비행기 손상을 덜 발생시킬 수 있다. [그림 18-13] 착륙 전에 비행기의 전기 계통을 끄는 것은 추락 후 화재의 가능성을 감소시킨다.
허나 전력을 사용하는 중요한 비행기 시스템이 더 이상 필요 없어지기 전까지는battery master switch를 끄지 않는다. 접근의 마지막 부분에서는 비행기 제어가 다른 요소들(비행기 외장과 체크리스트 업무 포함)보다 우선된다. 조종사는 불규칙하게 작동하는 엔진의 출력을 최대한 활용해야 한다. 허나 착륙 직전에는 보통 엔진과 연료를 끄는 것이 좋다. 이는 조종사가 상황에 대한 주도권을 가질 수 있게 만들 뿐만 아니라 화재의 위험도 줄어들게 만든다.
Approach
기동을 위한 시간이 있다면 접근 계획이 다음 세 가지 요소에 의해 좌우되어야 한다:
∙ 풍속 및 풍향
∙ 선택한 지형의 면적 및 경사
∙ 최종 접근 경로에 놓인 장애물
이 세 가지 요소들은 거의 양립되지 않는다. 만약 절충이 이루어져야 한다면 조종사는 판단이나 비행 기술의 오차에 대한 여유를 허용하는 바람/장애물/지형 조합을 목표로 해야 한다. 활공 거리를 과대평가하는 조종사는 접근 경로의 장애물들을 가로질러서 활공을 연장하려는 유혹을 받을 수 있다. 때문에 풍향에 상관없이 장애물이 없는 지역으로 접근을 계획하는 것이 더 나은 경우도 있다.착륙 지점에 도달하기 전에 비행 속도로 장애물과 충돌하는 것보다 지상 활주 끝 지점에서 장애물과 충돌하는 것이 훨씬 덜 위험하다.
적절한 지형에 비상 착륙을 하는 것은 조종사가 훈련을 통해 익히는 상황과 유사하므로 여기에서는 좀 더 비정상적인 상황만을 논의한다.
Confined Areas
착륙지점이 나무나 장애물들 사이에 위치해 있으며 해당 지점에 도달하기 위해 가파른 하강을 수행해야 하는 경우을 피해야 한다.
의도하는 착륙 지점에 도달하였으나 남아있는 착륙 공간이 매우 제한적이라면 실속이 발생하기 전까지 착륙을 지연시키기 보다는 비행기를 지상에 강제로 내리는 것이 더 낫다. 비행기는 공중에 있을 때보다 지상에 착륙한 후에 더 빨리 감속한다. 또한 특정 상황에서는 ground-looping을 수행하거나landing gear를 올리는 것이 바람직할 수도 있다.
험준한 지형에서는 강이나 개울이 적절한 대안이 될 수 있다. 조종사는 날개가 걸리지 않는 상태로 물이나 개울 바닥에 도달할 수 있는지 확인해야 한다. 도로에 착륙하는 경우에도 동일한 개념이 적용되며 도로 양 쪽에 있는 장애물이 접근의 마지막 순간까지 보이지 않을 수도 있으므로 주의해야 한다.
도로를 가로지르는 접근을 계획하는 경우에는 다음을 기억해야 한다: 대부분의 고속도로와 비포장 도로는 전력선이나 전화선과 평행하게 이어진다.따라서 지지 구조물이나 기둥들을 예리하게 살펴야만 한다.
Trees(Forest)
비록 tree landing은 매력적인 후보지가 아니지만 다음과 같은 일반적 지침들을 통해 생존 가능성을 높일 수 있다.
• 정상 착륙 외장(full flap, gear down)을 사용한다.
• 바람 쪽으로 heading을 유지해서 groundspeed를 낮게 유지한다.
• 최소 속도를(허나 실속 속도 이상의 속도를) 사용하되 nose-high landing attitude로 항공기를 나뭇가지에 '걸치듯이' 착륙한다. 나무와의 최초 접촉 시 동체와 양쪽 날개의 밑면이 사용되면 앞유리가 관통되는 것을 방지할 수 있으며 보다 균일하고 확실한 완충 효과를 얻을 수 있다. [그림 18-4]
• 동체가 굵은 나무줄기와 직접 접촉하지 않도록 한다.
• 빽빽한 수관(나뭇가지)을 갖춘 낮은 나무가 얇은 수관을 갖춘 높은 나무보다 훨씬 낫다. 후자의 경우에는 자유 낙하 높이가 너무 높다(75ft 높이에서 자유 낙하 시 약4,000fpm의 충격 속도가 발생한다).
• 나무와의 최초 접촉은 가급적 대칭을 이루어야 한다. 즉, 양쪽 날개가 나뭇가지로부터 동일한 저항을 받아야 한다. 이러한 하중 분포는 적절한 비행기 자세를 유지하는데 도움이 된다. 이는 또한 한 쪽 날개의 손실을 막을 수 있다. 한 쪽 날개가 손실되면 빠르고 예측 불가능한 하강이 발생한다.
• 비행기가 지상에 착륙한 후 굵은 나무줄기와의 충돌을 피할 수 없는 경우에는 적당한 간격의 두 나무 사이로 향해서 양쪽 날개를 동시에 사용하는 것이 최선이다. 허나 공중에 떠 있는 동안에는 이를 시도하지 않는다.
Water(Ditching) and Snow
제대로 수행된 착수(water landing)는 보통 극도로 거친 지형에서 수행된 착륙이나 적절치 못한 tree landing보다 덜 격렬하다. 또한 최소 속도에서 정상 착륙 자세로 착수한 비행기는 착륙 후 즉시 가라앉지 않는다. 날개와 연료 탱크가 손상되지 않았다면(특히 비어있다면) 비행기가 몇 분 동안 떠있을 수 있다(심지어 고익기의 객실이 수면 바로 아래에 있더라도).
넓고 잔잔한 물에 착륙할 때에는 깊이 감각을 잃을 수 있으며이때 물을 향하여 비행하거나 높은 고도에서 실속에 빠질 수 있다. 이러한 위험을 피하기 위해 가능하다면 비행기를 “dragged in” 해야 한다. 저익기의 경우에는 intermediate flaps 이상을 쓰지 않는다. 완전히 연장된 플랩에서의 물 저항으로 인해 비대칭 플랩 고장이 발생해서 비행기가 감속할 수 있다. AFM/POH에서 달리 권고하지 않는 한 retractable gear up을 유지한다.
눈에서의 착륙 또한 ditching처럼 수행되어야 한다. 동일한 외장이 사용되어야 하며 저시정 및 넓은 지형에서의 깊이 감각 손실(white out)을 고려해야 한다.
이륙 직후의 비상 착륙이 성공적이기 위해선 여러 가지 변수들과 조종사 조치들이 관건이 된다. 초기 상승 도중 엔진 고장이 발생하였다면 조종사는 비행기의 기수를 낮추고 적절한 활공 자세를 만들어야 한다. 이후 엔진이 재시동 되지 않는다면 어떻게 할까? 바로 정면에 놓인 지점(혹은 이륙 경로의 약간 옆 지점)을 착륙 지점으로 선택할까 아니면 출발 지점으로 되돌아갈까? 결정을 내릴 시간은 많지 않으며 고려해야할 것도 많다.
계속 직진하거나 약간의 선회를 하는 것은 조종사가 안전한 착륙 자세를 만들 수 있는 시간을 제공한다. 따라서 착륙은 조종사의 제어 하에서 가능한 한 천천히 이루어진다(정풍을 향해 이륙이 수행되었다 가정). 이는 부상 위험을 최소화하며 보통 가장 위험이 낮은 선택지에 해당한다(즉, 가장 안전한 선택지이다). 출발 지점으로 되돌아가는 것은 위험에 대한 보다 복잡한 분석 및 고려를 필요로 한다. 일부 복잡한 공항에서는 출항 경로에 많은 위험이 있을 수 있다. 이 경우에는 현재 위치로부터 비행기가 출발 지점에 도달할 수 있다는 것이 명백하며 조종사가turn back maneuver를 훈련 및 연습한 경우에만 turn back을 수행할 수 있다.
저고도에서 엔진 고장이 발생한 후 공항으로 되돌아가려는 것(이를 “the impossible turn”이라 부름)은 많은 도전을 제시한다. 충분한 고려와 훈련 없이 turn back을 시도하는 조종사가 이를 성공하기 위해선 상당한 행운이 필요할 것이다. 비행기가 선회 도중 지상에 충돌하면 cartwheeling(한쪽 날개 끝이 먼저 지면에 닿은 후 비행기가 풍차처럼 도는 것)이 발생할 수 있다. 만약 선회 도중 기수를 충분히 낮추지 않으면 accelerated stall이 발생할 수 있다. 성공적인 선회를 수행하였다 해도 공항으로 되돌아갈 때 보통 배풍 접근이 이어진다. 배풍 착륙 훈련을 제대로 받지 못한 조종사는 높은 groundspeed에 의해 급해질 수 있다. 이때 만약 착륙 지점에 도달하지 못하였다면 높은 groundspeed와 높은 운동 에너지로 인해 심각한 부상의 가능성이 높아진다.
이륙 도중 엔진 고장이 발생하여 활주로로 되돌아가는 것을 고려하는 경우에는 특정 비행기로 선회할 때 예상되는 고도 손실을 알아야 한다. 뿐만 아니라 선회를 수행한 이후 비행기가 물리적으로 활주로까지 활공할 수 있는지의 여부도 알아야 한다. 전통적으로 FAA는 다음과 같은 예를 들었다. 비행기가 이륙하여 지상 300ft(AGL)에 도달하였을 때 엔진 고장이 발생했다. [그림 18-5] 4초의 반응시간이 지난 후 조종사는 활주로로 되돌아가는 것을 선택하였다. 표준율 선회(초당 3도의 방향 변화)를 사용할 경우 180도를 선회하는데 1분이 소요된다. 65노트의 활공속도에서 선회 반경은 2,100ft이므로 선회가 완료되면 비행기는 활주로로부터 4,200ft 떨어져 있다. 비행기를 활주로 쪽으로 향하게 만들려면 45도를 더 선회해야 한다. 이때 총 방향 변화는 225도(이는 75초)이며 여기에 반응시간 4초가 더해진다. 만약 비행기가 무동력 활공 시 1,000fpm으로 하강한다면 비행기는 총 1,316ft를 하강하여 활주로로부터 1,016ft 아래에 놓인다.
앞선 예시는 turn back을 시도할 때 더 높은 bank angle이 필요한 이유를 나타낸다. 표준율 선회나shallow turn은 시간과 거리를 너무 많이 소모하여 적절하지 못한 해결책을 만들어낸다.
상승 중 엔진 고장을 시뮬레이션한 후 해당 비행기의 안전 고도로부터 양방향 선회를 수행하는 연습이 turn back 훈련에 포함된다. 이러한 연습을 통해 일정한 고도를 깎을 수 있어야 하며 gliding steep turn 도중 accelerated stall을 방지할 수 있어야 한다. 조종사는 실속 경고에 주의를 기울이고 적절히 대응해야 하며 필요하다면 날개 하중을 줄여야 한다. 훈련 도중 손실되는 고도에는 변화가 있을 것이다. 실제 비상상황 도중 예상되는 고도 손실은 훈련 도중 확인된 고도 손실 중 가장 높은 값일 수 있다는 것을 예상해야 한다. 비행기의 상승 성능을 평가하고, turn back을 수행할 더 나은 방향(보통 측풍 방향)을 결정하고, 선회 후의 고도를 예상하고, 착륙 지점까지의 거리를 알고, 비행기의 활공 성능을 통해 착륙 지점까지 도달할 수 있는지를 안다면 훈련은 성공적이다. 몇몇 비행기들은 보통 되돌아올 수 없고,몇몇 비행기들은 특정한 조건에서만 되돌아올 수 있으며, 몇몇 비행기들은 보통 되돌아올 수 있다. 조종사는 성공적인 turn back으로 이어지지 않는 한 turn back을 시도해서는 안 된다.
출항 활주로로 turn back을 하기 위해 180도 이상의 방향 변화가 필요할 수 있다. 또한 turn back으로 인해 활주로를 overshoot 하는 경우가 있을 수도 있으며이때 조종사는 turn back을 완료한 후 몇 초 이내에 aiming point를 확인한 다음 필요한 수정을 수행해야 한다. 저고도에서의 turn back은 학생 조종사, 비행시간이 적은 조종사, 훈련되지 않은 조종사, 충분한 숙련도가 없는 조종사, 그리고 착륙 활주로로 돌아가기 위한 활공 성능이 불충분한 비행기를 조종하는 조종사에게 위험을 야기한다. 이륙 후 emergency turn back을 언제 어떻게 수행하는지에 관심이 있다면 특정 비행기의 “the impossible turn” 실현 가능성(혹은 실현 불가능성)을 설명 및 시연할 수 있는 교관으로부터 교육을 받아야 한다.
