비행기가 안전하게 비행을 하기 위해서는 속도가 정말 중요합니다. 지난 포스팅에서 속도계에 대해 정리해 보았는데요, 이번 포스팅에서는 비행기 속도의 종류와 의미에 대해 한번 살펴보려고 합니다.
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항공기 속도계 구조와 작동 원리, Airspeed indicator (ASI), 동압정압 계통(Pitot-Static pressure), 피토관(Pit
지난 포스팅에서 항공기의 기본 계기인 식스팩(six pack)에 대해 다뤄보았습니다. 오늘은 그중 항공기의 속도를 측정하여 표시해 주는 항공기 속도계, Airspeed indicator에 대해 자세히 정리해 보겠습
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이전 포스팅에서 속도계가 속도를 측정하여 표현하는 방식에 대해 정리하였는데요, 이렇게 속도계가 표현하는 속도를 Indicated Airspeed (IAS)라고 합니다. 그러나 이렇게 항공기에서 측정된 속도 외에도 비행하는 주변 대기특성에 따라 차이를 나타내기도 하고, 속도계 기계적 에러, 바람의 영향 등에 의한 속도 등 종류가 다양하게 있습니다.
1. Indicated Airspeed (IAS) - 지시대기속도
2. Calibrated Airspeed (CAS) - 보정대기속도
3. Equicalent Airspeed (EAS) - 등가대기속도
4. True Airspeed (TAS) - 진대기속도
5. Groundspeed (GS) - 지면속도
[ IAS : Indicated Airspeed, 지시대기속도 ]
IAS는 피토관(Pitot tube)과 정압관(Static port)으로 측정된 압력을 속도계가 환산하여 노트(Knot) 단위로 표현해 준 속도입니다. 주로 항공기의 성능과 관계된 속도(Vne:한계속도, Vr:로테이션 속도, Vs:실속속도, Vref:어프로치 속도 등)들을 나타낼 때 사용이 되고 가장 많이 사용되며, 조종사가 비행을 하는데에 가장 중요한 속도 정보입니다. 바로 속도계에서 보여주는 속도이기 때문에 Indicated Airspeed라고 합니다.
비행기를 조종하면서 꼭 필요한 정보이고, 제작사 또한 기본적인 성능을 충족하기 위해 다양한 실험을 하겠지만, 속도계 자체에서 기계적인 성능 오차(Instrument error)가 발생할 수 있습니다. 그리고 항공기에 장착할 때 위치(Installation error)에 따라 성능에 오차가 발생할 수 있습니다.
조종사가 직관적으로 볼 수 있도록 제조사는 항공기의 성능에 관계된 제한 속도 등을 KIAS(Knot단위 Indicated Airspeed)로 제공합니다.
[ CAS : Calibrated Airspeed, 보정대기속도 ]
CAS는 위에서 말한 IAS에서 항공기에 장착된 속도계 자체의 오차(Instrument error)와 설치 오차(Installation error)를 보정한 속도입니다. 속도계 제조사는 속도계의 오차를 최대한 없애기 위해 노력하겠지만, 비행하는 속도의 모든 범위에서의 에러를 모두 제거하는 것은 불가능합니다.
어떤 속도에서, 플랩(flap) 세팅에 따라 그리고 설치 오차(Installation error)와 기계 오차(Instrument error) 등에 의한 속도계의 오차는 수노트가 될 수 있으며, 주로 낮은 속도에서 큰 오차를 발생합니다. 크루징과 높은 속도에서는 IAS와 CAS는 거의 같습니다.
비행기는 어프로치를 할 때 저속으로 랜딩을 하기 위하여 고양력 장치인 플랩(Flap)을 사용합니다. 플랩을 사용하면 항력(drag)이 발생하지만 날개의 에어포일의 양력계수(Lift)를 높여 실속속도를 낮춰 저속으로 랜딩을 가능하게 합니다. 플랩을 사용하면 비행기의 자세가 변하게 되는데, 플랩 각도가 커질수록 항공기의 자세는 피치가 올라가게 됩니다. 항공기의 자세가 바뀌면서 받음각 AOA(Angle of Attack)이 바뀌게 되고, 피토관(Pitot tube)으로 들어오는 Ram air의 압력에 오차가 생기게 됩니다. 피토관 주변에 있는 정압관(Static port)으로 Airflow가 들어오면서 정확한 압력의 측정이 어려워지게 됩니다.
CAS 차트(table)는 비행기의 매뉴얼(Aircraft manual)에서 찾을 수 있습니다.
CAS는 해면고도 Sea level에서 *ISA(International Standard Atmosphere) Condition으로 비행할 때의 TAS(True Airspeed)와 같습니다.
국제표준대기 (International Standard Atmosphere, ISA)
- 대기의 기상조건은 지역과 시간에 따라 수시로 변하므로 항공기의 성능을 계산하거나 비교하기 위해서는 참조해야 할 표준대기조건을 설정할 필요가 있습니다.
-ICAO는 해면고도(Mean sea level)에서 30km까지 정하고 있으며,
표준대기 상태는 해면고도에서 대기압 29.92 inHg(1013.2mb), 온도 15 ºC (59 ºF)
고도가 상승함에 따라, 온도는 1000ft당 2 ºC(3.5 ºF) 감소, 대기압은 1000ft당 1.00 inHg 감소
예) 5,000ft 표준대기 온도는 1,000ft당 2 ºC 감소하므로, 15 ºC-10 ºC=5 ºC가 됩니다.
만약, 5,000ft의 실제 온도가 -10 ºC라면 표준대기 상태보다 15 ºC 낮게 되고, ISA-10라고 표현합니다.
[ EAS : Equivalent Airspeed, 등가대기속도 ]
EAS는 CAS에서 공기의 압축성(Compressibility)으로 인해 발생하는 오차를 보정한 속도입니다. 동정압 계통(Pitot-Static system)은 대기조건이 이상기체(Ideal gas)라는 가정하에 설계되었습니다. 때문에 공기의 압축성은 전혀 고려되지 않았습니다. 그러나 현실에서는 공기가 압축성을 가지기 때문에 이로 인해 오차가 발생하게 됩니다.
공기의 압축성은 고속의 경우에 발생하기 때문에, 저속에서는 거의 무시됩니다. 항공기가 고속으로 비행할 때, Airfoil 부근의 공기밀도가 높아지면서 동압(Dynamic pressure)이 증가하면서 지시되는 속도가 높아지게 됩니다. 이를 보정해주지 않는다면 항공기 시스템은 실제보다 더 빠른 속도로 비행하는 것으로 인식할 수 있습니다. 약 300 knot가 넘어가면서 압축성으로 인한 오차는 눈에 띄게 커지게 됩니다.
EAS는 구조적 계산(Structural Calculation)을 하거나, 실험(Testing)을 할 때 주로 사용합니다.
EAS를 구하는 공식은 위와 같은데 이처럼 식이 복잡하기 때문에, 비행기에 내장되어 있는 ADC(Air Data Computer)가 대신 계산해서 보여주기 때문에 300노트가 넘어가는 고속으로 비행하는 조종사들에게도 공기의 압축성으로 인한 오차는 크게 문제가 되지 않습니다.
[ TAS : True Airspeed, 진대기속도 ]
TAS는 EAS에서 밀도에 의한 오차(Density error)를 보정한 속도입니다. 지구의 대기는 지표면으로부터 멀어질수록(고도가 높아질수록) 공기의 밀도가 낮아지는데, 공기의 밀도가 낮아지면 Pitot tube로 들어오는 동압(Dynamic Pressure)이 줄어들게 됩니다.
IAS를 유지하면서 상승한다면, 상대적으로 낮은 밀도의 고도로 올라가면서 Pitot tube로 유입되는 Dynamic pressure가 줄어들게 되면서 지시되는 속도(IAS)는 같지만 실제로 항공기가 비행하는 속도는 더 빠를 수 있습니다. 고도에 따라 지시되는 속도는 같아도 TAS가 달라지기 때문에 고도에 따른 항공기의 제한 속도(Vne)도 달라지게 됩니다.
TAS를 계산하는 방법은 크게 두 가지가 있습니다.
첫 번째는 Flight computer를 이용하는 것입니다. E6B를 이용하여 현재 비행하는 고도에서 온도와 PA를 기준으로 하고, 현재 IAS와 일치되는 TAS를 구하면 됩니다. 혹은, 굉장히 정밀한 전자 Flight computer 장비를 이용하여 CAS, Temperature, PA(Pressure Altitude)를 입력하면 자동으로 TAS를 계산해 주는 장비도 있습니다.
두 번째는 Rule of thumb을 이용하면 대략적인 TAS를 구할 수 있습니다. TAS는 고도 1,000ft 상승할 때 2%씩 증가합니다. CAS에 1,000ft당 2%씩 증가시키면 TAS를 대략적으로 구할 수 있습니다.
ex) 10,000ft에서 IAS가 250kts라면 TAS는?
→ 10 x 2% = 20%, 1.2(120%) x 250 = 300kts
TAS는 비행계획을 세울 때 주로 사용합니다. 그리고 Flight plan을 제출할 때 사용합니다.
[ GS : Groundspeed, 지면속도 ]
마지막으로 GS는 TAS에서 바람의 방향과 속도에 따라 보정한 속도입니다. 지면 대비 항공기가 움직이는 속도로 실제로 항공기가 지구의 지면을 움직이는 속도를 말합니다. GS로 실제 이동 거리와 이동 시간을 계산할 수 있습니다. 조종사는 GS로 비행시간, 예상 도착시간, 연료소모율, 항속거리 등을 계산하여 구할 수 있습니다.
[요약]
IAS에서 Instrument error, Installation error(Position error)를 보정한 것이 CAS -> 크게 차이가 발생하지는 않음
CAS에서 공기의 압축성(Compressibility error)을 보정한 것이 EAS -> 300kt 이하의 저속에서는 무시할 정도
EAS에서 밀도에 의한 오차(Density error)를 보정한 것이 TAS
TAS에서 바람(Wind)을 보정한 것이 GS
IAS ---(Density error)--> TAS ---(Wind correction)--> GS
항공기가 안전하게 비행을 하는데에 가장 중요한 것이 속도라고 할 수 있습니다. 이번 포스팅에서는 Airspeed의 종류에 대해 정리해 보았습니다. 다음 포스팅에서는 항공기 성능에 관련된 속도들에 대해 정리해 보겠습니다.
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