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항공기 속도계 (피토관) 과 받음각 각도기 신뢰도 개선안
게시물ID : science_67896짧은주소 복사하기
작성자 : 이름없는자(가입:2013-01-08 방문:194)
추천 : 1
조회수 : 461회
댓글수 : 2개
등록시간 : 2019/03/12 16:10:36
현대 항공기의 운항과 안전은 속도계 등 많은 기계적인 센서에 의존하고 있다.
항공사고 분석 다큐 등을 보면 그 중에서도 항공기의 속도를 재는 속도계와 받음각을 재는 AOA센서의
오동작은 많은 항공사고의 원인이 되고 있고 이 둘의 정확성과 신뢰성은 항공기 안전에 절대적 전제조건이다.
속도계는 비행속도를 측정하고 받음각 각도기는 비행기가 앞뒤로 기울어진 정도 (pitch) 를 측정하는 센서인데 
둘다 항공기 외부에 달린 기계적 센서 이기 때문에 빙결 등 기상 상황이나 기계적 문제를 일으키기 쉽다.
작년 인도네시아 라이온 에어 항공기 사고도 받음각 센서의 오동작 문제라고 한다.
또 2009년 에어 프랑스 에어버스 330 대서양 추락사고등  피토관이 얼어서 일어난 사고를 많이 봐왔을 거다.
상대적으로 좌우 기울기 (roll)를 감지하는 센서나 비행 방향을 감지하는 센서는 사고원인이 되는 경우는 드물다.

비행기 속도계는 피토관이라고 불리는 구멍이 뚤린 기역자 파이프 인데 관의 내외부의 기압차로 속도를 측정한다.
외부에 튀어나와 바람을 받아들여 속도를 측정하니 폭풍우나 추운 고공에서 얼어붙거나 막히거나 하는 경우가 적지않다. 
그래서 비행기에는 3-4 개를 달아서 그중 한 두 개가 막혀도 지장이 없게 하고 있지만 
부착위치만 다를 뿐 같은 구조 같은 원리로 동작하니 전부 다 막히는 경우도 적지않다.
또 받음각 센서도 비행기 측면에 튀어나온 작은 날개 모양의 움직이는 풍향계 같은 바람 각도 측정기인데 
이것도 얼어붙거나 해서 움직이지 않게 되는 경우가 잦아서 좌우에 따로 달지만 역시 둘 다 고장나는 경우가 많다.
그래서 이 속도계와 받음각 각도기가 종종 항공사고의 직간접적 원인이 되고 있는 경우가 많다.

두 센서 다 결국은 바깥 공기에 항상 노출되어 있기 때문에 이런 고장이 잦은 데 
그래서 이런 막힘이나 기계적 고장을 개선하는 방법을 제안하고자 한다.
즉 바람의 속도와 각도 측정을 외기에 노출되지 않고 할 수는 없을까 하는 거다.

속도계를 둥근 막대기 같은 형태로 하고 바람에 대해 그 막대의 변형을 측정하는 걸로 속도를 측정하면 어떨까?
그러니까 고무나 플라스틱같은 탄력성 있는 재료로 마치 뿔이나 무전기 안테나처럼 막대기가 
기체 표면에  수직으로 튀어나와 있고  그 뿔이 바람을 맞아서 휘어지는 정도를 
막대 내부에 설치한 스트레인 게이지 등으로 휘어지는 힘을 측정해서 바람의 세기를 계산해 내는 거다.
이건 막힐 구멍 같은게 없고 눈비에 맞거나 얼어도 전혀 측정에 지장이 없다.
물론 이런 속도측정 뿔은 아무래도 오래동안 사용해온 피토관에 비해서는 
측정의 세밀한 정밀도는 떨어지므로 백업용으로 사용하는 것이다. 
그래도 항공기의 안전에 지장이 있을 정도는 아닐 것이다.

또 받음각 각도기도 비슷한 형태인데 이건 둥근 막대기 형태가 아니라 
마치 개나 토끼의 귀 또는 배의 방향타 처럼 납작한 판자형 막대가 2개가 튀어 나와 있는 것이다.
이 판자는 수평방향으로 튀어나오게 하고 아래위에 나란히 2개를 설치한다.
그리고 판자의 기울기를 위쪽은 45도 기울이고 아래쪽은 -45도로 반대로 기울인다.
즉 두 판자의 면의 각도는 90도 직각을 이룬다. 각이 만나는 쪽을 앞쪽으로 향한다. 
그러면 기체의 피치가 바람 방향에 대해 기수가 위쪽으로 향하고 있다면 (노즈 업) 
아래 쪽 판자에는 가해지는 바람의 압력이 더 강해질 것이고 위쪽은 약해질 것이다.  
반대로 기수가 아래쪽을 향한다면 (노즈 다운) 위 쪽 판자에 가해지는 압력이 더 강해지고 
아래쪽은 약해질 것이다. 만약 바람의 방향에 수평을 유지하고 있다면 두 판자에 가해지는 
바람의 압력이 거의 비슷할 것이다.  그래서 두 판자가 바람을 맞아 휘어지는 변형을 
스트레인 게이지로 측정해서 그 차이로 기울기를 측정하는 것이다. 

다만 받음각 각도기 처럼 바로 비례하는 값이 나오는 건 아니고 같은 받음각 기울기 라도 
비행기의 속도가 빨라지면 각 센서의 속도 측정치의 절대값이 커지므로 비율로 계산해야 할 것이다.
이런 받음각 센서는 위에서 설명한 속도 측정기의 역할 도 겸할 수 있다.
즉 두 판자의 바람의 속도의 평균이 바로 비행기의 속도가 되고 
그 두 판자에 가해지는 힘의 차이의 비율이 바로 받음각이 된다.
이건 충분히 컴퓨터로 쉽게 계산할 수 있기 때문에 두 판자에 가해지는 압력을 
측정하면 비행기의 속도와 받음각 각도를 한번에 간단히 측정해 낼 수 있다.

또 이 토끼 귀 형태를 수직으로 비행기의 상하면에 설치하면 
수평방향의 바람에 대한 기체의 방향 (yaw) 받음각도 쉽게 측정할 수 있다.
보통 측풍은 이착륙시에 매우 위험한 요소인데 쉽게 측정할 수 있다.
또 비행기가 비스듬히 roll을 하고 있어도 컴퓨터로 정확하게 
받음각의 중력방향/수평선 에 대한 수평/수직 성분을 계산할 수 있다.
또는 수직 수평으로 설치하는게 아니라 45도 대각선으로 네 귀퉁이에 
설치하더라도 총 8개 4쌍의 귀에 가해지는 압력을 컴퓨터로 계산하면 
기체의 받음각의 수직/수평 성분을 추출해 낼 수 있다.
이 8개 중에 한 두 개가 고장나더라도 나머지 값으로 보정하기도 쉽다.

구조적으로 매우 간단하고 스트레인게이지는 전자 저울에도 쓰이는 기술이므로 
쉽게 정밀하게 교정할 수도 있고  기술적인 문제없이 구조적으로는 전혀 날씨나 
결빙조건에 영향 받지 않는 매우 신뢰도가 높은  속도계와 받음각 각도기가 될 수 있을 것이다. 
최소한 백업용으로 쓰기에는 최적의 방식이 아닐까 한다.

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