항공기에서 대기자료시스템은 항공기 주변의 동압, 정압, 대기온도 등 대기자료를 수집하여 항공기의 정확한 속도, 고도 등을 계산하는 중요한 역할을 한다. 본 기고에서는 대기자료시스템의 개념과 목적을 서술하고, 대기자료컴퓨터(ADC, Air Data Computer) 기능점검 중 발생한 Pitot Heat 오시현 오류의 원인과 정상적인 회로 신호가 발생할 수 있도록 개선한 사항을 소개한다.
대기자료시스템(Air Data System)이란?
대기자료시스템은 항공기 주변의 대기 물리량을 측정하여 조종사에게 속도, 고도, 상승률, 외기 온도 등의 정보를 조종사에게 제공하며, 비행 정보들의 정확성은 항공기 안전과 직결되어 있다. 또한, 자동비행 조종시스템(AFCS)1) 및 항법장비에 필요한 정보들을 제공하는 역할도 하고 있다.
대기자료시스템에는 크게 대기자료컴퓨터(ADC)2), 피토관, 정압포트, 외기 온도센서, 공압라인 등으로 구성되어 있다. 대기자료컴퓨터는 피토관, 정압포트, 외기 온도센서로부터 측정되는 물리량을 속도, 고도, 상승률, 외기온도로 계산하고 이를 위한 위치 오차 보정 Software가 반영되어 있다. 피토관은 전압(Pt, Total Pressure)을 측정하고 방빙 즉, 결빙을 방지하는 기능이 포함되어 있다. 정압포트는 정압(Ps, Static Pressure)을 측정하고 외기 온도센서는 외기온도(Total Air Temperature)를 측정한다. 마지막으로 공압라인은 피토관 및 정압포트에서 측정되는 압력을 대기자료컴퓨터에 전달하며 피토관 및 정압포트 내부의 수분이나 미세먼지를 항공기 배면에서 배출 가능하도록 설계되었다.
그림 1. 회전익항공기의 피토관 및 정압포트
대기자료시스템 오작동으로 인한 사고 사례
대기자료시스템의 작동 불량으로 인한 사고 사례들은 고정익과 회전익 항공기 모두에서 찾아볼 수 있다. 첫 번째로 2009년 5월 31일 에어프랑스 447편의 사고 사례는 리우데자네이루 갈레앙 공항을 출발하여 파리 샤를 드 골 공항에 도착하기 전 항공기가 실속 상태에 빠지며 추락하였다. 블랙박스 회수 후 분석한 결과에 따르면, 항공기의 피토관이 일시적으로 얼어붙는 상황에 처했고, 항공기는 더이상 속도를 감지할 수 없게 되어 자동조종장치가 꺼져 수동조종으로 전환되었다. 속도계와 고도계가 잘못된 정보를 제공함에 따라 조종사는 순간 혼란에 빠졌고, 속도와 고도를 회복하기 위해 비행기 기수를 들어 올렸지만 실속 상태에 빠져 바다로 추락하였다. 두 번째로 2025년 1월 미육군 블랙호크 헬리콥터와 여객기 충돌 사례이다. Reagan National은 해당 노선에서 헬리콥터는 평균 해발 200ft(61m) 이하로 비행해야 한다고 규정하고 있지만, 실제 UH-60 헬리콥터는 278ft(84m) 고도에서 비행한 것으로 조사되었다. ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast) 시스템이 고장 났거나 꺼져있어 조종사들이 정확한 고도 정보를 파악하지 못한 것이 사고 원인 중 핵심으로 지목되었다. 마지막으로 2013년 9월 9일 캐나다 정부 교통부에서 운영하는 캐나다 해안 경비대 메서슈미트-뵐콥브-블롬은 노스웨스트 준주 맥클루어 해협에서 얼음 측정 및 정찰 임무 도중 비상착륙 하였다. 주원인은 정압 포트 및 피토관 근처에 설치된 케이블과의 간섭으로 속도계가 오작동하여 비정상적인 속도 데이터를 조종사에게 제공한 것으로 나왔으며, 비행 중 이상 신호를 감지한 조종사는 즉시 비행을 중단하고 비상착륙 하였다.
그림 2. (좌측부터) 에어프랑스 447편 사고, 블랙호크 사고, 그리고 캐나다 해안 경비대 사고
대기자료시스템의 세부 구성
대기자료시스템이 항공기 비행에서 어떤 역할을 하는지 세부 구성장비들의 기능들은 아래와 같다. 먼저 피토관은 구조가 단순하면서도 유속 측정 원리가 베르누이 방정식을 기반으로 하여 높은 신뢰도를 제공한다. 피토관은 기체 전면부에 장착되어 기체의 전진 흐름을 감지하도록 설계되며 5홀 또는 7홀 피토관을 채택하여 받음각(Angle of Attack)과 사이드슬립까지 측정 가능하도록 하였다. 정압 측정을 위한 정압포트는 로터 난류 영향성을 피하고자 헬기 격벽이나 영향이 적은 외부에 설치가 된다. 공압라인은 피토관과 정압포트를 통해 측정되는 압력 데이터를 대기자료컴퓨터로 전송하는 기계적, 전기적 전송선로 역할을 한다. 온도센서는 항공기 외부의 온도를 측정한다. 대기자료컴퓨터는 각 센서로부터 측정된 데이터를 기반으로 아래 과정을 거쳐 조종사에게 제공되는 정보를 계산하고 자동비행 조종시스템 및 항법장비 등과 연동되어 있다. 피토관 전면에서 유입되는 전압(Pt)은 정압과 동압의 합으로 이루어져 있으며, 비압축성의 조건에서 아래 베르누이 방정식을 따른다.
(1)
(2)
여기서 Pt는 전압, Ps는 정압, V는 대기 상대속도(Airspeed), ρ는 공기 밀도를 나타낸다. 위 식은 비압축성 흐름을 가정한 기본 원리이며, 실제 비행 환경에서는 마하수(Mach Number), 고도 변화에 따른 대기 밀도, 압축성 효과 등을 고려한 보정이 추가된다. 공기의 밀도는 아래의 이상기체 방정식을 통해 계산하게 되며 정압포트와 외기 온도센서에서 수집된 정보를 활용한다.
(3)
(4)
여기서 P는 정압이며, R은 공기의 기체상수(287.05 J/kgK), T는 외부온도(절대온도)를 나타낸다. 위 과정을 통해 항공기의 속도, 고도 등을 계산하고 조종사가 실시간으로 확인할 수 있도록 스마트 다기능시현기(SMFD)3)에 시현한다.
그림 3. 피토관 형상
PITOT HEAT FAIL 시현 품질개선
아래는 대기자료컴퓨터(ADC)의 기능점검 수행 간 발생한 미흡사항과 품질개선 과정을 설명한다. 대기자료계통 기능시험절차에는 결함 신호 작동을 점검하도록 되어있다. 이는 ADC에 전원을 인가하는 회로를 차단할 경우 스마트 다기능시현기(SMFD) 화면상 ADC 결함 사실이 정상적으로 시현되는지 확인하는 목적으로 수행된다. 먼저 ADC의 정상 동작 상황을 플로우차트로 나타내면 아래 그림4와 같다. 조종사로부터 ADC는 원격데이터변환장치(RDC)4)와 주의 경고패널(CWP)5)에 신호를 전달한다. RDC는 직류 전류(DC, Direct Current) 신호와 Pitot Heat 신호를 바탕으로 피토관의 On/Off 여부를 확인하고, Off 상태일 시 SMFD를 통해 Pitot Heat Fail을 조종사에게 알려준다. CWP도 DC 신호를 바탕으로 주의등 램프를 점등/소등 한다.
그림 4. 대기자료시스템 정상 작동 Flow Chart
ADC 기능점검 간 식별된 결함은 ADC2의 전원을 인가하는 회로를 차단하는 절차에서 발생하였다. 아래의 그림5와 같이 Pitot Heat 스위치 Off 또는 Fail 조건에서 ADC2 전원 상실시 CWP 주의등이 점등되고(Fail 상태) SMFD 화면에 Pitot Heat Fail로 시현되어야하나 CWP 주의등이 소등상태(Normal 상태)로 유지되고 SMFD 화면에도 Norm (Normal)로 잘못 시현하여 지적되었다. 이는 피토관이 실제로 작동하지 않고 있지만 조종사는 인지하지 못하는 상황에 마주할 수 있으며 잘못된 정보들을 통해 비행 안전에 위협을 받을 수 있는 상황이다.
그림 5. Pitot Heat Fail 미흡 사항
지적사항에 대한 원인 분석 결과는 다음과 같다. Pitot Heat Fail 발생 시, ADC2 전원에서 28V DC 신호가 CWP 및 RDC에 전송된다. 하지만 Pitot Heat Off 또는 Fail 상태에서 ADC2 전원이 상실되었을 경우 0V DC 신호가 CWP 및 RDC에 전송되며 Normal 상태로 인식하게 된다. 따라서 CWP 주의동 램프는 On 되지 않고 소등상태로 유지되고 SMFD 또한 Normal로 시현되었다.
개선 방향으로 Pitot Heat Fail 공급 신호에 ACD1 전원을 추가 연결하여 ADC2 전원이 상실되어도 ADC1 전원에서 Fail 신호를 공급하여 CWP 주의등 점등 및 SMFD 화면에 Fail로 시현될 수 있도록 변경하였다.
그림 6. 개선된 대기자료시스템의 작동 Flow Chart
맺음말
본 고에서는 국방 항공분야에서 사용하는 대기자료시스템의 개념과 목적을 기술하였으며 그 세부 구성품과 각 역할들에 대하여 소개하였다. 또한, 대기자료시스템의 고장으로 인해 발생한 사고 사례를 살펴보며 항공기 안전성 확보에 대한 경각심을 한 번 더 일깨울 수 있었다. 대기자료시스템은 항공기 주변의 대기 물리량을 측정하여 조종사에게 속도, 고도, 상승률, 외기 온도 등의 정보를 조종사에게 제공한다. 이러한 비행 정보들은 항공기가 실속 상태에 빠지지 않도록 조종하는 근거가 되고 타 항공기, 주변 장애물과 위치정보를 정확하게 계산함으로써 충돌을 방지하는 등 항공기 안전과 직결되어 있다. 대기자료시스템의 구성품 중 피토관에서 발생한 미흡 사항을 분석하였고 신호의 이중화를 통해 근본적인 문제점을 개선하는 활동을 수행하였다. 우리 원에서 본 고에 소개한 미흡 사항뿐만 아니라 많은 품질개선을 통해 대한민국 군부대에 납품되는 무기체계들이 기술적, 품질적으로 세계적인 경쟁력을 갖출 수 있도록 활동하기를 기대한다.
- 1) AFCS(Automatic Flight Control System)
- 자동비행 조종장치
- 2) ADC(Air Data Computer)
- 대기자료컴퓨터
- 3) SMFD(Smart Multi-Function Display)
- 스마트 다기능시현기
- 4) RDC(Remote Data Concentrator)
- 원격데이터변환장치
- 5) CWP(Caution Warning Panel)
- 주의 경고패널
- 참고문헌
-
- H. J. Jeong, W. G. Jeong & Y. S. Hwang, "The Calibration of ADS for Korean Utility Helicopter". Conference of Aeronautical & Space Sciences, pp. 773-776 ,2013.
- F. Schettini & G. Di Rito "Novel Approach for Angles Calibration of Air-Data Systems with Inertial Measurements". Journal of Aircraft, Vol. 54, No. 5, pp. 1640-1648, 2017.
- Black Hawk pilots may have missed important air traffic control directive before DC plane crash, https://nypost.com/2025/02/14/us-news/black-hawk-pilots-may-have-missed-important-air-traffic-control-directive-before-dc-plane-crash/?utm
- Aviation Investigation Report A13H0002, https://www.tsb.gc.ca/eng/rapports-reports/aviation/2013/a13h0002/a13h0002.html?utm
- S. H. Kim & Y. J. Kang, "Calibration of a Five-Hole Multi-Function Probe for Helicopter Air Data Sensors". Journal of Aeronautical & Space Sciences, Vol. 10, No. 2, pp. 43-51, November 2009.
- D. J. Kim, Y. S. Cheon, R. S. Myong, C. W. Park, T. H. CHo, Y. M. Park & I. H. Choi, “Design of Pitot-Tube Configuration Using CFD Analysis and Optimization Techniques”. Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 32, No. 5, pp. 392-399, 2008.
- Y. Eski, B. Vaheddoost & D. Yilmaz, "A Laboratory Study on the Design and Performance Evaluation of Pitot-Tube". Journal of Innovative Science and Engineering, Vol. 7(2), pp. 122-132, 2023.