비행기의 고도는 어떻게 측정할까? 고도계의 원리

비행기의 고도는 어떻게 측정할까? 고도계의 원리

고도계

고도는 하늘을 나는 비행기에 있어 가장 중요한 요소중 하나이다. 비행기는 항로라 불리는 하늘길을 날아다니는데 같은 길을 수많은 비행기가 함께 사용하기 때문에 서로 부딪히지 않게 고도를 분리해야 한다. 또 고도 별로 기압과 기상이 다르기 때문에 비행 중 연료를 절약하기 위해서나 더 쾌적한 환경에서 비행하기 위해 고도를 변경하기도 한다.

 

기압고도계(pressure altimeter)

고도를 측정하는 방법도 여러 가지가 있지만 가장 기본적으로 쓰이는 방식은 공기의 압력을 이용해 고도를 측정하는 것이다. 땅에서 가까워질수록 공기가 많이 모여있어 압력이 증가하고 하늘 위로 올라갈수록 공기의 압력이 낮아진다. 이런 특성을 이용해 현재 압력을 측정하여 고도를 지시해주는 것이 기압고도계이다.

고도에 따른 온도와 기압 감소

위 표에서 보는 것과 같이 각 고도에서의 대기 압력을 일정하다. 고도가 올라갈수록 대기압은 일정하게 감소하고 밀도가 약해지며 온도는 내려간다. (대류권을 넘어가면 온도 변화가 달라지는데 추후 자세히 다루겠다.)

 

기압고도계는 일종의 아네로이드 기압계인데 측정하는 기압을 해당하는 고도의 눈금으로 표시해 준다. 대기압과 고도와의 관계에서 고도를 나타내 주는 것이다. 압력은 항공기 동체 주위의 대기압을 측정해 사용하는데 정적인 압력이기에 정압(static pressure)이라고 하며 비행기에 장착된 정압구에서 측정된 압력을 사용한다. 고도 단위는 주로 feet를 사용하지만 러시아, 중국 등 일부 국가에서는 meter를 사용하기도 한다. 

정압공(Static port)

정압공(Static port)의 위치는 공기 와류의 영향이 적은 곳에 장착되는데 주로 동압관(Pitot tube)와 함께 있거나 아니면 전방 동체 옆 부위 양쪽에 장착되어 있다. 이곳에는 특별 페인트나 표식을 해서 특별 관리한다. 공기의 흐름을 방해하면 고도 측정이 잘못되거나 아예 고도가 측정 안될 수도 있기 때문에 이곳을 건드리는 것은 굉장히 위험하다. (동압관과 정압공이 함께 있는 것을 Pitot static tube라 한다)

 

고도의 종류

1. 기압고도(pressure altitude)

 표준대기압 해수면(29.92inHg/1013.2hPa)에서 항공기까지의 고도. 전이고도(Transition Altitude) 이상에서 모든 항공기는 이 고도를 기준으로 비행한다.

2. 진고도(True Altitude)

 실제 해수면상에서부터 항공기까지의 고도. 전이고도 이하(Transition Altitude) 사용하는 고도이다.  

3. 절대고도(Absolute Altitude)

 항공기 아래 지형에서부터 항공기까지의 고도. 전파고도계(Radio Altimeter)도 절대고도를 지시하는 계기의 일종이다. 

4. 밀도고도(Density Altitude)

 기압고도에서 표준대기조건을 벗어나는 온도변화를 반영한 고도. 항공기 이륙 및 상승 성능에 직접적인 영향을 미친다. 표준 대기압 상태에서는 기압고도와 밀도고도가 같다.  

5. 객실고도(Cabin Altitude)

 승객들이 탑승하고 있는 객실 내 압력을 표준대기압을 기준으로 나타내는 고도. 객실 내부는 여압장치로 실제 고도보다 압력이 높아 더 낮은 고도를 지시한다. 일반적으로 8,000ft 이하로 유지되며 항공기에 따라 다소 차이가 있다.

 

 

고도계 수정

고도계는 대기의 절대 압력을 측정하여 표준대기압력과의 관계를 통해 간접적으로 고도를 측정하는 장치이다. 만약 실제 대기압과 표준대기압이 다른 경우 고도는 같아도 고도계에서 나타내는 수치는 다르게 된다. 항공기가 착륙하는 공항의 기압은 매시각 달라 지기 때문에 항공기에 달린 고도계가 바뀐 기압에 따라 일정한 고도를 나타내게 조절을 해주야 한다. 고도계의 기압치를 조절하는 것을 Altimeter setting이라하며 다음과 같은 고도계 기압치 보정 방법이 있다.

 

QFE (현지기압, field elevation pressure)

공항공식표고(official elevation of the aerodrome)에서의 기압값. QFE를 기준으로 하여 기압고도계를 세팅한 항공기가 공항 공식 표고점(예:인천공항6.9m), 즉 공항에 착륙해 있을 경우 고도계 값은 '0'으로 표시된다. 이렇게 세팅하지 않으면 항공기가 실제로는 지상에 있어도 공중에 떠 있는 것으로 나타나기 때문에 착륙 시 시정이 안좋아 활주로 확인이 곤란한 상태에서 착륙을 시도할때 사용하기도 한다.

 

QFF (해면기압)

QFF는 공항 기압계 설치지점으로부터 평균해수면(mean sea-level)까지를 등온대기로 가정하고 해면경정한 기압 값으로 현재 온도를 적용한다. QFF와 QNH의 차이는 대기의 상태가 국제표준대기와 명확히 다를 때(예를 들어 기온이 높고 고도가 높은 공항) 확연히 구별된다.

 

QNH (고도계 수정치, atmospheric pressure at nautical height)

현지기압(QFE)에 ICAO 표준대기 값을 적용하여 해면경정한 값. QNH로 기압고도계를 세팅한 항공기가 공항 공식 표고에 있을 경우 고도계 값은 공항의 공식표고 값(예:인천6.9 m)을 나타낸다.

 

QNE (고도계 수정치, 전이고도(14,000 ft) 이상에서 사용)

QNE는 기압고도계의 고도계시도 0점을 표준대기 1013.2 hPa로 맞추는 고도계 수정치이다. QNE로 공항의 착륙지점까지의 고도를 알 수 있다. 특정 고도(전이고도) 이상을 비행할 때 모든 항공기들이 동일한 QNE 세팅을 통해 항공기 충돌을 방지하는데 주 목적이 있다.

 

실제 비행할때 자주 사용하는 고도계 수정치는 QNH와 QNE이다. 공항에서는 QNH를 사용하며 공항 ATIS를 통해 현재의 고도계 수정치를 수정한다. 이륙 후 상승하다 전이고도를 넘어가면 QNH를 setting하고 비행한다. 전이고도는 지역마다 다르며 우리나라와 일본의 경우 14,000ft를 적용한다.

 

 

전파고도계(Radio Altimeter)

전파고도계

보통 항공기는 위에 설명한 기압고도계를 사용해 비행하지만 항공기의 절대고도를 측정하기 위한 방법으로 전파고도계를 추가적으로 사용하기도 한다. 레이더를 사용하며 항공기에 장착된 송신 안테나에서 지상을 향해 전파를 발사하고 반사되어 돌아오는 시간을 측정해 항공기 직하방 지형과 항공기와의 절대고도를 구하는 방식이다. FM 고도계와 펄스형 고도계, AM-FM-SW 방식이 사용된다. 보통 0~2,500피트 범위에서 정확한 절대고도를 측정하는데 사용하지만 지표면의 상태에 따라 1~2%가량 고도 측정 오차가 존재한다.