[항공역학] 속도의 종류

비행을 하기 위해선 여러 종류의 속도를 알아야 한다. 운전을 하면 단순히 인지해야 하는 속도는 계기판에 나오는 km/h이다. 해당 속도는 준수해야 하는 모든 속도의 기준이고 그 이외 따로 고려해야 하는 것은 없다. 하지만 비행의 경우 고도, 바람, 기온 등 여러 가지 요인이 있기에 인지해야 하는 속도가 한두 개가 아니다. 흔히 비행 관련 속도를 알기 위해 사용하는 기억 도구 (Mnemonic Device)는 ICE TG이다. 

첫 번째는 Indicated Airspeed다. 말 그대로 '지시대기속도'로 해석할 수 있는데 계기판에 나오는 속도라 생각하면 된다. 비행에 사용되는 속도는 우리가 흔히 아는 km/h, miles/h가 아닌 knot를 사용한다. Knot의 역사 및 의미는 다음에 알아보기로 하고 대강 km로 변환하면 1.81km 정도이다. 다시 본론으로 돌아와 계기판에서 읽히는 숫자가 바로 지시대기속도이다. IAS는 pitot tube와 static port를 통해 속도를 계산한다. Pitot tube는 비행기가 나아가는 방향으로 구멍이 뚫려있기에 속도가 빠를수록 들어오는 공기 분자의 양도 많아진다. 이때 들어오는 분자를 총압이라 하는데 동압과 정압의 합이라 할 수 있다. Static Port는 비행기 옆면에 있으며 정압만 측정한다. 고도가 올라가면 공기밀도가 내려가 정압도 내려가고 고도가 낮아지면 공기밀도가 올라가며 정압도 올라간다. 총압에서 정압을 뺀 것이 동압인데 IAS의 속도는 실제 우리가 흔히 말하는 속도와는 다르다. 밑에서 언급되겠지만 날씨나 다른 영향을 받아 우리가 흔히 말하는 표준 기압과 실제 기압은 다르기 때문이고 바람 등 비행 속도에 변화를 줄 수 있는 다른 요소들 또한 많기 때문이다. 그뿐만 아니라 아날로그 형식으로 속도를 측정하기 때문에 pitot tube와 static port의 상태를 수시로 확인해야 한다. 특히 pitot tube는 잘 막힐 수 있는데 앞에 총압을 측정하는 구멍과 수증기, 물 등이 빠져나갈 수 있는 drain hole이 뒤에 있다. 비행을 하다 보면 착빙 현상이 생길 수 있어 pitot tube에는 anti-icing 장비가 작은 비행기에도 장착되어 있는 경우가 대다수이며 막힐 경우 속도계는 0을 지칭하게 된다. 

두 번째는 C, 즉 Calibrated Airspeed (교정대기속도)이다. 계기판에서 읽히는 지시대기속도는 Pitot Tube와 Static Port로 측정된다. Pitot Tube는 총압을, Static Port는 정압을 계산해 동압을 도출해내고 그것을 계기로 나타내는 것이 속도계이다. 하지만 아날로그 형식인 만큼 한계가 있는데 이는 계기오차 및 위치오차이다. 계기오차는 비행기 내 전기장으로 인해 속도 계기판에 오류가 생기는 것이고 위치오차는 Pitot tube와 Static Port가 비행기에 부분적으로 설치돼 있기에 아주 정확한 속도는 측정하지 못하는 편차가 생길 수 있는 오류이다. 해당 오류를 수정한 것이 교정대기속도이다. 

세 번째는 Equivalent Airspeed (등가대기속도)이다. 해당 속도는 교정대기속도를 특정 고도에서의 단열압축에 대해 수정한 속도이다. 조금 더 쉽게 설명하자면 압축성 효과에 의해 발생하는 온도에 따른 밀도변화를 고려한 속도라 할 수 있다. 표준대기 온도가 아닐 경우 등가대기속도와 교정대기속도는 상이하겠지만 표준대기 온도인 15도에서는 이론적으로 두 속도는 같다. 사실상 표준대기 기준이 아닐 경우 등가대기속도는 교정대기속도보다 낮으며 200노트, 10,000ft 이하에서의 등가대기속도는 교정대기속도와 크게 차이 나지 않아 계산하지 않는 것이 통상적이다.

네 번째는 True Airspeed (진대기속도)이다. 진대기속도는 교정대기속도에서 표준대기 외 온도 및 고도 값을 수정한 속도이다. 진대기속도는 고도가 높아질수록 교정대기속도 대비 증가하며 이는 속도계의 원리인 pitot tube와 statiic port를 통해 알 수 있다. 앞서 언급헀듯이 pitot tube는 총압, static port는 정압을 측정해 속도를 계산하는데 고도가 상승하며 공기 밀도 자체가 낮아지며 pitot tube에 들어가는 총압 자체가 낮아진다. 이에 따라 지시 속도계가 나타내는 속도와 실제 속도에는 차이가 발생하는 것이다. 통상적으로 1000ft 상승마다 교정대기속도 대비 진대기속도가 2% 정도 높다고 본다. 

마지막으로는 Ground Speed (대지속도)이다. 대지속도는 쉽게 말해 진대기속도에 바람의 영향을 고려한 속도이다. 차를 탈 때 우리는 보통 바람의 영향을 고려하지 않는데 이는 지면과의 마찰로 인해 바람의 영향을 크게 받지 않기 때문이다. 하지만 비행기의 경우 공기를 사용해 양력과 추력을 발생시켜 앞으로 나아가기 때문에 바람의 영향을 크게 받을 수밖에 없다. 정풍으로 20kt만큼 바람이 분다면 진대기속도에서 20kt를 차감한 속도가 대지속도가 되고 반대로 배풍이 20kt만큼 분다면 진대기속도에 20kt만큼 추가한 것이 대지속도가 될 것이다. 하지만 바람의 방향이 해당 예시같이 단순하지 않다면 E6B 같은 도구를 사용해 속도에 얼마나 영향을 끼치는지 계산할 수 있다. 

위를 통해 비행 시 숙지해야 할 5가지 속도에 대해 알아봤다. 고도가 높을 때, 온도가 평소보다 높아 공기밀도가 낮을 때, 배풍이 심할 때, 갑작스러운 뱅크를 줄 때, 우리는 지시속도가 교정대기속도, 등가대기속도, 진대기속도 그리고 대지속도와 다르다는 것을 알 수 있다.