자세계

자세계(attitude indicator, AI) 또는 자세지시기, 자이로 지평선(gyro horizon) 또는 인공 지평선(artificial horizon)은 조종사에게 지구 지평선에 대한 항공기의 방위를 알려주고 가장 작은 방위 변화도 즉시 알려주는 비행계기이다. 축소된 항공기와 지평선 막대는 실제 지평선에 대한 항공기의 관계를 모방한다.  이것은 계기 비행 기상 상태에서의 비행을 위한 주요 계기이다.https://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_manuals/aircraft/ AMT Handbook - Aircraft Instrument Systems page 10-56

자세는 항상 사용자에게 도 (°) 단위로 제공된다. 그러나 센서, 데이터 및 계산과 같은 내부 작동은 과학자와 엔지니어가 라디안으로 작업하는 것을 선호할 수 있으므로 도와 라디안을 혼합하여 사용할 수 있다.

역사
항공의 출현 이전에는 천문항법에서 인공 지평선이 사용되었다. 자이로스코프 또는 회전하는 팽이에 기반한 이러한 장치에 대한 제안은 1740년대로 거슬러 올라가며,Jörg F. Wagner: From Bohnenberger's Machine to Integrated Navigation Systems. 200 Years of Inertial Navigation. Photogrammetric Week 05.  존 서슨의 작업도 포함된다.

또 다른 주목할 만한 발전은 1785년에 일어났는데, 영국 수학자이자 레티머 스쿨의 교장인 존 애덤스는 '육상에서 사용되는 인공 지평선' 발명으로 왕립예술학회로부터 은메달을 받았다. 애덤스는 학회에 보낸 편지와 역사 기록에서 1764년에 사이펀 원형 수준기를 얻었으며, 1778년에는 런던의 계기 제작자 피터 돌런드에게 이를 위도와 경도 계산에 적용할 수 있는 방법을 제안했다고 자세히 설명했다.

나중에 구현된 기포 지평선이라고도 불리는 장치들은 기포 수준기에 기반을 두었으며 육분의에 부착되었다.I.C.B Dear, Peter Kemp (ed.): The Oxford Companion to Ships and the Sea, Oxford University Press, 2016, pp. 22, 77 2010년대에는 액체 수은을 사용한 인공 지평선의 잔해가 HMS 에러버스의 난파선에서 회수되었다.2015 Artifacts, 2018 Artifacts, Wrecks of HMS Erebus and HMS Terror National Historic Site

사용
섬네일|자세계 내부
자세계의 필수 구성 요소로는 지평선에 상대적으로 비행하는 것처럼 보이도록 장착된 상징적인 미니어처 항공기가 있다. 조종사의 시선을 고려한 조절 손잡이는 항공기를 위아래로 움직여 지평선 막대에 맞춘다. 계기의 상단 절반은 하늘을 나타내는 파란색이고, 하단 절반은 땅을 나타내는 갈색이다. 상단의 뱅크 지수는 항공기의 뱅크 각도를 보여준다. 중앙의 기준선은 지평선에 대한 피치 각도(위 또는 아래)를 나타낸다.

대부분의 러시아제 항공기는 다소 다른 디자인을 가지고 있다. 배경 디스플레이는 서양 계기와 같이 색상이 지정되어 있지만, 피치를 나타내기 위해 위아래로만 움직인다. 항공기를 나타내는 기호(서양 계기에서는 고정되어 있음)는 뱅크 각도를 나타내기 위해 좌우로 회전한다. 서양식 및 러시아식 시스템의 제안된 하이브리드 버전은 더 직관적일 수 있지만, 보급되지는 않았다.Safety expert proposes low-cost loss of control fixes , FlightGlobal, 2011-03-04

작동
섬네일|upright=1.5|진공 펌프를 이용한 진공 시스템
섬네일|upright=.8|벤투리를 이용한 진공 시스템
자세계의 핵심은 고속으로 회전하는 자이로스코프이다. 자이로스코프는 전동 모터 또는 주변에 배치된 로터 베인에 공기 흐름이 작용하여 회전한다. 공기 흐름은 진공 펌프 또는 벤투리로 구동되는 진공 시스템에 의해 제공된다. 벤투리의 가장 좁은 부분을 통과하는 공기는 베르누이 방정식에 의해 공기압이 낮아진다. 자이로스코프는 이중 짐벌에 장착되어 항공기가 피치 및 롤할 때 자이로스코프는 수직으로 똑바로 유지된다. 중력에 의해 작동하는 자체 직립 메커니즘은 베어링 마찰로 인한 모든 세차 운동을 상쇄한다. 항공기 엔진이 처음 작동된 후 직립 메커니즘이 자이로스코프를 수직으로 똑바로 세우는 데 몇 분이 걸릴 수 있다.

자세계에는 계기가 중력 방향에 대해 수평을 유지하게 하는 메커니즘이 있다. 계기는 장시간 가속, 감속, 선회 또는 장거리 비행 중 지구의 곡률로 인해 피치 또는 뱅크에서 작은 오류가 발생할 수 있다. 우선, 계기는 종종 바닥에 약간 더 많은 무게를 가지고 있어서 항공기가 지면에 있을 때 수평으로 매달리고 따라서 시동될 때 수평이 된다. 그러나 일단 시동되면 바닥의 그 흔들리는 무게는 수평이 아니더라도 수평으로 당기지 않고, 대신 그 당김이 자이로를 세차 운동하게 한다. 작동 중 자이로가 중력 방향에 매우 천천히 정렬되도록 하기 위해 일반적인 진공 동력 자이로는 로터 케이싱에 공기 구멍을 부분적으로 덮는 작은 진자가 있다. 자이로가 중력 방향에 대해 수평이 아닐 때, 진자는 중력 방향으로 흔들리면서 구멍을 드러내거나 덮어서 공기가 구멍 밖으로 분출되거나 방지되게 하여 자이로를 중력 방향으로 향하게 하는 작은 힘을 가한다. 전동 자이로는 비슷한 효과를 얻기 위해 다른 메커니즘을 가질 수 있다.

구형 자세계는 허용되는 피치 또는 롤의 양에 제한이 있었다. 이 한계를 초과하면 자이로 하우징이 짐벌에 닿아 세차력이 발생하여 자이로가 회전할 수 있었다. 이를 방지하려면 피치가 60°를 초과하고 롤이 100°를 초과하면 자이로를 잠그는 케이징 메커니즘이 필요했다. 최신 자세계는 이러한 제한이 없으므로 케이징 메커니즘이 필요하지 않다.

자세계는 대부분의 오류가 없지만, 직립 시스템이 작동하는 속도에 따라 급가속 시 약간의 기수 상승 표시와 급감속 시 기수 하강 표시가 있을 수 있다. 또한 180° 회전 후 작은 뱅크 각도 및 피치 오류가 발생할 가능성도 있다. 이러한 내재된 오류는 작으며, 직선 수평 비행으로 돌아온 후 1분 이내에 저절로 수정된다.

비행 지시 자세 지시계

자세계는 유인 우주선에도 사용되며 비행 지시 자세 지시계 (FDAI, Flight Director Attitude Indicators)라고 불리는데, 이는 관성 측정 장치 (IMU)로부터 고정된 공간 관성 기준계에 대한 우주선의 요 각도(기수 좌 또는 우), 피치(기수 상 또는 하), 롤 및 궤도를 나타낸다. FDAI는 지구 또는 별에 대한 알려진 위치를 사용하도록 구성할 수 있으므로 엔지니어, 과학자 및 우주비행사는 우주선의 상대적 위치, 자세 및 궤도를 통신할 수 있다.

자세 및 방위 참조 시스템
자세 및 방위 참조 시스템 (AHRS)은 링 레이저 자이로스코프를 기반으로 3축 정보를 제공할 수 있으며, 이는 "글래스 콕핏" 주 비행 디스플레이 (PFD)와 같이 항공기 내 여러 장치와 공유될 수 있다. 회전하는 자이로스코프 대신 최신 AHRS는 고체 전자 장치, 저가형 관성 센서, 율 자이로 및 자기계를 사용한다.

대부분의 AHRS 시스템에서 항공기의 자세계가 고장나면 계기판 중앙에 대기 자세계가 있으며, 여기에는 속도계 및 고도계와 같은 다른 대기 기본 계기도 있다. 이러한 대부분의 기계식 대기 계기는 전자식 비행 계기가 고장나더라도 계속 사용할 수 있지만, 대기 자세계는 전기적으로 구동되며 전기 공급이 끊어지면 짧은 시간 후에 고장난다.

자세 방향 지시계

자세 방향 지시계 (ADI) 또는 비행 지시계 (FDI)는 비행 지시 시스템 (FDS)과 통합된 자세계이다. ADI는 AHRS와 같은 항법 시스템으로부터 정보를 수신하고 이 정보를 처리하여 조종사에게 원하는 경로를 유지하기 위한 3D 비행 궤적 신호를 제공하는 컴퓨터를 포함한다. 이 신호는 V 조종 바 형태로 나타난다. 항공기는 델타 기호로 표현되며, 조종사는 델타 기호가 V 조종 바 안에 오도록 항공기를 조종한다.

 같이 보기 
 항공전자 두문자어 및 약어
 에어 인디아 855편 추락 사고
 대한항공 8509편 추락 사고
 주변 시야 지평선 디스플레이 (PVHD)
 선회 경사 지시계

 각주 

 같이 보기 


분류:항공전자
분류:기술 시스템