공간적 방향 상실

공간적 방향 상실(spatial disorientation)은 시야가 좋지 않은 기간에 흔히 발생하는데, 시각계가 방향 감각에 지배적인 감각이기 때문이다. 청각계, 전정 기관 (속귀 내부에 있음), 고유감각계 (피부, 근육, 힘줄 및 관절에 위치한 감각 수용체)는 함께 움직임과 균형을 조정하며, 강력한 시각적 단서가 없을 때 환상적인 비시각적 감각을 만들어 공간적 방향 상실을 초래할 수 있다.

항공에서 공간적 방향 상실은 항공기의 자세를 잘못 인식하게 만들 수 있으며, 이는 지평선에 대한 항공기의 방향을 의미한다. 조종사가 이러한 잘못된 인식에 의존하면 의도치 않은 회전, 상승 또는 하강으로 이어질 수 있다. 비행사에게 항공기 자세에 대한 올바른 인식은 야간이나 시야가 좋지 않아 수평선이 보이지 않는 상황에서 가장 중요하다. 이러한 조건에서 비행사는 자세 지시기를 참조하여 항공기 자세를 판단할 수 있다. 공간적 방향 상실은 다이빙 작업과 같이 시야가 감소된 다른 상황에서도 발생할 수 있다.

 비행 안전, 역사 및 통계 
섬네일|right|바라니 의자를 통해 예비 조종사를 대상으로 균형 테스트를 실시하고 있다

비행 중 공간 방향을 유지하는 것은 수많은 감각 자극(시각, 전정, 고유감각)이 크기, 방향, 빈도 면에서 다양하기 때문에 어렵다. 시각, 전정, 고유감각 입력 간의 차이나 불일치는 감각 불일치를 초래하여 착각을 일으키고 공간적 방향 상실로 이어질 수 있다. 시각은 방향 감각에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 간주된다.

1918년 친구 엘머 스페리가 고안한 초기 선회 경사계를 시험하던 중 미국 육군 항공단 조종사 윌리엄 오커는 시각적 참조 없이 구름 속을 비행하다가 묘지 나선 비행에 진입했다. 선회 지시기는 그가 선회 중임을 보여주었지만, 그의 감각은 그가 수평 비행 중이라고 알려주었다. 구름에서 벗어나자 오커는 급강하에서 회복할 수 있었다. 1926년 오커는 크리시 비행장에서 데이비드 A. 마이어스 박사에 의해 바라니 의자 균형 테스트를 받았다. 그가 경험했던 신체 회전 착각의 재현과 이후 선회 지시기를 사용하여 통과한 재테스트는 그가 계기 비행을 개발하고 옹호하는 계기가 되었다. 스페리는 자이로 컴퍼스와 자세 지시기를 발명했으며, 둘 다 1930년까지 시험 중이었다. 칼 크레인 중위와 함께 오커는 1932년 교습서인 『이론과 실제의 맹인 비행』을 출판했다. 계기 비행 훈련의 영향력 있는 옹호자로는 앨버트 헤겐베르거와 제임스 해럴드 둘리틀이 있었다.

1965년 미국 연방항공국은 조종사들에게 시계 비행 조건에서 시야가 좋지 않은 상황에서 발생할 수 있는 공간적 방향 상실의 위험을 경고하는 권고 회람 AC 60-4를 발행했다. 이 권고 회람의 새 버전은 1983년에 AC 60-4A로 발행되었으며, 공간적 방향 상실을 "어느 방향이 '위'인지 알 수 없는 상태"로 정의했다.

통계에 따르면 모든 일반 항공 사고의 5%에서 10%는 공간적 방향 상실에 기인하며, 이 중 90%는 치명적이다. 공간적 방향 상실과 G-LOC (G-포스 유도 의식 상실)은 군용 항공에서 인적 요인으로 인한 사망의 가장 흔한 원인 두 가지이다. 공간적 방향 상실 사고의 유병률에 대한 연구는 "조종사가 충분히 오래 비행한다면 ... 최소한 한 번의 [공간적 방향 상실] 에피소드를 경험하지 않을 가능성은 없다. 달리 말하면, 조종사는 두 그룹 중 하나에 속한다고 볼 수 있다. 방향을 잃었던 조종사와 방향을 잃을 조종사."라고 결론지었다.

 생리학 
인간이 공간에서 자신을 방향 잡을 수 있도록 상호 작용하는 네 가지 생리적 시스템이 있다. 시각은 방향 감각에 지배적인 감각이지만, 전정계, 고유감각계, 청각계도 역할을 한다.

공간 방향 감각 (그 반대가 공간적 방향 상실, 일명 Spatial-D)은 정지 상태 및 움직이는 동안 주변 환경(물리적 공간)에 대한 신체 방향 및 자세를 유지하는 능력이다. 인간은 지상에서 공간 방향 감각을 유지하도록 진화했다. 지상에서 좋은 공간 방향 감각은 시각, 청각, 전정, 고유감각 정보를 사용하는 데 의존한다. 선형 가속도, 각 가속도 및 중력의 변화는 전정계와 고유수용성 수용체에 의해 감지된 다음 뇌에서 시각 정보와 비교된다.

비행의 3차원 환경은 인체에 익숙하지 않아 감각 충돌과 착각을 일으켜 공간 방향 감각을 어렵게 하고 때로는 불가능하게 만든다. 이러한 다양한 시각적 및 비시각적 착각의 결과가 공간적 방향 상실이다. 알려진 항공기 가속도와 관련된 방향 상실을 정량적으로 예측하기 위한 다양한 모델이 개발되었다.

 전정 기관과 감각 착각 

섬네일|right|upright=1.5|반고리관을 포함한 속귀
전정 기관은 속귀의 특수 기관을 사용하여 선형 가속도와 각도(회전) 가속도를 감지한다. 선형 가속도는 이석 기관에 의해 감지되고, 각도 가속도는 반고리관에 의해 감지된다.

 잘못된 감각 
눈에 보이는 수평선과 같은 시각적 참조나 단서가 없으면 인간은 비시각적 감각에 의존하여 움직임과 균형 감각을 확립한다. 비행 중 비정상적인 가속 환경에서는 전정 기관 및 고유감각계가 오인되어 공간적 방향 상실을 초래할 수 있다. 항공기가 기동할 때, 차량 속도의 변화(선형 가속도) 및 방향 변화(회전 가속도 및 원심력)로 인해 관성력이 생성될 수 있으며, 이는 수직에 대한 지각적 오판을 초래한다. 이는 중력과 관성력의 복합적인 힘이 전정 기관이 중력의 수직 방향(지구 중심을 향함)이라고 가정하는 것과 일치하지 않기 때문이다.

이상적인 조건에서 시각적 단서는 환상적인 전정 입력을 압도할 충분한 정보를 제공하지만, 야간이나 악천후에서는 시각적 입력이 이러한 환상적인 비시각적 감각에 압도되어 공간적 방향 상실을 초래할 수 있다. 시야가 좋지 않은 비행 조건에는 야간, 물 위 또는 하늘과 섞이는 단조롭거나 특징 없는 지형 위, 화이트아웃 날씨, 또는 안개나 구름 속으로 비행한 후 의도치 않게 계기 비행 조건으로 진입하는 경우 등이 포함된다.

섬네일|left|선회 또는 조정된 선회를 하는 항공기에 작용하는 양력(L) 및 중량/중력(w) 힘
예를 들어, 조정된 (기울어진) 선회를 하는 항공기에서는 아무리 가파르더라도 수평선이 보이지 않는 한 탑승자는 공중에서 기울어졌다는 느낌을 거의 받지 않는다. 양력과 중력의 복합적인 힘이 탑승자를 좌우로 미는 횡력 없이 좌석에 누르는 것처럼 느껴지기 때문이다. 마찬가지로, 좌석에 대한 압력 변화를 눈치채지 못하고 점진적으로 상승하거나 하강하는 것이 가능하다. 일부 항공기에서는 시각적 참조 없이 조종사가 거꾸로 되어 있다는 것을 인지하지 못하고 음의 G-포스를 발생시키지 않고 루프를 실행할 수 있다. 어떤 방향으로든 움직임의 점진적인 변화는 전정 시스템을 활성화할 만큼 강하지 않을 수 있으므로 조종사는 항공기가 가속, 감속 또는 선회 중임을 깨닫지 못할 수 있다.

섬네일|right|자세 지시기(상단 중앙) 및 선회 경사계(하단 왼쪽)를 포함한 표준 비행계기 세트
자세 지시기(인공 수평선) 및 선회 경사계와 같은 자이로스코프 비행계기는 비시각적 감각에서 오는 오해의 소지가 있는 감각을 상쇄하기 위한 정보를 제공하도록 설계되었다.

 이석과 신체중력 착각 
각 귀에는 두 개의 이석 기관인 구형낭과 난형낭이 서로 직각으로 위치한다. 난형낭은 수평면의 선형 가속도 변화를 감지하고, 구형낭은 수직면의 선형 가속도를 감지한다. 인간은 수직 가속도가 중력에 의해 발생한다고 가정하도록 진화했다. 그러나 이석은 가속도만 감지하고 관성력과 중력을 구별할 수 없으므로, 중력이 수직면에 한정되지 않거나 차량 속도와 가속도로 인해 관성력이 중력에 필적할 때 구형낭과 난형낭은 오해의 소지가 있는 감각 인식을 제공할 수 있다. 이러한 예로는 헬리콥터의 수직 이륙 중 경험하는 관성력이나 자유 낙하 후 낙하산의 갑작스러운 개방이 있다.

이석 기관에 의해 발생하는 착각은 신체중력 착각(somatogravic illusions)이라고 불리며, 역전 착각(Inversion Illusion), 헤드업 착각(Head-Up Illusion), 헤드다운 착각(Head-Down Illusion)을 포함한다. 역전 착각은 가파른 상승 후 갑작스러운 수평 비행 복귀로 인해 발생한다. 이로 인한 전방 속도의 상대적 증가는 항공기가 뒤집혔다는 착각을 일으킨다. 헤드업 착각과 헤드다운 착각은 비슷하게, 갑작스러운 선형 가속(헤드업) 또는 감속(헤드다운)과 관련되어 항공기 기수가 위로 향하는(헤드업) 또는 아래로 향하는(헤드다운) 오인을 초래한다. 비행사는 이에 대응하여 기수를 아래로(헤드업) 또는 위로(헤드다운) 조종하도록 속을 수 있으며, 이는 각각 추락 또는 실속으로 이어질 수 있다.

일반적으로 헤드업 착각은 이륙 시 날개와 플랩 위로 양력을 생성하기 위해 강한 선형 가속을 사용할 때 발생한다. 시각적 참조가 없으면 조종사는 전정 기관으로부터 기수가 위로 향했다고 가정하고 급강하를 지시할 수 있다. 이것이 이륙 중에 발생하면 항공기는 지면에 추락하기 전에 회복할 충분한 고도를 확보하지 못할 수 있다.

 반고리관과 신체회전 착각 
섬네일|right|속귀와 반고리관이 보이며, 항공기의 롤, 피치, 요 축에 비유했다.
또한, 속귀에는 회전 가속도계인 반고리관이 있으며, 이는 하위 뇌에 피치, 롤, 요 축의 회전 가속도에 대한 정보를 제공한다. 각속도 변화는 관에 있는 유체와 머리에 고정된 관 자체 사이의 상대적인 움직임에서 감지된다. 관성 때문에 머리가 움직일 때 관에 있는 유체는 뒤처지는 경향이 있어 회전 가속도를 알린다. 그러나 유체가 마찰을 통해 움직임에 동화되어 머리 움직임과 일치하게 되면 장시간 회전( 이상) 후 반고리관의 출력은 중단된다. 그런 다음 회전이 멈추면 속귀에서 인지되는 움직임 신호는 비행사가 실제 비행 방향과 반대 방향으로 회전하고 있음을 나타낸다. 이는 관은 멈췄지만 유체는 계속 움직이기 때문이다. 또한 유체의 관성으로 인해 회전 가속도 감지 임계값은 약 2°/sec로 제한된다. 이 값 미만의 각가속도는 감지할 수 없다. 반고리관에 의해 유도되는 특정 일반적인 신체회전 착각으로는 기울어짐, 묘지 회전, 묘지 나선 비행, 코리올리 착각이 있다.

항공기가 인지되지 않는 장시간의 선회를 점진적으로 하다가 갑자기 수평 비행으로 돌아오면 기울어짐이 발생할 수 있다. 점진적인 선회는 반고리관 내의 유체를 움직이게 하고, 초당 2도(또는 그 이하)의 회전 가속도는 감지될 수 없다. 항공기가 갑자기 수평 비행으로 돌아오면 유체의 지속적인 움직임은 항공기가 방금 끝난 선회의 반대 방향으로 기울어지고 있다는 감각을 유발한다. 조종사는 원래 선회 방향으로 기울어짐으로써 수직에 대한 오인을 수정하려고 시도할 수 있다. 기울어짐은 공간적 방향 상실의 가장 흔한 형태로 간주된다.

섬네일|right|묘지 나선 비행과 묘지 회전
묘지 나선 비행과 묘지 회전은 모두 장시간 회전에 대한 반고리관의 적응으로 인해 발생한다. 약 20초 동안의 기울어진 선회(묘지 나선 비행의 경우) 또는 스핀(묘지 회전의 경우) 후에는 반고리관 내의 유체가 마찰에 의해 움직이게 되어 전정 기관은 더 이상 회전 가속도를 인지하지 못한다. 조종사가 선회 또는 스핀을 멈추고 수평 비행으로 돌아오면 유체의 지속적인 움직임은 항공기가 반대 방향으로 선회하거나 스핀하고 있다는 감각을 유발하며, 조종사는 의도치 않게 원래의 선회 또는 스핀으로 다시 진입할 수 있다. 항공기가 너무 많은 고도를 잃어 지형과 충돌하기 전에 착각을 인지하지 못하거나 항공기에 가해지는 G-포스가 기체 (항공)의 구조적 강도를 초과하여 치명적인 고장을 초래할 수 있다. 묘지 나선 비행과 관련된 가장 악명 높은 항공 사고 중 하나는 1999년 존 F. 케네디 주니어가 연루된 존 F. 케네디 주니어 항공기 추락 사고이다.

조종사가 뚜렷한 시각적 수평선을 볼 수 없는 상황에 항공기가 진입하면, 속귀의 드리프트는 수정되지 않은 채로 계속된다. 어떤 축을 중심으로 한 인지된 선회율의 오차는 초당 0.2~0.3도씩 축적될 수 있다. 조종사가 자이로스코프 비행 계기 사용에 능숙하지 않으면 이러한 오차는 항공기의 제어력을 상실하는 지점까지 축적되며, 일반적으로 묘지 나선 비행으로 알려진 가파른 급강하 선회로 이어진다. 기동 전과 기동 중 내내 조종사는 선회를 인지하지 못하고 항공기가 직선 비행을 유지하고 있다고 믿는다.

1954년 연구(180도 선회 실험)에서 일리노이 대학교 항공 연구소는 비계기 등급 조종사 20명 중 19명이 모의 계기 조건에 진입한 직후 묘지 나선 비행에 빠졌다는 것을 발견했다. 20번째 조종사도 항공기 제어력을 상실했지만, 다른 기동에서였다. 계기 조건 발생과 제어력 상실 사이의 평균 시간은 178초였다.

공간적 방향 상실은 특정 조건에서 계기 비행 등급 조종사에게도 영향을 미칠 수 있다. 조종사가 계기 비행 중에 머리를 너무 많이 움직이면 강력한 구르는 느낌(어지럼증)이 발생할 수 있다. 이를 코리올리 착각이라고 한다. 반고리관은 세 가지 다른 회전 축에 설정되어 있기 때문에, 조종사가 회전 가속도 중에 갑자기 머리를 움직이면 하나의 관은 갑자기 각가속도를 감지하기 시작하고 다른 관은 멈추어 구르는 느낌을 유발한다.

 시각 착각 
좋은 시야에서도 경사진 구름층, 익숙하지 않은 활주로 경사 또는 가짜 수평선과 같은 오해의 소지가 있는 시각적 입력은 착시를 형성하여 조종사가 수직 방향, 항공기 속도 또는 고도, 그리고/또는 거리 및 깊이 감각을 오판하게 만들 수 있다. 이는 전정 및 고유감각계에서 발생하는 비시각적 착각과 결합하여 훨씬 더 강력한 착각을 유발할 수도 있다.

 사례 

 같이 보기 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 방향 감각
 
 
 공간 능력
 지형적 방향 상실

 각주 

 외부 링크 
 

분류:시각
분류:고유감각
분류:항공 위험