Compass Systems

지구는 우주에서 회전하고 있는 거대한 자석으로서, 보이지 않는 자력선으로 구성된 자기장으로 둘러싸여 있다. 이 선들은 Magnetic North Pole(자기 북극) 표 면에서 나와 Magnetic South Pole(자기 남극)으로 다 시 들어간다. 자기력 흐름은 두 가지의 중요한 특성 을 가진다. 자유롭게 움직일 수 있는 모든 자석은 지 자기(地磁氣)와 정렬이 되고, 이 자기력선에 직각인 도체에는 전기가 유도된다. 항공기에 장착된 대부분 의 방향 지시계기는 이 두 특성 중 하나를 사용한다.

3.1.4.1 나침반 (Magnetic Compass)

가장 오래되고 간단한 방향 지시계기는 Magnetic Compass이다. 또한 VFR이나 IFR 비행을 하는 데 요구되는 계기이다. 자석은 물질의 하나로 보통 철 을 함유하고 있고, 자기력선을 당겨 잡고 있다. 모든 자석은 크기에 관계없이 두 개의 극을 가지고 있다 (북극과 남극). 어떤 자석이 다른 자석의 영역에 놓 여 있을 때, 다른 극은 서로 당기고 같은 극은 서로 밀친다.

[그림 3-17]와 같은 항공기 Magnetic Compass 는 Kerosene(케로신)과 비슷한 깨끗한 Compass 용 액이 들어 있는 밀봉된 용기 안에 두 개의 작은 자석 이 금속 Float에 부착되어 있다. 카드(Card)라 불리 는 눈금 표시는 Float 주변을 감싸고 있고, Lubber Line이 그려진 유리창을 통해 이 눈금을 볼 수 있다.

이 Card는 기본 방향을 나타내는 글자(North, East, South, West, 이 글자들 중간에 매 30도마다 있는 숫자)가 표시되어 있다. 마지막 자리 ‘0’은 생략되어 있다(예를 들어, 3=30도. 6=60도, 33=330도). Card 에는 문자와 숫자 사이에 길고 짧은 눈금 표시가 있

[그림 3-17] A magnetic compass [그림 3-16] Blocked pitot system with clear static system

어, 긴 눈금은 10도를 나타내고 짧은 눈금은 5도를 나타낸다. Float와 Card 부품은 중심에 강화된 축을 가지고 있어, 스프링이 장착된 특별한 강화유리 보석 컵에 올려져 있다.

Float의 부력은 축에 걸리는 대부분의 무게를 지탱 하고, 액체는 Float와 카드(card)의 진동을 완화한 다. 이러한 Jewel-and-pivot 형태의 장착은 Float 가 자유로이 돌고, 대략 18도까지 Bank가 질 수 있 도록 해 준다. 더 경사진 Bank 각에서 Compass 지 시는 불규칙적이고 예측할 수 없게 된다. Compass 덮개는 Compass 액체로 가득 차 있다. 온도가 변 하면서 액체의 팽창이나 수축으로 인한 손상이나 누출을 막기 위해 Compass Case 뒷면은 유연한 Diaphragm으로 밀봉되어 있거나, 어떤 Compass 는 금속 Bellow로 밀봉되어 있다. 자석은 지구의 자 기장에 정렬되어 있고, 조종사는 Lubber Line 반대 방향 눈금을 읽는다.

[그림 3-17]에서 조종사는 Compass Card의 뒷 면을 본다. Compass에서 볼 수 있는 것처럼 북쪽 으로 비행할 때 East는 오른쪽에 있지만, Magnetic Compass에서 330도를 나타내는 ‘33’과 North의 오 른쪽에 있게 된다. 명백히 뒷면 눈금이 나오는 이유 가 있다. Card는 가만히 있고 조종사와 Compass 틀 이 Card 주변을 돌기 때문에, 항상 Card를 뒷면에서 보게 되는 것이다. Compass의 윗면이나 바닥에 장 착되어 있는 보상 장치는 항공 정비사가 Compass 틀 안에 자기장을 생성하여 국지 자기장의 영향을 없앨 수 있도록 해 준다. 이 장치는 자차(磁差, 항공기 내 의 자기장이 지구의 자기장에 상호 작용을 하면서 발 생하는 나침반의 오차)를 수정할 수 있도록 해 준다.

보상 장치는 Compass 전면에서 돌릴 수 있도록 해

주는 Screwdriver 홈을 가진 두 개의 축을 가지고 있 다. 각각의 축은 하나 또는 두 개의 작은 보상 자석을 돌리도록 해 준다. 한 축의 끝은 E-W로 표시되어 있 고, 이 자석들은 항공기가 동이나 서를 가리킬 때 영 향을 준다. 다른 축은 N-S로 표시되어 있고, 항공기 가 남이나 북을 가리킬 때 영향을 준다.

3.1.4.2 Compass 오차 (Compass Errors) Magnetic Compass는 계기판에서 가장 간단한 계기이지만 고려해야 할 몇 가지 오차가 있다.

(1) 편차 (Variation)

지구는 지리학적 축을 중심으로 돌고, 지도와 차 트는 지리학적 극을 지나는 자오선(子午線)의 경도 를 사용하여 그려졌다. 지리학적 극에서부터 측정된 방위를 ‘진방위(True Direction)’라 부른다. 나침반 (Magnetic Compass)이 가리키는 자북은 지리학적 북극과 일치하지 않고 1,300Mile 떨어져 있으며, 자 북으로부터 측정된 방위를 ‘자방위’라 부른다. 항법 에서 진방위와 자방위의 차이를 ‘편차(Variation)’라 부른다. 측량과 지상 항법에서는 이 각도 차이를 ‘편 위(Declination)’라 한다.

[그림 3-18]은 지역의 편차를 숫자로 나타낸 등편 각선(Isogonic Lines)을 나타낸다. 시카고 쪽 지나는 선을 무편각선(Agonic Line)이라 부르고, 이 선을 따 라 두 극은 일치하며 편차는 없다. 이 선의 동쪽에서 자북은 지리학적 극의 서쪽에 있고, Compass 지시 에서 진방위를 얻기 위해 수정을 해야 한다. 예를 들 어, Washington DC 구역으로 비행할 때 편차는 10 도 West이고, 만약 True Course South(180도)로 비 행하고 싶다면 이 각도에 편차를 더하여 Magnetic

Course는 190도가 된다. California Los Angeles에 서 비행할 때, 편차는 15도 East이다. 그곳에서 True Course 180도로 비행하기 위해서 Magnetic Course 165도에서 편차를 빼야 한다. 편차 오차는 항공기 의 방향에 따라 달라지지 않는다. 등편각선(Isogonic Line)을 따라서 어디든 동일하다.

(2) 자차 (Deviation)

Compass 내부의 자석은 다른 자장과 정렬한다.

배선이나 구조의 자성화된 부분 근처에서, 구조 를 흐르는 전기에 의해 발생하는 항공기 내 자기장 (Local Magnetic Field)은 지구의 자기장과 충돌하 여 ‘자차(磁差)’라는 Compass 오차를 발생시킨다.

편차와는 달리 자차는 각각의 방향마다 다르지만, 지형적 위치에 의한 영향은 받지 않는다. 편차 오차 는 줄이거나 바꿀 수 없지만, 자차 오차는 항공 정비 기술자가 정비(‘Swinging the Compass’)를 하면 최

소화할 수 있다. 대부분의 공항들은 자기 간섭이 없 는 Taxiway나 Ramp의 어느 지역에 여러 줄로 구 성된 Compass Rose를 가지고 있다. 자북에 맞춰진 선들은 [그림 3-19]처럼 매 30도마다 표시되어 있 다. 항공 정비 기술자는 각각의 Magnetic 방향에 정 렬시키고 Compass 지시와 실제 항공기 Magnetic

[그림 3-18] 등편각선 (Isogonic Lines)과 무편각선 (Agonic Line)

[그림 3-19] 진북(True North)과 자차(Deviation) 관계

방향의 차이를 줄이기 위해 Compensating Magnet(보상 자석)을 조절한다. 제거할 수 없는 오 차는 [그림 3-20]처럼 Compass Correction Card 에 기록하고, Compass의 Card Holder에 붙여 놓 는다. 만약 항공기의 Radio를 켜 놓은 상태에서 Magnetic 방향 120도로 비행하고 싶다면 Compass 방향 123도로 비행하여야 한다.

편차와 자차의 수정은 올바른 순서대로 적용되어 야 한다.

True Course를 알고 있을 때 Compass Course를 알기 위해:

True Course±Variation=Magnetic Course±

Deviation=Compass Course

Compass Course를 알고 있을 때 True Course를 알기 위해:

Compass Course±Deviation=Magnetic Course

±Variation=True Course

(3) 경차(傾差), 자기 굴절(Magnetic Dip)

자기력선은 자기 북극을 떠나서 자기 남극으로 들 어간다. 양 위치에서 자기력선은 지국 표면에 수직 이다. 양극 사이의 중간인 자기 적도에서, 자기력선 은 지구 표면과 평행하다. Compass 내부의 자석은 이 자기장에 정대 하고 극 근처에서는 Float와 Card 는 기울게 된다. Float는 작은 경사 보상

추(Dip-compensating Weight)에 의해 균형이 맞추어져 북반구의 중위도에서는 비교적 수평 상태에 머물 게 된다. 무게와 함께 이 경차(Dip)는 두 가지 현저 한 오차를 유발한다. 북선 오차(Northerly Turning Error)와 가감속 오차(Acceleration Error)이다. 지 구 자기장의 수직 성분이 당기는 힘은 남쪽이나 북 쪽 방향에서 현저한 북선 오차를 유발한다. 항공기 가 북쪽으로 비행할 때, 항공기가 동쪽으로 선회하 기 위해 오른쪽으로 Bank를 주면 Compass Card는 오른쪽으로 기울어진다. 지구 자기장의 수직 성분은 북쪽을 찾고 있는 자석의 끝을 잡아당겨 Float가 돌 아가고 Card를 서쪽으로 돌게 하여 선회하는 쪽의 반대 방향으로 선회가 이루어진다.

[그림 3-21]처럼 만약 북에서 서쪽으로 선회를 한 다면, 항공기는 왼쪽으로 Bank를 주고 Card는 왼 쪽으로 기울어진다. 자기장은 자석의 끝을 잡아당겨 Card가 동으로 돌게 만든다. 계기 지시는 선회 방향 의 반대가 된다.

이 오차의 규칙성은, 북쪽 방향에서부터 선회를 할 때 Compass 지시는 선회보다 지연되어 지시한 다. 항공기가 남쪽 방향으로 비행할 때, 동쪽으로 선 회를 하면 지구의 자기장은 자석의 끝을 잡아당겨 Card를 동쪽으로 돌아가게 하고, 같은 방향의 선회 가 이루어진다. 만약 남에서 서로 선회를 한다면, 자 기장은 Card를 서쪽으로 당기고 선회 방향과 같은 방향으로 돌아간다.

이 오차의 규칙성은, 남쪽 방향에서부터 선회 를 할 때 Compass 지시는 선회보다 앞서 지시한 다. 가감속 오차에서 경사 보상 추(Dip-correction Error)는 N이 표시되어 있는 Float와 Card의 끝을 반대쪽보다 무겁게 한다. 항공기가 동쪽이나 서쪽

[그림 3-20] 자차(Deviation) 수정 표

방향에서 동일한 속도로 비행하고 있을 때, Float와 Card는 수평이다. Magnetic Dip과 무게의 영향은

거의 동일하다. 만약 항공기가 [그림 3-22]처럼 동 쪽 방향에서 가속하면 무게의 관성은 Float를 뒤로

[그림 3-21] 북선 오차(Northerly turning error)

[그림 3-22] 가감속 오차(acceleration error)

잡고 있게 되고, Card는 북쪽으로 돌아가게 된다.

항공기의 속도가 안정되면 Card는 동쪽 지시로 되 돌아온다.

만약, 동쪽으로 비행하고 있을 때, 항공기가 감속 하면 관성은 무게를 앞으로 움직이게 하고 속도가 다시 안정될 때까지 Card를 남쪽으로 돌아가게 한 다. 서쪽으로 비행하고 있을 때 같은 일이 발생한다.

가속에 의한 관성은 무게가 처지게 하고, Card는 북 으로 돌아간다. 서쪽으로 비행하고 있을 때 항공기 를 감속하면, 관성은 무게를 앞으로 움직이게 하고 Card는 남쪽으로 돌아간다.

(4) 와동 오차(Oscillation Error)

진동(와동)은 모든 오차의 결합으로 Compass Card를 비행하는 방향의 앞뒤로 움직이게 한 다. Gyroscopic 방향 Indicator를(지시계기를) Magnetic Compass와 일치하게 설정할 때, 흔들림 의 평균 지시치를 사용한다.

3.1.4.3 Vertical Card Magnetic Compass Compass의 Floating-magnet 형태는 이전에 언 급했던 오차뿐만 아니라, 읽는 데 있어 혼동을 유발 한다. Card가 반대 방향에 나타나기 때문에 반대 방 향으로 선회하기 쉽다. East는 서쪽에 표시되어 있 다. Vertical Card Magnetic Compass는 이런 오 차와 혼동을 제거한다. Compass의 눈금판은 주요 방향과 매 30도마다 숫자, 매 5도마다 눈금으로 표 시되어 있다. 눈금판은 축이 장착된 자석에 Gear로 연결되어 돌아가고, 계기 유리에 있는 비행기 그림 은 눈금판의 항공기 방향을 읽는 Lubber Line을 의 미한다. 자석의 진동은 알루미늄 Damping Cup에

있는, 유도되는 와상 전류 흐름(Eddy Currents)에 의해 완화된다. [그림 3-23]