1. 개요
영어로는 "pitot tube(피토 튜브)"라고 한다. pitot는 이 원리를 개발한 18세기 프랑스인 앙리 피토(Henry Pitot)의 이름을 딴 것이다.피토관은 흐르는 유체(기체건 액체건 상관 없다)의 속도를 측정하는 장치다. 특히 항공기의 비행속도는 이것을 이용한다. 물론 항공기의 경우에는 정확히는 그 자체의 비행속도라기보다는 항공기가 나가면서 생기는 맞바람의 속도를 측정하는 셈이지만.
2. 상세
원리 자체는 단순하다. 비행기 정면을 향하고 있는 피토관은, 관 앞쪽 작은 구멍이 뚫려 있으며 관 옆구리, 혹은 별도로 마련된 항공기 옆구리에 또 다른 구멍이 뚫려 있다. 그리고 이 각각의 관에는 압력계가 달려 있다. 피토관, 혹은 비행기 옆구리에 뚫린 구멍으로 압력을 측정하면 비행기 속도와 관계 없이 주변 대기압만 측정된다. 반면 비행기 정면을 향한 피토관 앞쪽 구멍은 대기압 + 밀려 들어오는 맞바람이 만드는 압력이 함께 측정된다. 주변 대기압은 정압(static pressure)이라 부르며 피토관 앞쪽 구멍의, 대기압+밀려들어온 맞바람이 만든 압력을 전압(total pressure)라 부른다. 그러면 이제 전압에서 정압을 뺀 나머지 압력은 순수하게 맞바람에 의해서만 만들어진 압력이다. 이를 동압(dynamic pressure)라고 부른다. 이렇게 측정된 동압을 이용하면 속도를 계산할 수 있다. [1]
사실 맞바람의 속도는 대체로 항공기의 속도와 같지만 항상 같지는 않다. 즉 비행기 정면에서 별도의 바람이 불어온다면 피토관의 속도는 실제 비행기가 날아가는 속도보다 더 큰 값을 나타낼 것이다. 하지만 항공기의 속도 표시에서 확인할 수 있듯, 항공기에게는 지상을 기준으로 한 실제 비행속도(ground speed)보다는 공기에 대한 상대적인 속도(airspeed)가 중요할 수 있다.
항공기에게 있어서 레이더나 INS, GPS 등을 이용한 속도 측정장치가 개발되기 전까지는 피토관이 유일한 속도 측정 수단이었다. 사실 피토관 이외의 다른 수단으로 측정하는 속도값은 항공기 자체의 실제 비행속도지만(주로 목적지 도착 예상 시간을 계산하는데 사용), 피토관이 측정하는 속도는 항공기의 조종에 매우 중요한 대기속도이기 때문에(항공기의 양력과 항력 및 비행 특성 등은 대기속도에 따라 변한다) 지금도 거의 모든 항공기에는 피토관이 필수적으로 달린다.
피토관은 최초기의 항공기를 제외한 모든 항공기에 장착되어왔다. 심지어 우주왕복선에도 달려 있다. 다만 우주왕복선은 다른 항공기들과 달리 수납식인데 이러한 이유는 역시나 재돌입 과정에서 발생하는 문제를 방지하기 위함이다.
디스커버리 노즈기어 도어 상부에 작은 대각선으로 보이는 것이 바로 피토관
보잉 787의 피토관
다만 측정 방법이 기압을 이용한 것이기 때문에 오차가 생길 수 있는 변수가 상당히 많다. 예를 들어 지형의 심한 기복, 날씨(기압의 변화), 습도 등. 이런 변수들에 의해서 값이 변할 수 있기 때문에 항공사들은 자사의 항공기에 대한 매뉴얼에 여러 변수에 의한 피토관의 오차를 표기한다.
게다가 항공기 자체의 비행자세나 속도에 따라 주변의 정압이나 동압이 변하기 마련이므로 이 점도 고려해야 한다. 특히 아직 개발 진행중인 프로토타입 항공기들은 매우 긴 피토관을 달고 있는데, 이런 항공기 자체가 피토관에 주는 영향을 최소화하기 위해서다. 보통 이 피토관으로 데이터를 많이 모은 다음, 나중에 양산형에는 더 작은 피토관을 다는 대신 항공기의 영향 등이 보정되어 들어가도록 만든다.
위 그림에서 왼쪽의 YF-22 라이트닝 II는 프로토타입, 오른쪽의 F-22 랩터는 양산형이다. YF-22의 기수 앞에는 뾰족한 피토관이 길게 뻗어 있다. F-22 기수부분 전방동체 좌우를 보면 작은 피토관이 달려 있다.
Su-57의 프로토타입 1번기와 5번기. 공력 특성 테스트가 3번기에서 완료되었기 때문에 4번기부터 피토관이 제거되었다.
프롭기 위주의 시절에는 엔진 갯수가 홀수인 기종은 프로펠러로 인해 발생하는 바람(후류)에 의한 영향을 최소화하고, 엔진 회전에 대한 롤링 반작용(propeller torque 보통 토크 라고 부른다.)을 억제하기 위해 한쪽 날개에 달아서 썼지만, 제트화가 진행되고 나서부터는 주로 기수쪽에 피토관을 달았다. 물론 제트화 이후에도 여전히 날개에 피토관을 다는 선택을 한 기종은 많았으며,[2] 아예 꼬리 날개에 피토관을 장착한 경우도 있다. 보통 기수 제일 앞에 뾰족하게 달리는 것이 이 피토관. 그러나 최근에는 작은 피토관을 여러개 다는 것이 대세가 되었는데, 속도 계산 등에 일종의 컴퓨터를 쓰다보니 보정 기술도 늘었고, 또 플라이 바이 와이어 시스템에 각각의 비행제어 컴퓨터에 각각의 속도 값을 따로 주는 일종의 백업 개념이 들어가서 그렇다.
최근에는 통합형 비행 데이터 계측기라 하여 피토관 역할 + 받음각 측정기 역할을 겸하는 장치도 나왔다. 게다가 위 그림에서 보듯 생긴 것도 매우 단순하다. 크기가 작으니 공기저항도 줄고, 특히 스텔스 항공기들은 레이더 반사 면적도 줄일 수 있어 좋다.
속도를 측정하는 장치이므로 피토관이 막히거나 고장나서 생기는 사고도 빈번하다. 페루 항공 603편(수리 중 막아놓은 것을 실수로 안 떼서 고장.)[3] , 버겐에어 301편(피토관에 벌집(...)이 생김), 에어 프랑스 447편, 2008년 괌에서 추락한 미군의 B-2 폭격기(둘 모두 피토관에 물이 참)[4]의 추락 원인도 이 계통의 문제. 특히 최신예 항공기들은 플라이 바이 와이어로 움직이므로 컴퓨터는 전적으로 이 피토관이 측정한 속도값을 기반으로 항공기의 속도를 판단하고 비행제어 명령을 내리는데 이 속도값이 잘못되면 비행기가 멋대로 작동할 수도 있고 조종사가 별 수를 쓰지 못하고 추락하는 사고가 생긴다. B-2의 추락사고가 대표적. 이 때문에 피토관에는 결빙을 방지하기 위해 전열기가 들어있어 온도가 매우 뜨겁다. 그래서 비행이 막 끝난 뒤 정비사들이 주의를 기울이지 않으면 피토관에 데여서 화상을 입는 사고도 종종 발생한다.
한국에서도 제22대 공군참모총장 조근해 대장이 탑승한 UH-60 헬리콥터가 갑자기 추락하는 사고가 있었는데 이것도 피토관 이상 때문이었다. UH-60은 수평 꼬리날개의 각도를 자동으로 조절하는 장치가 일종의 피토관을 이용하여 속도값을 측정하는데 하필 거기에 벌레가 들어가서 비행중임에도 피토관은 속도가 0이라고 잘못된 신호를 보내서 순항 비행중임에도 수평꼬리날개가 갑자기 호버링 모드로 움직여 조종사가 대처하지 못하고 추락했다.[5]
피토관은 종류에 따라 두 개의 구멍으로 이루어져 있는데 하나는 공기가 들어오는 구멍, 다른 하나는 배수관이다. 이런 것은 공기구멍만 막히면 속도계가 완전히 고장나 0을 가리키지만, 둘 다 막히면 고도계가 된다. 그러므로 항공기를 몰 때는 조심하자. 잘못된 속도 정보를 기반으로 비행하다가 실속에 빠져서 그대로...
GA에서 자주 일어나는 사고가 결빙으로 피토관이 막혀 온갖 장비가 마비되어 추락하는 사고인데, 추운 날씨의 구름 속을 지나가면 피토관에 얼음이 달라붙어서 관을 막아버리기 때문에 일어난다. 이것을 방지하기 위해 피토관을 전기열선으로 데워서 얼음을 없애주는 장치가 거의 모든 비행기에 장착되어 있다.
현재는 피토관을 아예 매립식으로 만드는 방안에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
3. 피토관 속도식
[math( v= C\sqrt{\dfrac{2hg}{\rho} } )]h(수두 높이),g(중력가속도),[math({\rho})](밀도),C(마찰계수)
3.1. 계산 예
빠르게 흐르는 물에 피토관을 설치하였다 수주의 높이가 0.4591m일때 물의 유속(m/s)은 얼마인가? (단 마찰계수 1,밀도 1로 가정)[math( v= 1\sqrt{\dfrac{2\cdot 0.4591 \cdot 9.8}{1} } )]
[math( v= 2.9 m/s )]
3.2. 계산 예2
피토관의 압력 수두 차가 5cm로 측정된다면 물의 유속(m/sec)은 얼마인가?(이때 지시계 유체는 수은(비중13.6)을 사용)
[math( v= 1\sqrt{\dfrac{2\cdot 0.05 \cdot 9.8}{\dfrac{1}{13.6}} } )]
[math( v= 3.65 m/s )]
4. 참고 문서
[1]
동압=0.5*공기밀도*속도^2 이므로 이를 역으로 계산하면 속도를 알 수 있다. 단 이는 매우 느린 속도에서만 통하는 이야기고, 속도가
마하 0.3만 넘어가도 공기가 점성이 생기면서 속도에 의해 밀도가 변하는 압축성 기체로 변하므로 여기에 대한 보정식을 추가로 넣어 줘야 한다. 특히 밀도나 압력변화가 급격한 초
음속 비행을 위해서는 또 다른 수식 등을 이용하여 계산해야 한다.
[2]
특히 프로브 급유를 받는 함재기가 그런 경우가 많다.
[3]
정확히는 피토관이 아닌 정압공을 테이프로 막아서 생긴 사고다.
[4]
다만 AF447편의 경우는 결빙 문제가 금방 해결되었으나 부기장이 계속 사이드스틱을 당겨 기수가 올라가버려 실속 상태에 빠졌고 조종사들이 패닉에 빠져 실속에서 벗어나지 못해 결국 추락한 것이다. 즉 피토관의 결빙이 직접적인 추락 원인이 된 건 아니다.
[5]
당시 한국에서 비전시 상황에 사망한 공군 고위 장교로써는 첫 번째 사례인지라 상당히 여러 음모론이 나돌았고 유족들은 헬리콥터 제작사에 소송을 청구하였으나 패소했다. 자세한 사항은 22대
조근해 전 공군참모총장 항목과
UH-60 항목참조.