서론

회전익기는 기술적 난이도와 부가가치가 높은 대표적인 첨단기술 집약체로서 민-군 간 기술겸용성이 다른 항공기에 비해 우수하며, 인력수송, 응급의료, 농업용, 방송 촬영 등의 다양한 목적으로 운용하고 있다. 그러나 항공기의 노후화로 인해 교체 및 신규 운용 등의 수요가 증가하고 있다. 또한, 최근에는 지상교통체증, 환경오염 등을 해결하기 위해 도심항공교통(UAM, Urban Air Mobility)으로 대변되는 도심 내 3차원 공중교통체계에 대한 연구가 활발히 진행중이며, 기술이 진보함에 따라 실현 가능성이 급속하게 커지고 있다. 이에 따라 자연스레 항공기 수요가 급증할 것으로 예측되지만 수요의 급증과 동시에 사고의 위험도 증가하고 있다. 표 1은 2023년 기준, 비운송용 항공기의 최근 10년간 사고 통계를 보여주며, 총 21건의 사고가 발생하였다. 하지만 이는 조류충돌 등을 고려하지 않은 집계이며, 조류충돌까지 고려할 경우 사고 건수가 더욱 많이 집계될 것으로 예상된다. 조류충돌은 사람, 구조물 등에 크고 작은 피해를 발생시켜 비행안전에 크고 작은 영향을 줄 수 있기 때문에 항공기 설계 시 반드시 고려해야 한다.

또한, 회전익기의 경우 대부분 사출장치가 없고 낮은 고도에서 운항하기 때문에 추락 시 연료계통(연료탱크, 연료펌프, 연료노즐 등)으로 인한 화재가 발생할 가능성이 높으며, 이는 승무원의 생명에 지장을 줄 수 있기 때문에 이에 대한 고려가 반드시 이뤄져야 한다. 실제로 항공기 추락으로 인한 화재로 인해 인명사고가 다수 발생했다는 통계적 분석 결과가 있다. 이러한 항공기 사고의 위험을 줄이기 위해 민간과 군의 모든 항공기는 비행안전성을 확보했다는 정부의 인증인 감항인증의 획득을 법적으로 의무화했으며, 조류충돌과 연료계통 내추락성에 대한 철저한 검증을 요구하고 있다. 이에 따라 본 기고에서는 조류충돌과 연료계통 내추락성 관련 사고 통계 및 대표 사례와 관련 감항인증기준에 대해 소개하고자 한다.

항공기 조류충돌 사고

조류충돌 사고 통계

그림 1은 미국 연방항공청(FAA, Federal Aviation Administration) 에서 지난 20년간 미국 내 발생한 조류충돌 건수에 대한 통계로 코로나가 발생한 2020년을 제외하고 꾸준히 증가하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 사고별 충돌부위를 분석한 결과, 윈드실드, 랜딩기어 순으로 빈번하게 충돌하고 엔진, 날개 및 로터 순으로 손상이 크다는 결과를 얻었다. 표 2는 부위별 조류충돌 및 손상빈도 건수 중 일부를 보여준다.

조류충돌 사고 사례

시콜스키(Sikorsky) 社 S-76C N748P 추락사고

PHI 社가 소유한 시콜스키(Sikorsky) 社 S-76C N748P가 2009년 1월 4일 루이지애나주(State of Louisiana) 아멜리아(Amelia)에서 출발한 지 7분 만에 출발지로부터 12마일(Mile) 떨어진 습지에 추락했다.

사고원인은 PHI 社가 자사 소유의 S-76C 윈드실드(Windshield)에 층간분리 현상이 발생하자 영국 민간 항공 요구사항(British Civil Airworthiness Requirements)의 조류충돌 기준을 충족한 기존 윈드실드를 조류충돌에 대한 설계 적합성 인증을 받지 않은 AAI 社의 일체형 주조 아크릴 윈드실드로 교체한 것이다. 화학적 강화유리와 폴리카보네이트(Polycarbonate)층으로 이뤄진 기존 윈드실드는 아크릴 윈드실드보다 조류충돌 시 승무원 보호기능이 더 뛰어나며, 아크릴 실드로 기존 복합체 윈드실드와 동등한 수준의 조류충돌 시 승무원 보호기능을 발휘하기 위해선 강화유리 복합체 윈드실드보다 3배 이상 두꺼워야 한다.

이를 인지하지 못한 PHI 社는 자사 소유의 S-76C 46대의 기존 윈드실드를 전부 주조 아크릴 윈드실로 교체하였고, 그 결과 조류충돌로 N748P가 추락하여 주조종사 1명, 부조종사 1명, 승무원 6명이 사망하였고, 승무원 1명이 중상을 입었다.

벨(Bell) 社 407 N620PA 추락사고

2017년 11월 19일, Air Methods Corporation 社가 소유한 Bell 407 N620PA가 아칸소주(State of Arkansas) 스텃가트(Stuttgart) 인근 저수지에 추락했다.

미국 연방 교통안전위원회는 해당 회전익기의 추락원인을 찾기 위해 사고현장을 조사했고, 조종실에서 야간 투시경(Night vision goggle)의 파편과 새의 유해를 발견했다.

조종실에서 발견한 새 유해는 워싱턴(Washington)에 있는 국립 자연사 박물관의 깃털 식별 연구소로 보내졌고, 해당 새 유해는 평균 무게가 4.8~5.48파운드인 눈 거위(Snow goose)로 확인하였다. 이에 따라 미국 연방 교통안전위원회는 해당 추락사고의 원인을 조류충돌로 인한 항공기 제어 불능으로 식별하였다.

연료계통 내추락 사고

연료계통 내추락 사고 통계

항공기 연료계통은 연료를 저장하고, 보조동력장치(APU, Auxiliary Power Unit)와 엔진으로의 연료 공급, 연료탱크 간 연료이송, 각 연료탱크 내의 잔여 연료량 측정 등의 기능을 수행한다. 연료계통은 항공기 화재의 직접적인 영향을 미치며, 실제로 추락 시 화재를 일으켜 중사고를 발생시키는 경우가 여럿 있었다. 중사고는 승무원 혹은 조종사가 사망하는 상황 등이 발생했을 때를 말한다. 실제로 미국 연방항공청에서 회전익기 추락사고에 의한 인명피해에 대한 자료를 분석한 결과, 연료계통 내추락성을 고려하지 않았던 시기에 승무원 사망사고 원인 전체의 60%가 화재임을 파악할 수 있었다. 또한, 베트남전에서 발생한 회전익기의 생존가능 추락사고 중 13.3%에서 화재가 발생했으며, 사망사고를 기준으로 한다면 화재 관련 사망사고는 약 37.4%로 집계되었다. 이에 따라 연료계통 내추락성에 대한 연구가 본격화되었다. 표 3은 연료계통 내추락성에 대한 연구의 일환으로 1967년부터 1969년까지 UH-1과 AH-1 헬리콥터의 ‘생존 가능한 추락사고’를 분석한 결과를 보여준다. ‘생존 가능한 추락사고’는 추락시 발생한 가속도가 인체가 감내할 수 있는 범위이며, 기체 구조가 파손 또는 변형되더라도 탑승자가 생존할 수 있는 충분한 내부 공간이 남아있는 경우를 의미한다. ‘생존 가능한 추락사고’ 중 화재가 발생한 건수는 약 13.3%이며, 화재로 인해 생존이 가능했음에도 불구하고 95명의 사망자와 64명의 부상자를 발생시켰다. 사망원인만을 기준으로 한다면 화재로 인한 사망비율은 약 37.4%로 큰 비중을 차지한다.

연료계통 내추락 설계

3.1절에서 확인할 수 있듯이 추락 후 발생하는 화재는 생존가능한 추락이었음에도 불구하고 사망 등 인명피해를 야기한다. 이를 감소시키기 위해 연료계통 내추락 설계의 중요성이 대두되었고, 미 육군을 중심으로 연료계통 내추락 설계를 적용하기 위한 연구가 진행되었다. 연구를 통해 정의한 주요 연료계통 내추락 설계 특성은 다음과 같이 정리할 수 있다.

• 연료계통의 파손으로 인한 연료유출 가능성 최소화
• 연료와 점화원 분리
• 인화성 유체의 이송경로와 탑승구역 분리
• ⦁연료 펌프를 엔진에 장착(흡입식 연료공급 시스템 적용)
• 내화성 유압유 사용
• 유압 및 오일시스템, 전기 시스템 구성품의 장착부 구조건전성 확보
• 전기 구성품(전선, 배터리 등)과 인화성 유체 이동경로(저장, 이송 등 포함)와 이격

연료계통 내추락 설계 요구도를 적용한 아파치(AH-64)의 연료탱크는 생존범위를 초과한 추락환경에서도 연료의 유출이 발생하지 않았다. 그림 2는 아파치 연료탱크를 보여준다.

아파치 등 군 회전익항공기에 도입돤 연료계통 내추락 설계의 효과가 확인되면서 FAA에서도 군의 연구결과에 대한 검토 및 추가 연구를 수행하였고, 1994년에 연료계통 내추락에 대한 요구사항을 감항요구도에 포함시켰다. 군과 민의 기본적인 내추락 요구사항은 유사하나 세부 조건 및 검증방법에 약간의 차이가 존재한다.

사고 예방을 위한 감항인증기준

조류충돌 감항인증기준

표 4는 조류충돌 관련 감항인증기준 항목을 정리한 결과이다. 민, 군 감항인증기준 모두 조류충돌에 대한 요구도를 담고 있으나 군의 경우 기체 구조의 조류충돌 기준을 외부이물질 기준에 통합하여 다루고 있으며, 투명체시스템(윈드실드, 캐노피 등)에 대한 조류충돌 영향에 대한 생존성 요구도를 별도의 기준으로 담고 있다. 반면, 민간 감항인증의 경우 조류충돌을 별도 기준으로 명시하여 안전 요구도를 입증하도록 요구하고 있다.

조류충돌 감항인증기준 분석

군용항공기의 경우 ‘군용항공기 표준감항인증기준 Part 1’을 적용하며, 조류충돌 관련 감항인증기준은 5장(구조) 내 5.1.3절과 9장(승무원시스템) 내 9.6.2절이 있다.
5.1.3절은 외부 이물질(조류, 우박 등)로부터 항공기가 구조건전성을 갖도록 설계되어야 한다는 기준이며, 조류 및 우박 등의 충격 이후 항공기 및 인명 손실이 없도록 설계되어야 한다는 요구도와 충격 발생 후 지속적인 안전비행과 착륙 능력을 보장하도록 설계되어야 한다는 요구도가 세부 표준에 명시되어 있다. 기준 충족여부 입증을 위해 위험도 평가 결과, 해석, 시험결과를 제시해야 한다. 해석 결과는 주요 부위에서 일정 속도로 충돌했을 때 구조적 여유를 확인하기 위해 제출하며, 시험 결과는 대표 조건에서 구조건전성을 입증하고 해석 결과가 신뢰도를 확보했는지 확인하는데 활용한다. 기준 및 입증방안 설정에 필요한 참고문서가 별도로 수록되어 있으며, 개발자와 심사자가 협의롤 통해 확정한다. 주요 참고문헌으로 JSSG-2006이 있다.

JSSG-2006은 항공기 구조 관련 미 합동규격서로 항공기 구조건전성을 확보하기 위한 필수 요구도가 포함되어 있다. 특이사항으로는 조류의 무게 및 충돌속도를 개발자가 결정하게 되어있다. 이는 민간과 다르게 군용항공기의 경우 최초 위험도 요구사항에 따라 조류충돌 요구도가 달라지기 때문인 것으로 사료된다. 따라서 5.1.3절 감항인증기준 설정 시 개발자 및 소요군에서 설정한 조류충돌 요구도를 고려하여 협의 후 맞춤 적용을 하게 된다.

9.6.2절은 투명체시스템이 조류충돌 영향에 대한 생존성 요구도를 충족함을 검증할 것을 요구하고 있으며, 5.1.3절과 다르게 충돌 조류의 속도와 무게를 정의하고 있다. 9.6.2절의 표준(Standard)에 따르면, 투명체 시스템 및 모든 지지구조물은 600 Knots의 진대기속도 혹은 7,000 ft 이하 고도와 가장 불리한 온도조건에서 도달 가능한 최대 운용 진대기속도 중 낮은 속도에서 4 lb의 조류 충돌을 견뎌야 한다.

FAR Part 29는 미 연방항공청(FAA)에서 고시한 회전익항공기 감항 요구도이며, 29.631에 조류충돌 관련 요구사항이 있다. 표 4에 명시되어 있는 기준을 반드시 만족해야 하며, 무게 및 고도가 정의되어 있다. 기준 내 VNE는 항공기가 절대로 초과해서는 안되는 최대속도를 의미하며, VH는 최대연속출력 상태에서 수평비행 시 최대속도를 의미한다. 본 장절의 입증을 위해 개발자는 가장 가혹한 조건 및 비행안전에 유해한 결과를 발생시키는 구역을 선정하여 조류충돌 모사시험을 수행하고, 나머지 구역에 대해서는 해석 결과를 활용한다.

연료계통 내추락 감항인증기준

연료계통 내추락 감항인증기준은 민간의 경우 29.952 장절에 기술되어 있으며, 군의 경우 미 육군의 감항인증기준인 AMACC 내 8.1.3.3절에 명시되어 있다.

952 장절은 연료계통 내추락성(Fuel System Crash Resistance)라는 제목을 가지고 있으며, 생존 가능한 충격 시 연료로 인한 화재로부터 승객 위험을 최소화하기 위해 별도로 감항당국이 승인한 수단이 적용되지 않는다면 본 절에서 정의하는 설계 특성을 적용할 것을 요구하고 있다.

표 5는 952 장절을 구성하는 주요 항목에 대한 요약 결과이며, 총 6개의 하위 항목으로 구성되어 있다. 주요 내용은 연료 누출, 잠재적 발화원 생성 등을 최소화할 수 있는 연료시스템 내추락 설계 및 시험 기준을 포함하고 있다.

민간 연료계통 내추락 감항인증기준 분석

표 5에 명시된 연료계통 내추락 감항인증기준 중 낙하시험 및 기타 설계기준인 952(a),(f)에 대한 분석을 수행하였다. 29.952(a) 장절은 낙하시험을 수행하기 위한 조건, 방법 등에 대한 요구도를 담고 있다. 연료탱크 낙하시험은 내충격 시험과 내추락 시험으로 구분되며, 내충격 시험은 탱크 자체에 대한 낙하시험을 말하고 내추락 시험은 탱크 및 주변 구조물을 포함한 시험체에 대한 낙하시험을 일컫는다. 29.952(a) 장절은 연료탱크 낙하시험 조건 및 방법에 대해 다음과 같이 규정하고 있다.

• 최소 16 m(50 ft) 이상 낙하 높이 설정
• 낙하 충돌면의 변형이 없을 것
• 낙하 시 탱크 용량의 80%의 물을 채울 것
• 주변 구조물로 둘러싸야 함
  * 주위의 구조가 돌출이나 탱크의 뒤집힘을 조장하는 설계 특성이 없도록 설치되어 있지 않는 경우
• 탱크 낙하 시 ±10° 이내에 수평면과 충돌
• 낙하시험 후 시험 유체의 유출이 없을 것

내충격 시험과 내추락 시험의 가장 큰 차이는 주변 구조물 설정의 유무이며, FAA AC 29-2C(Advice Circular for Certification of Transport Category Aircraft)에 연료탱크 내추락 시험을 위한 주변 구조물을 설정하기 위한 가이드라인이 제시되어 있다. AC 29.952(d)(i)에 따르면, 통상적으로 연료탱크 전/후방 1 ft 영역의 구조물이 연료누출에 직접적인 영향을 미치기 때문에 해당 구조물을 시험체에 포함시킬 것을 권고하고 있다. 만약 시험체에 구조물을 포함시키지 않을 경우 구조물이 충격으로 인해 연료탱크에 연료누출을 발생시키지 않음을 명확하게 입증해야 한다. 또한, AC 29.952(d)(iii)에 따라 시험체 낙하 후 15분 간 안정화 시간을 가진 후 탱크 누출에 대한 검사를 수행한다.

29.952(f) 장절은 연료탱크 및 라인, 전기 전선과 전기 장치가 내추락성을 가지도록 설계, 제조 및 장착되도록 요구하고 있다. 29.952(a) 시험체에 해당하지 않는 연료라인, 전기장치 등이 본 장절의 대상이며, 세부 지침사항은 AC 29.952(f)에 제시되어 있다. 내추락 관련 지침은 AC 29.952(f)(xvi)에 기술하고 있으며, 별도의 분리식 커플링을 포함하고 있지 않는 경우 모든 연료 공급 설비는 생존 가능한 충격에서 파손이 되지 않아야 한다. 여기서 생존 가능한 충격은 인간이 감내 가능한 가속한계(Structural Human Survivability Accelerations Limits)가 초과되지 않는 충돌을 말하며, 29.952(b)(1) 장절의 하중배수를 인간이 감내 가능한 가속 한계로 명시하였다. 29.952(b)(1) 장절에 명시되어 있는 하중배수는 다음과 같다.

• 윗 방향 - 4 g
• 앞 방향 - 16 g
• 옆 방향 - 8 g
• 아래 방향 - 20 g

또한, 기타 구성품에 대한 내추락 지침은 AC 29.963(블래더와 라이너), AC 29.973(연료 탱크 필러 연결), AC 29.975(연료탱크 벤트라인)와 같이 구성품을 언급하는 단락에 별도로 제시되어 있다.

군 연료계통 감항인증기준 분석

군의 경우 미 육군에서 처음으로 회전익항공기 연료계통 내추락 감항인증기준을 수립하였다. 2019년, 미 육군이 운용하는 항공기에 적용할 수 있는 감항인증기준인 AMACC를 제정했으며, 내추락 감항인증기준은 8.1.3.3절(Fuel Tank Subsystem)에 기술되어 있다. 8.1.3.3절은 연료탱크가 내추락성, 내탄도성 등 비행안전에 필요한 요구사항을 보유하도록 함이 목적이며, 연료탱크가 충돌이 발생했을 때 승무원의 안전을 저해하는 위험을 발생시키면 안된다는 것을 보일 것을 기준(criteria)으로 요구하고 있다. 기준 충족을 위해 세부적으로 보여야 할 요구사항을 담고 있는 표준(Standard)은 AMACC Appendix J 내 4.3절 및 5.3절로, 표 6에서 확인할 수 있듯이 연료탱크는 미 군사규격인 MIL-DTL-27422(Detail Specification for the Tank, Fuel, Crash-Resistant, Ballistic-Tolerant, Aircraft)를 만족할 것을 요구하고 있다. 현재 운용되는 회전익항공기 중 본 기준을 적용한 사례는 없으나, 추후 개발될 군용 회전익항공기에 적용될 가능성이 높을 것으로 보인다.

표 7은 MIL-DTL-27422 내 내추락성 입증에 관한 내용을 보여준다. 내추락성 입증은 Phase 1과 Phase 2로 구성되며, 내추락성 관련 시험은 Phase 2에서 다루고 있다. 주요 요구사항으로 연료탱크 내부를 물로 100% 채운 후 65 ft 고도에서 낙하시킬 것을 요구하고 있다. 이 때, 탱크는 자유롭게 낙하하여 ±10° 수평면에 충돌되어야 하며, 누출이 없어야 한다.

결론

현재 소형민수헬기-무장헬기(LCH-LAH) 사업, 해양경찰청 헬기 사업 등 여러 회전익기 획득 사업이 완료되었으며, 소해헬기, 상륙공격헬기 등 회전익기 획득 사업이 진행중이다. 하지만 항공기는 사고 위험을 잠재적으로 보유하고 있으며, 실제로 다양한 원인으로 인해 항공 사고가 발생하고 있다. 그 중 조류충돌은 외부 환경으로 인한 항공기 사고의 대표적인 원인이 되며, 화재는 인명사고를 발생시키는 주요 원인임을 본 연구를 통해 알 수 있었다. 또한, 화재를 발생시키는 주요 원인으로 항공기 설계 시 연료계통 내추락을 고려하지 않음을 확인하였다. 따라서 회전익기 설계 시 조류충돌 및 연료계통 내추락에 대한 고려가 반드시 이뤄져야 하며, 감항인증기준에 관련 내용이 포함되어 있음을 확인하였다.

감항인증은 항공기가 비행안전을 확보하기 위한 최소한의 요구사항이며, 조류충돌 및 연료계통 내추락 이외에 여러 핵심기술에 대한 검증을 요구한다. 이에 따라 감항인증기준 및 적합성 검증방법에 대한 연구가 필수이나 아직은 관련 연구가 미미한 실정이다. 이에 대한 첫 단추로 여러 핵심기술 중 조류충돌과 연료계통 내추락 관련 감항인증기준을 연구했으며, 본 연구를 신호탄으로 회전익기의 비행안전과 관련된 여러 핵심기술의 감항인증기준에 대한 연구가 활성화되길 희망해본다.