Pitot tube

Pitot tube 는 유체의 흐름으로 인해 발생하는 압력차이를 이용하여 속도를 측정하는데 사용됩니다.   1700년대 초 프랑스의 엔지니어 Henri Pitot 에 의해 발명되었으며, 현대에 사용하고 있는 형태로 변화된 것은 1800년대 프랑스 과학자 Henry Darcy 에 의해서 였습니다.  현재 항공기에서 Airspeed 측정용으로 가장 널리 사용되고 있으며, 산업현장에서도 유체의 속도를 파악하는데 사용되고 있습니다.

 

Pitot tube 의 기본형태는 유체의 흐름이 이어져 들어올 수 있는 Tube Point 를 가지고 있으며 출구가 없는 공간에 측정이 가능한 유체로 채워져 있는 공간에 유체의 흐름으로 인해 발생하는 압력을 측정하게 되는 원리입니다.  이 압력을 유체의 Stagnation Pressure 라 하는데 항공공학에서는 Total Pressure 라고도 불리며 Pitot Pressure 라고 하기도 합니다.  이 Stagnation Pressure 는 독자적으로는 사용할 수가 없으며 항공기에 Airspeed 를 결정하는데 중요한 역할을 하게됩니다.

 

 

 

Stagnation Pressure = Static Pressure + Dynamic Pressure

 

 

 

 

 

 

처럼 표현되기도 하며,  속도를 측정할 때는 다음과 같은 공식으로 활용할 수 있습니다.

 

 

 

Where V is fluid velocity

          p_t is stagnation or total pressure

          p_s is static pressure

          ρ is fluid density

 

 

Dynamic Pressure 라고 하면 Stagnation Pressure 와 Static Pressure 와의 차이를 말합니다. Static Pressure 는 일반적으로 동체 옆면에 있는 Static Port 를 통해서 측정이 되며 Dynamic Pressure 는 Container(Pressure Chamber) 내부의 Diaphragm(막)에 걸리는 압력에 의해 측정됩니다.  만약 이 Diaphragm 의 한쪽면에 Static Pressure 가 가해지고 반대편에 Stagnation Pressure 가 가해진다면 Diaphragm 은 그 압력만큼 굴곡이 일어날 것이며 이는 항공기의 Airspeed Indicator 에 표시되는 수치를 결정하는 요소가 된다는 것입니다.   이러한 Diaphragm 의 오차범위를 줄이기 위한 Arrangment 하여야 하며, 그래서 보통은 Airspeed Indicator 내부에 장착되어 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

Static Port 를 대신하여 Prandtl Tube 라고도 불리는 Pitot-Static Tube 를 사용하기도 하는데 이것은 기존 Pitot Tube 안에 또하나의 Tube 를 만들어 Pitot Tube 외부에 Hole 과 연결하여 공기의 흐름방향에서 Static Pressure 를 측정할 수 있습니다.

일반적으로 항공기에 적용하는 Pitot Tube 에는 고속의 공기흐름으로 인해 발생하는 Icing 현상으로부터 보호하기 위해 Pitot Heat 이라 불리는 발열체를 내부에 장착하게 됩니다.  때문에 어떤 Painting 도 할 수가 없으며 직접 보실 기회가 있으면 확인이 가능하시겠지만 고열로 달구워졌던 흔적들이 보입니다.   

 

별것 아닐 것 같은 이 Heating 기능이 이상이 생겼을 경우 항공기의 추락으로 이어지는 경우가 실제로도 발생했습니다.   꼭 점검해야하며 자칫 지상에서 작동했다가 화상이나 화재사고가 일어나는 경우도 있으니 주의해야합니다.

아래의 그림은 AOA Vane 과 일체형으로 만들어진 Pitot Tube 와 F-18 의 Pitot Tube 모습입니다.