Environmental Control System (ECS) 은 항공기 내부의 승객을 위한 온도조절과 여압, Avionics Cooling, Smoke Detection, 화재진화 등에 사용됩니다. 흔히들 가정에서 많이 사용하는 에어컨이라고 하는 것은 Air Conditioner 를 부르는 말로 원래는 온도 조절용장비를 말하며 정확하게 Heater 와 Cooler 로 나뉠 수 있겠습니다. 항공기에서는 단순한 온도조절 뿐만이 아니라 여압을 위한 압력조절과 기종에 따라 다양한 분야에서 활용되고 있지요.
이제부터 다룰 Environmental Control System 은 위의 모든 기능을 통합하는 시스템으로 미국의 Boeing 사를 비롯 일반적인 항공기의 System 을 기준으로 할 것이며 Concorde 와 같은 몇몇 고공비행용 항공기들은 조금 다르게 구성되어 있다는 말씀을 드립니다.
Air supply
대부분의 Jet 여객기의 ECS 는 Turbine Engine 의 연소실 앞 Compessor 로부터 유입되는 Bleed Air 를 활용하는데 이 Bleed Air 는 엔진의 Turbine 에서 직접 공급받기 때문에 Engine RPM 과 Compressor Stage 에 많은 영향을 받습니다. 이러한 ECS 의 점검이나 필요에 의해 System 전체를 제어해야할 경우 Pressure Regulating Shut-off Valve(PRSOV) 를 닫아 Air Flow 를 차단하는 역할을 합니다.
일반적으로 2개의 Bleed Port 를 사용하는데 Engine 이 저출력 상태에서는 High Pressure Bleed Port 로부터 공급받고 Engine 의 출력을 증가시킬 경우 High Pressure Bleed Port 의 압력도 증가되게 되며 Low Pressure Bleed Port 와의 대체과정에 이르기까지 지속적으로 공급받다가 High Pressure Shutoff Valve(HPSOV) 에 의해 차단됩니다.
온도조절기능의 경우 Bleed Air 가 Pre-Cooler 라고도 불리는 Heat Exchanger 를 통과하게 되는데 Engine 의 Fan 으로 부터 나오는 이 Air 는 Engine Strut 에 장착되어 있는 Pre-Cooler 를 통과해서 공급됩니다. 이번에 새로 개발된 Boeing 787 의 경우는 Electrically Driven Compressor 를 사용하기 때문에 Bleed Air 의 유입이 필요없게 되었고 따라서 Bleed Port System 도 모두 제거되었다고 하더군요. 아주 최신의 항공기는 맞는 듯 합니다. 이번에 열였던 서울 에어쇼에서도 느꼈지만 아무리 제작과정에 진통을 겪었다 하더라고 현존하는 최신의 시스템을 갖춘것만은 분명한 기종이 아닐까 생각됩니다.
Cold Air Unit (CAU)
과거 초기 Boeing 707 까지만 하더라도 항공기 내에서 Cooling 을 위한 System 은 지금 우리가 집에서 사용하고 있는 에어컨의 냉각시스템과 같은 방식(Vapor-compression Refrigeration)을 사용했었으나 근대의 항공기들은 Airconditioning Pack 이라고도 불리우는 Cold Air Unit 을 사용합니다.
이 System 에는 Air Cycle Machine(ACM) 이라는 것이 사용되는데 이것은 기존의 방식인 Freon 을 사용하는 것이 아니라 Air 그 자체를 냉각시키는 방법을 사용합니다. 이 ACM 이 기존에 Vapor-compression Refrigeration 방식을 대체한 이유는 상대적 무게절감과 적은 고장율로 정비에 필요성이 많이 적어졌기 때문입니다. 이러한 ACM 에는 Centrifugal Compressor 라는 것이 사용되는데 일종에 작은 제트엔진과 비슷하다고 보시면 되겠습니다.
Centrifugal Compressor
대부분의 여객용 항공기들의 경우 Airconditioning Pack 은 양쪽 날개와 동체가 만나는 Wing to Body Fairing 부위 하부에 장착이 되며, 일부 Douglas Aircraft DC-9 Series 의 경우에는 Tail 부위에 장착되어있는 경우도 있습니다. 그 밖에도 동체 전방에 장착되는 경우도 있으며 보통은 2개의 Pack 으로 구성되나 Boeing 747 이상 대형기종의 경우는 3개의 Pack 이 장착됩니다.
Bleed Air 는 Primary Ram Air Heat Exchanger 에 공급되어 양쪽의 Ram Air 와 혼합되어 냉각되고 다시 Compressor 를 통해 재압축 되면서 온도는 다시 올라가게 됩니다. 다시 Secondary Ram Air Heat Exchanger 를 거치면서 냉각되며 고압으로 다시 또 압축과정을 거치게 됩니다. 이 Air 는 Turbine 을 통과하면서 압력이 다시 떨어지고 온도도 내려가는 과정이 반복되는 System 이지요. 이러한 과정은 Turbo Charger Unit 의 작동과정과 비슷하며 Compressor 와 Turbine 은 하나의 축으로 작동됩니다. 이러한 과정 속에 Air 가 Turbine 을 통과하면서 생기는 에너지로 Compressor 를 작동시키는 것입니다.
Air 는 다시 Water Separator 를 통과하면서 수분을 제거하게 되는데 이는 냉각작용을 통한 Icing 현상으로 System 에 이상을 방지하기 위함과 Cockpit 과 Cabin 에 저고도에서나 지상에서 안개현상이 생기는 것을 방지하기 위함입니다.
Heat Exchanger & Water Separator
Ram Air System
Ram Air Inlet 은 Wing to Body Fairing 에 위치한 작은 유입구로 대부분의 항공기에서 Door 를 달아 필요에 따라 개폐하면서 Primary & Secondary Ram Air Heat Exchanger 에 유입되는 Cooling Air 의 양을 조절합니다.
항공기가 지상에 있을 때는 Ram Air Fan 을 이용하여 Heat Exchanger 에 Ram Air 를 공급하며 근대에 만들어진 대부분의 고정익 항공기들의 경우 ACM Turbine 에 의해 동력을 공급받는 ACM 은 동축으로 연결된 Fan 을 사용하고 있습니다.
Pressurization
항공기 동체 내부의 공기에 흐름이나 압력은 대체적으로 일정하게 유지되고 있습니다. 이 모든 Air 의 공급에 시작은 동체 후미 아랫쪽에 장착되어 있는 Out Flow Valve 라는 것으로부터 시작되는데 보통 일반적인 여객기의 경우에는 한개가 장착되어 있으나 대형기인 747, 777 의 경우에는 2개가 장착되어 있습니다. 이 OFV 가 만일에 문제가 생겨 닫혀버린다면 기내의 압력은 최소한의 범위 내에서 2개의 Positive Pressure Relief Valve 가 Over Pressurization 을, 1개의 Negative Pressure Relief Valve 가 Under Pressurization 을 제어하게 되어 압력을 조절하게 됩니다.
일반적으로 Cabin Pressure 는 고도 8000 feet 이하를 기준으로 Cabin Altitude 를 조정하며 이 때의 압력은 10.9 psi 가 됩니다.
Cabin Altitude 가 내려가면 Cabin Pressure 는 올라가게 되며 이러한 압력조절은 항공기의 실제고도와 Cabin Altitude 를 함께 고려하여 미리 정해둔 Cabin Pressure Schedule 에 의하여 제어되게 됩니다.
일반적으로 여객기가 그 최고한계고도까지 올라가지는 않기 때문에 Cabin Altitude 의 경우도 최대허용치 이하에서 설정하는 경우가 많은데 예를 들면 국내선 항공기의 경우 Cabin Altitude 가 5500 feet 를 넘는 경우가 별로 없습니다. 또한 국제선을 오가는 A380 이나 787 같은 최신기종의 경우에도 비행피로를 줄이기 위해서 Maximum Cabin Altitude 이하에서 운행한다고 합니다.
Humidity
여객기의 순항고도에서 기내 습도는 매우 낮으며 약간 서늘한것이 특징이며 장시간 비행하면서 외기를 바로 Cabin 으로 공급하는 것이 특징인데 이러한 환경에서의 관계습도는 10% 내외를 유지하게 됩니다. 이렇게 낮은 습도를 유지하는데는 여러가지 이유가 있는데 그 중에서느 항공기 기체구조물의 부식방지와 각종 전자장비의 오류를 방지하는데 매우 효과적이라고 할 수 있습니다. 때문에 저고도에서는 위에서 언급했던 Water Separator 를 통해서 습기를 제거하는 과정까지 거쳐야하는 것이겠지요. 그렇다 하더라도 항공기 외부의 공기와 내부의 공기와의 관계습도를 10% 를 넘지 않도록 유지는 하고 있습니다.
또한 이렇게 저습도의 환경은 승객에게도 좋은 영향을 미치는 부분이 있는데 예를 들면 병균이나 박테리아 같은 것들이 증식을 억제하는 효과가 있습니다. 하지만 건조한 공기로 인하여 피부건조증이나 눈 과 점막이 건조해지는 현상이 발생할 수도 있습니다.
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