화산재와 항공안전

Volcanic ash and aviation safety
에이야프얄라예쿨 화산재가 2010년 유럽 항공 여행을 방해했다.

활화산 근처의 화산재 자루는 특히 야간 비행에 있어서 비행 안전상의 위험이다. 화산재는 단단하고 연마성이 있으며, 프로펠러와 터보컴프레스 블레이드, 스크래치 조종석 유리창 등에 급속하게 마모를 일으켜 시야를 손상시킬 수 있다. 이 재는 연료와 수도 시스템을 오염시키고, 기어를 방해할 수 있으며, 엔진의 불꽃을 내뿜게 한다. 입자는 용융점이 낮아 엔진의 연소실에서 용해되고 세라믹 질량이 터빈 날개, 연료 노즐 및 가연체에 달라붙어 전체 엔진 고장으로 이어질 수 있다. 재는 또한 오두막을 오염시키고 항전기를 손상시킬 수 있다.[1][2]

1991년 항공업계는 기상학자와 화산학자, 항공산업과의 연계를 위해 화산재 자문센터(VAACs)를 설치하기로 했다.[3] 2010년 이전에는 항공기 엔진 제조업체들이 엔진 위험도를 고려하는 특정 입자 수준을 정의하지 않았다. 공역 규제 당국은 화산재 농도가 0 이상으로 상승할 경우 공역을 안전하지 않게 간주하고 결과적으로 공역을 폐쇄하는 일반적인 접근방식을 취하였다.[4]

2010년 화산 폭발 후 유럽의 항공 여행 중단 비용은 항공기 제조사들이 제트 엔진이 손상 없이 섭취할 수 있는 재의 양에 대한 제한을 명시하도록 강요했다. 영국 CAA는 지난 4월 엔진 제조업체와 함께 안전한 재 밀도 상한을 입방미터당 2mg으로 설정했다.[5] 2010년 5월부터 CAA는 안전 한도를 입방미터당 4mg으로 수정했다.[6]

이것과 다른 화산 폭발이 야기할 수 있는 더 이상의 혼란을 최소화하기 위해, CAA는 제한 공역이라는 새로운 범주의 제한 공역을 만들었다.[7] TLZ로 분류된 공역은 심각한 기상 조건 하에서 공역과 유사하며, 그러한 제한은 짧은 기간이어야 한다. 그러나 TLZ 공역과의 중요한 차이점은 항공사가 이들 지역에 진입하고자 하는 항공기에 대한 준수 증명서를 작성해야 한다는 것이다. 재 밀도가 입방미터 당 4 mg을 초과하는 공역은 금지된다.[citation needed]

화산재 분출 플룸 바로 근처에 있는 화산재는 입자 크기 범위와 밀도가 가장 미세한 입자 크기만 함유하고 있는 역풍 분산 구름과 다르다. 전문가들은 정상적인 엔진 작동(엔진 수명 및 유지 보수 비용 제외)에 영향을 미치는 재 하중을 설정하지 않았다. 이 실리카멜트 위험이 하류 재 구름의 특성인 훨씬 낮은 재 밀도에 머물러 있는지 여부는 현재 불확실하다.[citation needed]

전문가들은 1982년 브리티시 에어웨이즈 9편 이후 문제가 있다는 것을 인지했고, 따라서 ICAO는 화산재 경고 연구 그룹을 설립했다. 12시간 이상까지 정확한 정보를 예측하기 어렵기 때문에 ICAO는 나중에 화산재 자문센터(VAACs)를 설립했다.[8][9]

항공에 대한 화산 위험

화산재는 작은 테프라로 구성되어 있는데, 화산 폭발로 생긴 지름 2밀리미터(0.079인치) 미만의 분쇄암과 유리 조각이다.[10] 화산재는 분출의 힘과 가열된 공기로부터 대기로 유입된 후 바람에 의해 화산으로부터 운반된다. 가장 작은 크기의 재는 상당 기간 대기 중에 남아 있을 수 있으며, 분출 지점에서 떠내려갈 수 있다. 화산재 구름은 항공기 비행 경로의 높이에 도달하면 항공에 위험할 수 있다.

2008년 차이텐 화산 폭발로 인한 화산재 구름은 태평양에서 대서양까지 파타고니아를 가로지르고 있다.

조종사들은 밤에 화산재를 볼 수 없다. 또한, 재 입자는 너무 작아서 상업용 여객기의 기내 기상 레이더에 에코를 되돌릴 수 없다. 대낮에 비행할 때에도 조종사들은 눈에 보이는 화산재 구름을 수증기의 일반적인 구름으로 해석할 수 있으며, 특히 화산재가 분출 현장에서 멀리 이동한 경우 위험하지 않다.[8][11] 차이텐 화산에서 바라본 이미지에서 화산재 구름은 폭발 지점에서 수천 킬로미터 떨어진 곳에서 퍼졌고, 태평양 연안에서 남아메리카의 폭을 가로지르며 대서양 위로 퍼졌다.

화산재는 약 1,100 °C(2,010 °F)의 용융점을 가지며, 이는 현대 상용 제트 엔진의 작동 온도(2,550 °F)보다 낮은 용융점은 약 1,400 °C(2,550 °F)이다. 화산재는 여러 가지 방법으로 가스 터빈을 손상시킬 수 있다. 이들은 엔진에 즉각적인 위험을 초래하는 것과 정비 문제를 야기하는 것으로 분류할 수 있다.

항공기에 대한 즉각적인 위험

1991년 피나투보 화산 폭발 당시 주차된 맥도넬더글라스 DC-10-30에 화산재가 퇴적해 항공기가 꼬리 부분에 쉬게 됐다. 떨어지는 재는 눈과 비슷한 방식으로 작용하지만, 순수한 무게의 퇴적물은 120톤 여객기의 무게중심을 움직일 수 있었던 건물과 차량에 심각한 손상을 입힐 수 있다.

화산재는 암석 조각, 결정 물질, 화산 유리로 이루어져 있다. 유리 부품은 가장 낮은 용융 온도를 가지고 있다. 가스터빈 엔진의 연소기 내부 온도보다 낮다. 가연성 물질로 유입되는 재는 녹을 수 있다. 가연체와 터빈 구성부품은 엔진 코어 내부의 가스 온도보다 용해 온도가 낮기 때문에 냉각된다. 이러한 표면에 닿는 녹은 재는 얼기 쉽고, 금속 표면에 달라붙는다.

가장 민감한 표면은 고압 터빈 노즐 가이드 베인(NGV)으로, 가연체의 바로 하류에 위치한다. 기체 흐름은 NGV를 통해 질식되므로 NGV를 통한 흐름 영역은 엔진의 제어 영역이다. 재의 유입으로 이 면적이 줄어들면 더 작은 질량의 가스 유량이 엔진 코어를 통과한다. 질량 흐름 감소는 터빈으로 이어지며 작업량이 감소한다. 터빈은 컴프레서를 구동하며, 따라서 공기를 압축하는 작업도 덜 한다. 컴프레서가 엔진 코어에 고압 가스를 더 이상 포함할 수 없는 경우, 가스 흐름이 역류하여 엔진 전면에서 흘러나올 수 있다. 이를 엔진 서지 또는 압축기 서지라고 하며, 엔진 앞부분을 터트리는 화염덩어리와 동반하는 경우가 많다. 이렇게 급증하면 '불 꺼짐'으로 알려진 엔진 가연기의 불꽃이 꺼질 가능성이 높다. 노심 압력이 소멸되면 엔진이 자유롭게 재시동할 수 있어야 한다. 고도에서 엔진을 재시동하는 것은 주변 가스의 낮은 온도와 압력 때문에 어려울 수 있지만, 일반적으로는 문제가 되지 않는다. NGV의 유량 감소는 엔진 재시동을 더 어렵게 만들 수 있다.

화산재는 상당한 정전기 전하를 띤다. 엔진이나 기체 내의 전자 부품으로 유입되는 미세 재는 전기적 고장을 일으킬 수 있으며, 이는 항공기에 즉각적인 위험을 초래할 수 있다.

[12]

유지보수를 늘려야 하는 재로 인한 문제

  1. 화산재는 단단한 물질로서 가스 터빈 압축기를 손상시킨다. 압축기 블레이드와 베인에 충격을 주고 물질을 제거함으로써 침식되며 회전하는 블레이드, 재 입자 및 압축기 고리 사이의 세 가지 신체 상호작용에 의해 손상된다. 블레이드 및 베인의 형상을 바꾸고 블레이드 간 간격과 무효화를 증가시키면 엔진 연료 효율과 운전가능성을 감소시킬 수 있다.
  2. 냉각된 표면에 달라붙는 녹은 재는 냉각 구멍을 막을 수 있다. 이것은 공기 흐름을 냉각시키고 금속을 둘러싼 열을 가열하여 열 피로를 가속화시킨다. 이 과정은 가연체와 터빈 구성 요소에 영향을 미친다.
  3. 재는 연료 분무 노즐을 축적하고 부분적으로 차단하여 공기 및 연료 유량장과 가연기 내 혼합물 스토이히터를 손상시킬 수 있다. 이러한 불리한 조건들은 엔진 성능을 떨어뜨리고 전투기의 열피로율을 증가시키는 국부적인 핫 스팟을 만들 수 있다.[12]

항공에 대한 기타 화산 위험

화산 폭발 후 화산재 구름으로 운반되는 또 다른 산물인 아황산가스는 그것을 통과하는 항공기에 부식된다.[8]

대응책

화산 폭발에 수반되는 이산화황은 항공에서 화산재 구름의 회피와 같은 화산재 구름의 존재에 대한 좋은 징조라는 것을 증명하려는 시도가 있었다.

그러나 두 종류의 구름은 풍차 때문에 분리되는 경향이 있는 것으로 밝혀졌다. 또한 두 종 모두 물이나 얼음과 같은 다른 유형의 에어로졸에 의해 가려질 가능성이 있기 때문에 검출 방법에는 한계가 있다. 이는 데이터의 큰 변동성에 기여한다.

따라서 SO와2 재의 중첩이 일정하지 않기 때문에 SO는2 재구름의 신뢰성 있는 지표는 아니다.[13]

사고 및 사건

1982년 브리티시 에어웨이즈 9편은 화산재 구름을 뚫고 비행해 4개 엔진에서 모두 동력을 잃었고, 승무원이 엔진을 재시동하기 전까지 3만7000피트(1만1000m)에서 1만3500피트(4100m)로 내려왔다. 1989년 KLM 867편과 비슷한 사건이 발생했다.

참조

  1. ^ "USGS: Volcano Hazards Program". volcanoes.usgs.gov.
  2. ^ "Volcanic Ash - SKYbrary Aviation Safety". www.skybrary.aero.
  3. ^ "Volcanic Ash–Danger to Aircraft in the North Pacific, USGS Fact Sheet 030-97". pubs.usgs.gov.
  4. ^ "Can we fly safely through volcanic ash?".
  5. ^ Marks, Paul (2010-04-21). "Engine strip-downs establish safe volcanic ash levels". New Scientist. Retrieved 2019-11-12.
  6. ^ "UK ash cloud restrictions lifted". BBC News. May 17, 2010.
  7. ^ "Archived copy" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2010-05-22. Retrieved 2010-05-18.{{cite web}}: CS1 maint: 타이틀로 보관된 사본(링크)
  8. ^ a b c "Overview of VAAC SACS workshop October 2006".
  9. ^ "International Airways Volcano Watch Programme".
  10. ^ "USGS: Volcano Hazards Program". volcanoes.usgs.gov.
  11. ^ 국제항공조종사협회 화산재의 위험성에 관한 연구
  12. ^ a b 기계 기술자 심포지엄: 화산재 구름의 항공 안전: E15 이후 발전. 2013년 11월
  13. ^ Sears, T. M.; Thomas, G. E.; Carboni, E.; Smith, A. J. A.; Grainger, R. G. (2013). "SO2 as a possible proxy for volcanic ash in aviation hazard avoidance". Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 18 (11): 5698–5709. doi:10.1002/jgrd.50505.

외부 링크