[논문]헬기에 의한 지상 물투하 형태 및 범위 실험

배택훈; 이시영; 손정훈

doi:10.7731/kifse.2013.27.2.054

문제 정의

이 측정은 단순 수작업으로 하였으며 1930년 이후 많은 시행착오를 겪으며 발전한 미국 등의 실험과 같이 입체적인 물분포범위의 패턴을 정확하게 분석하지는 못하였다. 따라서 산불 진화의 효과를 증가하기 위하여 본 연구에서는 컴퓨터 그래픽으로 실험결과를 도출하였다.
따라서 항공기 기종의 선정과 물 담수 및 투하하는 물탱크의 개발은 산불진화의 효과성을 결정하는데 중요한 항목이다. 본 논문은 탱크에서 투하하는 물의 분포범위를 산림청 진천산림항공관리소에서 실시한 공중물투하 실험결과를 토대로 분석하였고 그 결과는 현장에서 항공기를 운용하는 조종사가 공중진화의 효과성을 증대시키는데 목적이 있다.
본 실험은 우리나라 산불공중진화의 주력기인 산림청 산림항공본부의 헬리콥터 3개 기종에 대한 물투하 실험을 하여 유효한 분포형태 및 범위를 도출하고자 하였으며 실험방법은 다음과 같다.
본 연구는 산림청 진천산림항공관리소에서 3종류의 헬리콥터 Ka-32t, S-64E, AS-350B2 기종에서 실시한 공중물투하 실험결과 3개의 모델을 제시하여 현장에서 항공기를 운용하는 조종사가 공중진화의 효과성을 증대하기 위하여 수행하였으며 다음은 본 연구를 통하여 얻은 결론이다.
향후에 물탱크 시스템 및 구조, 연료의 종류 및 임목밀도, 폼 및 리타던트 투하 등에 따른 분포형태와 범위를 실험하고 측풍의 영향에 따른 진화용수의 편류량에 대한 실험으로 공중산불진화 모델을 제시하여야 할 것으로 사료된다. 아울러 1981년 3월 19일이 우리나라 최초로 산불공중진화를 한 날이므로 산림청은 공중진화 승무원들의 사기앙양과 자부심을 향상하고 안전한 공중진화 의식을 함양하기 위하여 이 날을 ‘산불공중진화의 날’로 명하여 기관의 기념일로 정하는 방안을 이 논문을 통하여 제안한다.

제안 방법

특히1967년과 1980년 사이에 다양한 조건하에서 180회 이상 투하 실험을 실시하여 많은 발전을 하였다⁽¹³⁾. 1990년대 미 산림청도 탱크물의 양을 측정하고 투하방식에 영향을 미치는 바람 등의 환경요인을 평가하며, 탱크의 도어 특성과 개폐 기하학, 물 흐름 및 리타던트 흐름의 특성을 평가하는 등 진화용수(물, 리타던트) 운반에 대한 다수의 다발 및 단발 에어탱크가 광범위한 투하 실험을 하였다. 항공기 투하고도와 속도는 비디오분석, GPS, 레이다 고도계로 측정하여 분석하였다⁽¹⁴⁾.
Table 2에서 실제 산불현장의 산악에서 운용하는 유효하고 대표적인 3개(5, 10, 13회)의 실험결과를 선정하였고, 진화유효성을 판단하기 위하여 실험결과는 물이 0.5 l 이상 측정된 최대분포도(0.5~1 l/m²로 측정된 최대 폭과 길이), 진화효과가 있는 유효분포도(1~2.5 l/m²로 측정된 최대 폭과 길이), 완전한 진화가 되는 핵심분포도(2.6~4 l/ m2로 측정된 최대 폭과 길이)로 기준을 설정하였다. 5회 결과는 Ka-32t가 고도 25 m로 3,000 l의 물을 투하 한 것이고, 10회 결과는 S-64E가 고도 25 m로 8,000 l의 물을 투하 한 것이며, 13회 결과는 AS-350B2가 산악지역에서 800 l의 물을 투하 한 결과이다.
물투하 실험은 14회를 하였으며 Ka-32t는 평지에서 고도 30 m, 산악에서 고도 25 m로 각 4회, S-64E는 산악에서 고도 25 m로 2회, AS-350B2는 고도 25 m로 평지와 산악에서 각각 2회를 하였다. Table 2는 총 14회의 투하실험 결과이다.
본 실험에서 사용한 각 헬리콥터의 물탱크 기계적 시스템과 구조에 대한 연구를 하지 않았다. 특히 물탱크 도어의 개페를 조절하여 일부분만 투하 하는 분할 투하(Split Drop), 분할투하를 길게 조절하는 연속투하(Trail, Sequence Drop), 일제히 투하 하는 일제투하(Salvo Drop) 또는 동시투하(Simultaneous)하는 방법 중에서 실험 여건의 어려움으로 실험은 일제투하(동시투하)만 실시하였다. 또한 연료의 종류별(침엽수림, 활엽수림, 혼합림) 임목밀도에 따른 분포형태와 범위 그리고 수고밀도에 대한 진화용수의 침투율에 대한 연구를 못하였으며, 진화용수의 투하에서 물투하만 하였고, 폼이나 점성이 강한 리타던트로 실험을 하지 못한 것이 한계로 남아있다.
1990년대 미 산림청도 탱크물의 양을 측정하고 투하방식에 영향을 미치는 바람 등의 환경요인을 평가하며, 탱크의 도어 특성과 개폐 기하학, 물 흐름 및 리타던트 흐름의 특성을 평가하는 등 진화용수(물, 리타던트) 운반에 대한 다수의 다발 및 단발 에어탱크가 광범위한 투하 실험을 하였다. 항공기 투하고도와 속도는 비디오분석, GPS, 레이다 고도계로 측정하여 분석하였다⁽¹⁴⁾. 실험자료의 분석은 1973년 이전에 전산화 기술이 도입되기 이전에는 수작업으로 하였으나 이후에는 컴퓨터 그래픽으로 분석하였다⁽¹⁵⁾.
1931년 캘리포니아에서 고정익 에어탱크 운용을 최초로 제안하였고⁽⁸⁾, 1937년 해군의 훈련기 N3N 고정익항공기를 개조하여 산림청과 최초로 에어탱크로 계약하여 세크라멘트에서 운용하였다⁽⁹⁾. 헬리콥터는 1945년 산림청과 육군이 R-5A와 R5B 헬기로 최초 산불운용시험을 하였고, 1946년 알래스카의 페어뱅크 산불과 L.A의 레드락 산불에서 공중정찰 및 탐지를 하였다. 1947년 8월 5일 L.

대상 데이터

Table 3은 매설한 패트병의 가로 14개 세로 70개 총 980개중 Ka-32t가 물 투하시 담수된 가로 14개 세로 37개 총 518개의 물만을 측정한 기록 자료이다.
Table 4는 S-64E가 물투하시 담겨진 가로 14개 세로 40개 총 518개에 담수된 물만을 측정한 기록자료이다.
Table 5는 AS-350B2가 물투하시 담겨진 가로 9개 세로 20개 총 180개에 담수된 물만을 측정한 기록한 자료이다.
실험장소에 투하되는 물의 양을 측정하기 위해 패트병을 1/2로 절단하여 번호를 부여하여 산악지역은 3 m×3 m 간격의 격자식으로 가로14개 세로70개 총 980개를 설치하였다.
평지는 2 m×2 m 간격으로 가로 14개 세로 40개 총 560개를 설치하여 넓이는 507 m2이였으며 물투하시 패트병이 넘어지거나 훼손되지 않도록 땅에 매설하였다.

데이터처리

항공기 투하고도와 속도는 비디오분석, GPS, 레이다 고도계로 측정하여 분석하였다⁽¹⁴⁾. 실험자료의 분석은 1973년 이전에 전산화 기술이 도입되기 이전에는 수작업으로 하였으나 이후에는 컴퓨터 그래픽으로 분석하였다⁽¹⁵⁾. 공중 투하의 효과는 정확한 지점 및 산불전방에 물 또는 리타던트의 적절한 투하로 결정된다.

이론/모형

Figure 3. Pattern simulation model (PATSIM) used to predict ground distribution pattern from retardent release characteristics⁽¹⁷⁾.
컴퓨터 그래픽을 이용한 물투하 자료입력 및 산출은 호주에서 사용한 Aircraft firebombing pattern check program system을 이용하였다.

성능/효과

1. Ka-32t는 지상분포범위가 최대 40 m×110 m이나 진화효과가 있는 유효분포범위는 후면 12 m×35 m 지역이고 완전한 진화가 되는 분포범위는 9 m×9 m 지역으로 분석할 수 있다.
2. S-64E는 지상분포범위가 최대 30 m×210 m이나 진화 효과가 있는 유효분포범위는 15 m×160 m 지역이고 완전한 진화가 되는 분포범위는 15 m×160 m 지역으로 분석할 수 있다.
3. AS-350B2는 지상분포범위가 최대 20 m×42 m이나 진화효과가 있는 유효분포범위 또는 완전한 진화가 되는 분포범위는 6 m×6 m 지역으로 전후면부분의 물투하 범위는 비슷하며 소규모 산불 및 잔불, 비산화지역 등의 산불 진화에 적합하다.
6~4 l/ m2로 측정된 최대 폭과 길이)로 기준을 설정하였다. 5회 결과는 Ka-32t가 고도 25 m로 3,000 l의 물을 투하 한 것이고, 10회 결과는 S-64E가 고도 25 m로 8,000 l의 물을 투하 한 것이며, 13회 결과는 AS-350B2가 산악지역에서 800 l의 물을 투하 한 결과이다.
특징으로 후면부분에 물투하 범위가 크게 분포되어 있다. 따라서 조종사는 물 투하시 약간 빠르게 물 투하를 하는 것이 직접진화에 효과적이다.
우리나라는 산림청 산림항공본부에서 1993년 최초로 B-206 헬리콥터로 비행속도 40 km/h와 80 km/h로 비행하면서 400 l의 물을 투하하여 지상에 투하되는 물의 양을 측정한바 있다. 측정결과 40 km/h로 비행 시 평균 215 ml/m²으로 지면낙하율이 25.1 %이고 80 km/h로 비행 시 평균 167 ml/m²으로 나타났다⁽²⁰⁾. 이 측정은 단순 수작업으로 하였으며 1930년 이후 많은 시행착오를 겪으며 발전한 미국 등의 실험과 같이 입체적인 물분포범위의 패턴을 정확하게 분석하지는 못하였다.

후속연구

또한 연료의 종류별(침엽수림, 활엽수림, 혼합림) 임목밀도에 따른 분포형태와 범위 그리고 수고밀도에 대한 진화용수의 침투율에 대한 연구를 못하였으며, 진화용수의 투하에서 물투하만 하였고, 폼이나 점성이 강한 리타던트로 실험을 하지 못한 것이 한계로 남아있다. 그리고 본 실험은 물투하에 영향을 미치지 않는 풍속(1.5~2.5 km/h)으로 실험을 하였기에 현장에서의 적용은 경험에 의존하여 오조준 투하를 하여야 하는 한계가 있다.
각 기종별로 물탱크 시스템의 구조와 도어 개폐시스템에 따른 물투하의 분포형태 및 범위에 대한 실험을 하여 산불의 규모에 적절하게 물탱크 도어를 개폐하여 투하를 함으로서 진화의 효과성을 증대시킬 필요가 있다. 또한 연료의 종류별(침엽수림, 활엽수림, 혼합림) 밀도를 고려한 실험과 폼과 리타던트로 투하실험을 하여 분포형태 및 범위 그리고 침투율을 구명할 필요가 있다. 더불어 현장적응성을 강화하기 위하여 측풍 풍속 5 km/h, 10 km/h, 15 km/h에 따른 투하되는 진화용수의 편류량(거리)에 관한 실험이 필요하다.
특히 물탱크 도어의 개페를 조절하여 일부분만 투하 하는 분할 투하(Split Drop), 분할투하를 길게 조절하는 연속투하(Trail, Sequence Drop), 일제히 투하 하는 일제투하(Salvo Drop) 또는 동시투하(Simultaneous)하는 방법 중에서 실험 여건의 어려움으로 실험은 일제투하(동시투하)만 실시하였다. 또한 연료의 종류별(침엽수림, 활엽수림, 혼합림) 임목밀도에 따른 분포형태와 범위 그리고 수고밀도에 대한 진화용수의 침투율에 대한 연구를 못하였으며, 진화용수의 투하에서 물투하만 하였고, 폼이나 점성이 강한 리타던트로 실험을 하지 못한 것이 한계로 남아있다. 그리고 본 실험은 물투하에 영향을 미치지 않는 풍속(1.
그럼에도 불구하고 물투하의 효과는 있으므로 물투하의 형태와 분포범위의 실험적 모델 제시는 산불공중진화를 증대하는데 유익하다. 물투하의 형태와 분포범위는 헬리콥터 기종의 기본적 능력이고 이를 활용하는 것은 조종사의 몫으로써 제시한 모델을 인지하여 공중진화의 효율성을 증대하기를 기대한다. 향후에 물탱크 시스템 및 구조, 연료의 종류 및 임목밀도, 폼 및 리타던트 투하 등에 따른 분포형태와 범위를 실험하고 측풍의 영향에 따른 진화용수의 편류량에 대한 실험으로 공중산불진화 모델을 제시하여야 할 것으로 사료된다.
물투하의 분포도는 앞의 실험방법에서 논의 한바와 같이 현장의 풍향, 풍속, 습도, 연료형태, 지형, 산불 및 연기형태 등 외부환경요소 때문에 통제 할 수 없지만, 물탱크의 성능이나 진화수 투하방법 등의 기술은 조종사의 훈련 및 숙련된 경험으로 물투하 분포 및 범위의 효과성을 증대시킬 수 있다. 본 실험에서 사용한 각 헬리콥터의 물탱크 기계적 시스템과 구조에 대한 연구를 하지 않았다. 특히 물탱크 도어의 개페를 조절하여 일부분만 투하 하는 분할 투하(Split Drop), 분할투하를 길게 조절하는 연속투하(Trail, Sequence Drop), 일제히 투하 하는 일제투하(Salvo Drop) 또는 동시투하(Simultaneous)하는 방법 중에서 실험 여건의 어려움으로 실험은 일제투하(동시투하)만 실시하였다.
물투하의 형태와 분포범위는 헬리콥터 기종의 기본적 능력이고 이를 활용하는 것은 조종사의 몫으로써 제시한 모델을 인지하여 공중진화의 효율성을 증대하기를 기대한다. 향후에 물탱크 시스템 및 구조, 연료의 종류 및 임목밀도, 폼 및 리타던트 투하 등에 따른 분포형태와 범위를 실험하고 측풍의 영향에 따른 진화용수의 편류량에 대한 실험으로 공중산불진화 모델을 제시하여야 할 것으로 사료된다. 아울러 1981년 3월 19일이 우리나라 최초로 산불공중진화를 한 날이므로 산림청은 공중진화 승무원들의 사기앙양과 자부심을 향상하고 안전한 공중진화 의식을 함양하기 위하여 이 날을 ‘산불공중진화의 날’로 명하여 기관의 기념일로 정하는 방안을 이 논문을 통하여 제안한다.

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