[논문]저시정 조건에서 회전익 항공기 조종사 에러 발생율 및 비행특성

임세훈; 조영진

doi:10.12673/jant.2024.28.1.60

저시정 조건에서 회전익 항공기 조종사 에러 발생율 및 비행특성
Error Rate and Flight Characteristics of Rotary-Wing Aircraft Pilots Under Low Visibility Conditions 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.28 no.1, 2024년, pp.60 - 67

임세훈 (한서대학교 헬리콥터조종학과) , 조영진 (한서대학교 헬리콥터조종학과)

초록
AI-Helper

민간항공사고의 대부분은 인적요인에 의해 발생하고 특히 회전익 항공기는 예상하지 못하거나 의도하지 않게 악기상으로 진입하는 IIMC (instrument meteorological conditions) 상황에서의 사고가 많이 발생하고 있다. 이 연구는 저시정 조건에서 회전익 항공기 조종사의 에러율를 다각적으로 분석하여 비행특성에 관한 통찰력을 얻고 IIMC 상황에서의 사고를 줄이기 위한 방안을 연구하였다. 저시정 조건에서 조종사의 에러 발생율을 모션이 장착된 비행 시뮬레이터를 활용하였으며 65명의 조종사가 실험에 참여하였다. 실험을 통해 획득한 비행 데이터로 비행시정 감소, 공간정위상실 유무, 조종사 자격 등 다양한 조건에 따라 에러 발생율을 비교 분석하였다. 분석결과 다양한 조건에서 비행특성에 대한 특이점을 발견할 수 있었고 조종사의 자격 등급, 계기비행 (IFR; instrument flight rules) 자격 유무, 비행단계별 에러 발생율에 유의미한 차이가 발생하였다. 이와 같은 연구의 결과는 조종사의 교육 및 훈련프로그램을 개선하고 IIMC 상황에서 항공기 사고예방에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The majority of civil aviation accidents are caused by human factors, and especially for rotary-wing aircraft, accidents often occur in situations where pilots unexpectedly or unintentionally enter into instrument meteorological conditions (IIMC). This research analyzed the error rates of rotary-wing aircraft pilots under low visibility conditions from various angles to gain insights into flight characteristics and to explore measures to reduce accidents in IIMC situations. The occurrence rate of errors by pilots under low visibility conditions was examined using a flight simulator equipped with motion, with 65 pilots participating in the experiment. Flight data obtained through the experiment were used to aggregate and analyze the number of errors under various conditions, such as reductions in flight visibility, the presence or absence of spatial disorientation, and the pilot's qualifications. The analysis revealed peculiarities in flight characteristics under various conditions, and significant differences were found in the rate of error occurrence according to the pilot's qualification level, possession of instrument flight rules (IFR) qualifications, and during different phases of flight. The results of this research are expected to contribute significantly to the prevention of aircraft accidents in IIMC situations by improving pilot education and training programs.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. 시뮬레이터 교관석 Fig. 1. Flight training device IOS.
표 표 1. 국내 회전익 항공기 사고사례 Table 1. Domestic rotary wing aircraft accident cases.
그림 그림 2. 공간정위상실 분류 알고리즘 Fig. 2. SD (spatial disorientation) classification algorithm.
표 표 2. 실험 조건 Table 2. Experimental conditions.
표 표 3. 측정값 Table 3. Measures.
표 표 4. 비행시정별 크루스칼 왈리스 검정 결과 Table 4. Kruscal Wallace test results by visibility.
표 표 5. 공간정위상실 유무에 따른 맨-휘트니 U 검정 결과 Table 4. Mann-Whitney U test results by SD.
표 표 6. 조종사 자격별 포아송 회귀분석 결과 Table 6. Poisson regression analysis by certification.
표 표 7. 계기비행자격 유무별 포아송 회귀분석 결과 Table 7. Poisson regression analysis by IFR.
표 표 8. 비행단계별 포아송 회귀분석 결과 Table 8. Poisson regression analysis by flight stage.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서 본 연구에서는 IIMC에서 비행 시뮬레이션을 통해 비행 데이터를 수집하고 회전익 항공기 조종사의 에러율을 다양하게 분석하여 조종사의 비행특성을 파악하고자 한다. 이를 바탕으로 조종사의 에러율을 최소화하고 비행안전을 향상시키기 위한 전략을 모색하였다.
IIMC는 비행시정이 나빠져 조종사의 시각적 참조가 감소됨에 따라 조종사의 성능이 떨어지고 에러가 증가할 수 있으며, 이는 공간정위상실로 이어질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 저시정 조건에서 회전익 항공기 조종사의 에러율과 비행특성을 분석하여 조종사가 안전하게 대응할 수 있는 방안을 마련하는 것을 목표로 하였다.
본 연구에서는 다양한 비행조건에 따라 조종사의 에러율을 비교분석하기 위하여 국지절차 비행 시나리오를 구성하였다. 항공기는 Bell-206 기종으로 조종사 1명만 탑승하여 인천공항에서 시계비행(VFR)으로 이륙시켰다.
따라서 본 연구에서는 IIMC에서 비행 시뮬레이션을 통해 비행 데이터를 수집하고 회전익 항공기 조종사의 에러율을 다양하게 분석하여 조종사의 비행특성을 파악하고자 한다. 이를 바탕으로 조종사의 에러율을 최소화하고 비행안전을 향상시키기 위한 전략을 모색하였다.

가설 설정

본 연구에서는 특별시계비행이 아닌 일반적인 정상 비행상황을 가정하여 실험하였으므로 저시정의 기준을 5,000 m 미만으로 정하였다.

제안 방법

IIMC에서 조종사의 에러 발생율을 집계하고 추가로 공간정위상실에 들어간 경우와 아닌 경우를 정확히 분류하기 위해 그림 2와 같이 공간정위상실 분류 알고리즘을 설계하였다.
교관 조종사는 실험이 진행되는 동안 조종장치 반응여부, 제원 수정여부, 3타 일치(in trim) 조작을 관찰하였고 실험 후에는 실험 참가자와 교관 조종사 간의 인터뷰를 실시하였다. 이러한 과정을 통하여 실험 참가자가 공간정위상실을 느꼈을 경우 데이터는 ‘SD Yes’로 분류하였다.
교관 조종사는 피실험자가 비행 시 항공기의 표준 제원을 맞추도록 사전에 브리핑을 실시하였고 표준제원은 속도 80 knots, 수직속도 분당 ±500 ft로 설정하였다.
따라서 에러 기준값은 pitch ±5˚, bank ±18˚, heading ±10˚, 속도 ±10 knots, 수직속도(VS) 분당 ±1,000 ft로 정하였다.
조종사 자격은 솔로비행을 마친 학생조종사, 자가용조종사, 사업용조종사로 구분하였고 계기비행(IFR) 자격 유무에 따라 에러 발생율의 유의한 차이를 분석하고자 하였다. 마지막으로 비행 단계는 수평비행, 강하비행, 상승비행으로 조건을 구분하여 분석하였다.
본 연구는 IIMC에서 조종사의 에러율을 분석하기 위하여 비행 시뮬레이터를 활용하였다. 시뮬레이터는 실험에 참가한 조종사들이 실제 비행환경과 똑같이 느낄 수 있도록 6축의 모션장치가 장착된 조종환경을 구축하였고 Lockheed Martin에서 개발한 교육용 Prepar 3D 프로그램을 사용하여 비행 시나리오를 설계하였다. 그림 1과 같이 교관석에서는 피실험자를 관찰하고 비행상태를 모니터링 할 수 있는데 이와 같은 모션 기반 시뮬레이터의 모든 비행데이터는 실시간으로 엑셀 파일로 저장되게 된다.
이와 같이 비행환경을 설정한 이유는 실제 IIMC 상황의 비행환경과 유사하게 만들어 조종사의 에러 발생을 관찰하기 위해서였다. 실험 조건은 표 2와 같이 비행시정, 조종사 자격, 계기비행(IFR) 자격, 비행단계별로 구분하여 조종사의 에러율을 집계하였다.
저장된 데이터는 데이터 전처리 과정을 거쳐서 각 파라 m들이 에러 기준값을 초과할 경우는 조종사의 에러가 발생된 것으로 집계하였다.
조종사 자격은 솔로비행을 마친 학생조종사, 자가용조종사, 사업용조종사로 구분하였고 계기비행(IFR) 자격 유무에 따라 에러 발생율의 유의한 차이를 분석하고자 하였다. 마지막으로 비행 단계는 수평비행, 강하비행, 상승비행으로 조건을 구분하여 분석하였다.

대상 데이터

2008년부터 2012년까지 우리나라 회전익 항공기의 전체 사고율은 9.8건, 사망사고는 7.8건이다. 회전익 항공기 사고율에서 사망사고율이 76%를 차지하고 있는데 이 수치는 미국이나 호주에 비해 높은 수준이다 [1].
본 연구는 IIMC에서 조종사의 에러율을 분석하기 위하여 비행 시뮬레이터를 활용하였고 총 65명의 조종사가 실험에 참가하였다. 실험을 통해 얻은 데이터는 표 3과 같이 시간, 항공기 자세, 항공기 제원 등 총 5가지 측정값을 획득하였다.
실험에 참가한 조종사는 먼저 시뮬레이터에 익숙하게 적응하기 위하여 실험을 시작하기 전에 약 10분간의 친숙화 훈련을 자유롭게 실시하였고 교관 조종사는 항공교통관제(ATC)의 역할을 수행하였다. 교관 조종사는 피실험자가 비행 시 항공기의 표준 제원을 맞추도록 사전에 브리핑을 실시하였고 표준제원은 속도 80 knots, 수직속도 분당 ±500 ft로 설정하였다.
본 연구는 IIMC에서 조종사의 에러율을 분석하기 위하여 비행 시뮬레이터를 활용하였고 총 65명의 조종사가 실험에 참가하였다. 실험을 통해 얻은 데이터는 표 3과 같이 시간, 항공기 자세, 항공기 제원 등 총 5가지 측정값을 획득하였다.
본 연구에서는 다양한 비행조건에 따라 조종사의 에러율을 비교분석하기 위하여 국지절차 비행 시나리오를 구성하였다. 항공기는 Bell-206 기종으로 조종사 1명만 탑승하여 인천공항에서 시계비행(VFR)으로 이륙시켰다.

데이터처리

분석방법으로 비행시정 및 공간정위상실 유무에 따라 비행 파라미터 에러의 차이를 분석하기 위해 각각 크루스칼 왈리스(Kruscal Wallace), 맨 휘트니 U (Mann-Whitney U) 검정을 실시하였다. 그리고 조종사 자격, 계기비행 자격 유무, 비행 단계별에 따른 조종사의 에러율을 분석하기 위해 포아송 회귀(Poisson regression) 분석을 실시하였다. 포아송 회귀는 카운트 데이터에 적합한 방법으로 에러 발생 횟수 데이터는 이러한 특성을 가지고 있으므로 데이터의 특성을 더 잘 반영할 수 있다.
분석방법으로 비행시정 및 공간정위상실 유무에 따라 비행 파라미터 에러의 차이를 분석하기 위해 각각 크루스칼 왈리스(Kruscal Wallace), 맨 휘트니 U (Mann-Whitney U) 검정을 실시하였다. 그리고 조종사 자격, 계기비행 자격 유무, 비행 단계별에 따른 조종사의 에러율을 분석하기 위해 포아송 회귀(Poisson regression) 분석을 실시하였다.

이론/모형

본 연구는 IIMC에서 조종사의 에러율을 분석하기 위하여 비행 시뮬레이터를 활용하였다. 시뮬레이터는 실험에 참가한 조종사들이 실제 비행환경과 똑같이 느낄 수 있도록 6축의 모션장치가 장착된 조종환경을 구축하였고 Lockheed Martin에서 개발한 교육용 Prepar 3D 프로그램을 사용하여 비행 시나리오를 설계하였다.

성능/효과

민간항공사고의 대부분은 인적요인에 의해 발생하고 특히 회전익 항공기는 예상하지 못하거나 의도하지 않게 악기상으로 진입하는 IIMC 상황에서의 사고가 많이 발생하고 있다. IIMC는 비행시정이 나빠져 조종사의 시각적 참조가 감소됨에 따라 조종사의 성능이 떨어지고 에러가 증가할 수 있으며, 이는 공간정위상실로 이어질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 저시정 조건에서 회전익 항공기 조종사의 에러율과 비행특성을 분석하여 조종사가 안전하게 대응할 수 있는 방안을 마련하는 것을 목표로 하였다.
그런데 상승비행이나 강하비행은 수평비행에 비해 주의를 기울여야할 계기가 많고 특히, 이착륙 단계에서는 조종사가 처리해야할 정보의 양은 많아진다. 따라서 수평비행에 비해 상승 및 강하비행에 조종사의 에러 발생은 증가할 수 있으며 상승비행 단계가 가장 취약한 것으로 판단된다. 최근 국내 회전익 항공기 사고사례에서도 이착륙 중에 IIMC에 들어갈 경우 치명적인 사고가 발생한 사례가 많다.
또한 저시정 조건에서 회전익 항공기는 상승 및 강하비행 단계에서의 에러 발생률이 수평비행에 비해 높았으며 특히, 상승 비행단계가 가장 취약한 것으로 분석되었다. 이는 특정 비행단계에서 조종사의 집중력과 판단력이 더 중요하며 각 임무 특성에 맞는 훈련프로그램을 적용시켜 조종사들이 이러한 상황을 더 잘 인식하고 대응할 수 있도록 훈련하는 것이 필요하다.
세 가지 독립된 비행시정 조건에 따라 조종사의 에러 발생율 차이를 분석한 결과 표 4와 같이 pitch, bank, speed, Vs는 0.05의 유의 수준에서 통계적으로 유의미하지 않았으며 이는 세 조건간의 중앙값에 유의미한 차이가 없음을 의미한다. Heading 비행 데이터의 크루스칼 왈리스 통계량은 9.
연구결과 비행시정이 감소함에 따라 여러 비행 매개변수 중 heading 에러의 유의미한 차이가 발생하였고 공간정위상실로 이어질 경우에는 pitch, bank, speed 에러의 유의미한 차이가 발생하였다. 실제로 2014년도 추락한 소방헬기 사고조사보고서에 따르면 원인 미상의 이유로 heading 서서히 돌아갔고 이후에 공간정위상실로 추락한 것으로 사고원인이 밝혀졌다.
001) 차이가 발생하였다. 이는 저시정 조건에서 계기비행(IFR) 자격을 보유하지 않은 조종사는 자격을 보유한 조종사에 비해 상대적으로 에러 발생이 약 21% 증가함을 의미한다.
7% 증가함을 의미한다. 이러한 결과는 상승비행 및 강하비행이 수평비행에 비해 높은 에러 발생 경향이 있음을 나타낸다. 수평비행과 강하비행 사이에는 수치적으로 큰 차이가 없으나 상승비행이 강하비행에 비해 에러 발생률이 다소 높은 경향을 보인다.
530으로 추정되었으며 이는 사업용조종사에 비해 에러 발생이 약 53% 증가하는 것을 의미한다. 자가용 조종사(Certi=2)의 회귀 계수는 0.382, Exp(B)는 1.465로 사업용조종사에 비해 에러 발생이 약 46.5% 증가함을 의미한다. 따라서 조종사의 자격 등급은 에러 발생과 관련이 있으며 학생 조종사와 자가용 조종사의 에러 발생이 사업용 조종사에 비해 높은 경향이 있다.
저시정 조건에서 조종사 자격 등급과 계기비행(IFR) 자격 유무에 따른 분석결과 학생 조종사와 자가용 조종사는 사업용 조종사에 비해 에러 발생률이 더 높았고, 계기비행(IFR) 자격을 보유하지 않은 조종사는 에러 발생률이 상대적으로 높은 것으로 나타났는데 이는 조종사의 경험과 계기비행 훈련이 조종사의 에러율을 줄이는데 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다. 고정익 항공기 자가용 조종사 자격취득시 미연방항공청(FAA)에서는 3시간의 기본 계기비행 자세 훈련을 받도록 의무화 되어 있으나 회전익 항공기 조종사는 관련된 의무규정이 마련되어 있지 않다.
저시정 조건에서 조종사 자격은 에러 발생에 유의미한(유의확률<.001) 차이가 발생하였다

후속연구

저시정 조건에서 조종사의 에러가 증가할 수는 있지만 적절한 조치를 취하지 않을 경우 통제하기 어려운 상황으로 발전될 수 있는 것이다. 따라서 이러한 결과는 저시정 조건에서 조종사의 비행특성에 대한 통찰력을 제공하고 향후 공간정위상실을 감지하는 기술 개발에 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
또한 저시정 조건에서 회전익 항공기는 상승 및 강하비행 단계에서의 에러 발생률이 수평비행에 비해 높았으며 특히, 상승 비행단계가 가장 취약한 것으로 분석되었다. 이는 특정 비행단계에서 조종사의 집중력과 판단력이 더 중요하며 각 임무 특성에 맞는 훈련프로그램을 적용시켜 조종사들이 이러한 상황을 더 잘 인식하고 대응할 수 있도록 훈련하는 것이 필요하다. 따라서 조종사 교육과 훈련 프로그램은 저시정 조건에서의 비행 특성을 반영하여 설계되어야 하며 특히 상승 및 강하 단계에서 요구되는 조종 기술과 위험 상황 인식 능력을 강화하는 데 중점을 두어야 한다.

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ICAO, Doc 10011: Manual on Aeroplane Upset Prevention？and Recovery Training, 2014.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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