G-LOC (Loss of Consciousness by G Load) 은 무엇인가? 
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G-LOC 현상은 “G 부하에 의해 유발되는 의식상실 : Loss of Consciousness by G Load"의 약자이다.
이러한 G-LOC는 두가지로 분류된다.
첫번째는 기존의 항공기에서도 지속적으로 관찰되었던 서서히 증가해 오는 High G에 대한 지속적인 노출에 의한 조종사의의식상실이며, 두 번째는 1980년대 이후 전술기의 기동 성능 발달과 함께 급격하게 증가되기 시작한 급격한 G의 증가에 의한의식상실이다. 이것은 종래의 G-LOC와 달리 2G/sec^2 이상의 급격한 G의 변화가로 높은 G load를 신체가 감지하지못하고 괜찮다고 생각하고 있는 동안에 단기간에 의식을 상실해 버리는 것이다.
그렇다면 먼저 G는 무엇이고 이 G가 인체에는 어떤 영향을 미치는지부터 알아보자.
1. G(Gravity)
G는 말 그대로 중력을 가르킨다. 정확히는 중력가속도를 말한다. 지구상에서 생활하는
모든 물체에는 항상 1G의 중력가속도가 작용하고 있으며, 이 중력가속도에 따라 지구 표면으로 낙하하는 물체는 9.8M/SEC^2의가속도로 낙하속도가 증가해간다. 그렇다면 비행중에 조종사에게 중력가속도는 어떻게 작용할까? 상승중에는 증가하고, 하강중에는감소할까? 물론 변화한다. 하지만 조종사에게 작용하는 중력가속도는 이것과는 조금 다르다.
비행중에 조종사에게 직접적으로 작용하는 G 중에서 가장 중요한 것은 원심가속도이다.
원심가속도를 쉽게 이해하려면 줄을 매달아 허공에 대고 돌리는 양동이 속의 물이 밑으로 흘러 내리지 않는 것을 생각하면 된다.
다시 말해서, 원운동을 하고 있는 물체는 원의 중심으로 작용하는 힘이 있는 한 그 방향으로 운동을 계속하며, 이 힘을구심력(centripetal force) 이라 한다. 또한, 물체가 원운동할 때 관성에 의하여 원운동으로부터 이탈하려는 힘이발생하는데 이 힘이 원심력(centrifugal force)이다. 물체는 이 구심력과 원심력이 평행을 이룰 때 원운동을 행한다.
G는 걸리는 방향에 따라 3가지 종류가 있다. 제일 먼저 가속이나 감속시 신체의 전후 방향인 Gx 방향으로 얼굴 쪽이 +Gx,뒤통수 쪽이 -Gx이다. 비행기가 이륙을 시작할 때, 신체가 좌석으로 밀려붙여지는 것이 -Gx이고, 자동차가 급브레이크를 걸 때앞으로 밀려나가는 것이 +Gx이다. 또, 횡방향(측면)에서는 왼쪽으로 미끄러져 가는 것이 +Gy, 오른쪽으로 미끄러지는 것이-Gy이다.
하지만 가/감속이나, 옆으로 밀려나는 가속도로는 조종사가 그리 큰 영향을 받지 못한다. 아무리 빠리 가속이된다고 해도, 가령 정지 상태에서 10초 만에 300노트까지 가속이 된다고 해도 초당 가속은 15m/sec^2 정도로, 2G가되지 않는다. 감속의 경우는 더 말할 나위가 없다.
하지만 Z축에 대한 가속도는 다르다. Z축으로의 원심가속도는 선회비행, 급상승/급강하를 위한 PULL UP/PULL DOWN 조작시에 많이 걸린다. 하지만 급상승/급강하를 위하여 원하는 자세를만들고 나면 원심가속도는 다시 1G 상태로 환원된다.(이때부터는 비행기는 직진 비행을 하기 때문에 원심가속도가 발생하지 않는다.따라서 급상승시에도 원하는 자세를 만들기 위한 PULL UP 중에만 원심가속도에 의해 조종사가 영향을 받는다.) 선회에 의해머리로부터 발의 방향으로 밀려부쳐지는 것을 Z축의 G(+Gz)라고 하며, 반대로 다리로부터 머리쪽으로 머리쪽으로 향하는 것을-Gz라고 한다. -Gz의 대표적인 예는 물구나무서기이다. 이 때, -1G가 가해지므로 머리에 피가 몰리며 힘들어진다.
선회 비행중 작용하는 원심력의 크기는 아래와 같다.
비행기가 선회비행시 날개와 수평면이 이루는 각을 경사각(bank angle)이라 한다. 비행기가 일정 반경의 수평선회 비행을 하기위해서는 양력의 크기가 중량과 원심력이 만드는 합력의 크기와 같고 적절한 경사각을 가져야 한다. 아래 그림은 비행기가 선회비행시힘의 관계를 보여준다.
선회비행시 항공기에 작용하는 힘
위의 그림에서 그림 A는 항공기에작용하는 힘이 균형을 이루어 항공기가 일정 회전반경과 일정 고도를 갖는 수평 선회비행시 힘의 관계를 보여주고 있다. 양력은중량과 원심력이 만들어내는 합력과 크기가 같고 방향이 반대로 항공기는 평형을 이룬다.
그림 B의 경우는 항공기가 선회비행시 경사각(bank angle)이 적은 경우인데, 이때 양력은 정확하게 합력과 반대 방향으로 작용하지 않고 새로운 합력이 비행기를 밖으로 미끌어지게 하는 스키드(skid) 현상을 발생시킨다.
그림 C의 경우는 항공기가 선회비행시 경사각(bank angle)이 과도한 경우로써, 이때 양력은 정확하게 합력과 반대 방향으로작용하지 않고 새로운 합력이 비행기를 안쪽으로 미끌어지게 하는 슬립(slip) 현상을 발생시킨다. 그림 D의 경우는 항공기가선회비행시 정확한 경사각을 가지고 있으나, 양력이 합력보다 작아서 항공기는 하강 선회를 하게 된다.그림 E의 경우는 항공기가선회비행시 정확한 경사각을 가지고 있으나, 양력이 합력보다 커서 항공기는 상승 선회를 하게 된다.
또한 좀더 경사각을 많이 주고 수평비행을 하려면 원심력이 커질 수 밖에 없다. 보통 60도 BANK를 주었을 경우 2G가 걸리며 그 이상의 BANK로 선회시는 급격기 G가 증가하게 된다.
2. 의식상실과 관련된 G
앞에서 가감속이나 옆미끄러짐에 의한 가속도는 신체에 영향을 주기에는 그 크기가 미미하다고 했다. 하지만 또 다른 이유가 있으니그것은 바로 머리와 심장의 위치 상관관계이다. 조종사가 의식을 잃기 위해서는 머리의 피가 다른 곳으로 지나치게 많이 빠져나가산소 부족이 되어야 하는데, 가감속시에는 심장과 머리가 동시에 가속도를 받아도 혈액 공급에 큰 지장을 초래치 않는다. 하지만급선회 또는 급 기동시 머리로부터 다리 방향으로 걸려지는 +GZ의 경우 조종사에게 큰 영향을 미치게 된다.
양동이의 물이 바닥에 밀어붙여지는 것과 마찬가지로 비행기가 급기동하게 되면 신체의 혈액이 다리 방향으로 몰린다. 조종사의 최고 혈압이 120mmHg(수은주)라고 가정하자.
눈의 높이와 심장 동맥구와의 간격은 앉아 있으면 약 25cm이다. 즉 1G에서는 25cm의 수은주의 압력만 감소하여 눈의 위치에도달한다. 수은의 비중은 13.59이므로 120mmHg - (250/13.59)mmHg=102mmHg가 된다. 안구 속의 압력은약 20mmHgdlamfh 82mmHg의 압력 차이로 혈액은 눈 속 혈관으로 흘러들어가 잘 보인다.
그러나 5G로선회하면 120mmHg - (250/13.59)×5mmHg=28mmHg가 된다. 이 상태에서는 안구의 압력 20mmHg를 넘어서혈액이 흘러 들어가지 못하게 되며, 안구의 바깥쪽으로 혈액이 흘러들어가게 되어 주변이 어두워 터널 속에서 보고 있는 듯한“tunnel view"가 생긴다. 전체 시야는 석양처럼 어두워져 회색으로 보이는 ”gray out" 상태가 되며, 더 나아가G가 증가하면 시야가 컴컴해지는 “black out"이 발생한다. 또한 이 정도 되면 헬멧과 머리의 무게도 5배, 팔의 무게도5배가 되고, 얼굴 피부는 하반신 쪽으로 밀려 내려가 인상도 바뀌고 만다. 팔은 들 수가 없고 목도 한번 구부리면 원래 상태로되돌리기가 매우 어려워 진다.
6G가 넘으면 뇌 속으로 흘러들어가는 혈액이 없어져서 뇌가 기능발휘를 하지 못하고 마침내의식이 상실된다. 하지만 반드시 6G가 넘어야만 의식을 잃는 것은 아니다. G 내성에 대해 훈련 및 교육을 받지 않은 일반인의경우 4G만 넘어도 의식을 잃는 경우가 많다. 이렇듯 high G에 의한 의식상실은 2차 대전시의 전투기에서부터도 종종있어왔다.
이와 같은 G에 의한 의식 상실에 대처하기 위해서 조종사들이 사용하는 방법은 다음과 같다. 먼저 AntiG-Suit의 착용이다. 이것은 1.75G 이상의 G가 걸리면 복부, 허벅지, 장단지 부위에 주머니가 부착되어 있는 바지 속에공기를 강제로 불어 넣어 주머니들을 팽창시키는 것이다. 이 공기 압력에 의해 하반신에 몰리는 혈액량을 위로 밀어올려 상반신에의혈액량 및 혈압을 강제로 증가시키는 역할을 한다. 하지만 이러한 Anti G-Suit가 경감시켜 주는 G는 대략 0.75～1G에불과하다.
다음으로는 L-1 Maneuver라 불리우는 호흡법이다. 이것은 G가 걸려오면 숨을 토해 내면서 신체 전체의 근육을 긴장시켜 하반신으로의 혈액 몰림을 감소시키는 방법이다.
3. G-LOC는 다른 것인가?
G-LOC는 G의 절대량에 따른 것이 아닌 단위 시간 당 증가량이 상당히 급격한 경우에 생기는 1980년대 이전에는 거의 규명되지 않았던 현상이다.
80년대 이전의 항공기는 추력도 크지 않고, 기체의 강도도 충분히 강하지 않기 때문에 선회 G의 시작도 급격한 것이 아니라 서서히증가해와 최대 제한 G가 기체 강도에 따라 정해졌다. 그러나 F-15, F-16, F-20, HAWK-200,MIRAGE-2000 등의 3세대 항공기 이후에는 충분한 엔진 추력을 갖고 있으며, 강도도 상당히 높게 설계되어 있기 때문에수평비행 상태에서 바로 급선회로 들어갈 수 있으며 G가 급속히 증가하여 그대로 지속시킬 수 있다. 항공기를 자신의 뜻대로경쾌하게 조종하고자 할 경우 문제가 되는 것은 급격하게 증가하기 시작하여 지속되는 High-G 상태를 조종사가 얼마나 견딜 수있느냐이다. 즉, 현대 전투기의 최대 성능은 그 비행기의 고유 기체 성능과도 관련이 있지만 탑승하고 있는 조종사의 G 내성에의해서도 결정된다고 할 수 있다.
표 1은 G의 크기와 그 지속시간과 의식상태를 나타낸 것이다. 사선대의 밑쪽은 의식장애는 없으나 사선범위 밑의 선에 도달하면 시야가 회색이 되어 이른바 “TUNNEL VIEW"가 생기며 이를 넘어서면 의식상실에 빠진다.
사선대 중 골짜기를 만드는 10초 정도까지는 뇌조직에 저장되어 있는 산소에 의해 의식이 유지된다. 혈액 순환계가 급격한 G의시작에 응답하기 시작하는 것은 10초 이후로 약 15초 지나 겨우 G에 대응할 수 있게 된다. 70년대까지의 전투기에서는0.37G/SEC의 선에서 볼 수 있는 바와 같이 혈액순환계가 따라가고, G의 증가 도중에서 GRAY OUT과 의식상실이발생하므로 자신이 G의 반응을 자각할 수 있다.
그런데, 3G/SEC^2라는 높은 G의 시작이 있으며 표에서 보는 바와같이 A점에 도달했을 때에는 의식장애가 없고 신체에의 G부하만이 느껴진다. 이 시점에서 7G를 유지하여 선회에 들어가면 약 2초후의 B 지점에서 갑자기 의식이 상실되며, G 부하가 계속되는 한 의식이 되돌아오지 않는다.
즉, “2G/SEC^2 이상의 급격한 G의 시작으로 높은 G 부하를 신체가 감지, 의식상실없이 괜찮다고 생각하고 있는 동안에 단시간에 의식을 상실해 버린다.”는 상태가 G-LOC 현상이다.
이상태가 위험한 것은 “괜찮다,” “G에 견딜 수 있다”고 생각한 후에 갑자기 의식이 상실되고 그 후 좀처럼 의식이 되돌아오지않는다는 점이다. 이러한 대표적인 사고 사례가 1984년 수원 비행장에서의 F-20 시범비행중 G-LOC에 의한 의식 상실이후INVERTED PITCH HANG-UP에 진입 조종 불능으로 추락한 사례, 1986년 7월 2일, 영국 댄스폴드 기지에서 당시신예기인 HAWK 200기의 시험조종사인 짐 호킨스가 원인없이 추락한 사례(짐 호킨스는 8G에서 30～40초의 선회 후 ZOOMUP한 후에 G-LOC가 일어난 것으로 추정), 1997년 계룡산 상공에서 추락한 한국공군 F-5E(방어기동 중 공격기만확인하는데 고착되어 급강하 자세로 진입, 이후 1번기의 회복 지시에 따라 급강하 자세에서 상승자세로 급격히 기수를 바꾸다가 의식상실후 추락)의 사례등에서 나타난다. 사고 조종사들은 모두 급격한 기동 진입 후 의식상실로 밖에 분석되지 않는 비행 상태를유지하며 지면으로 추락하였다.
이후 G-LOC 현상은 신예 전투기의 개발단계부터 새로운 항공의학상의 문제점으로 논의되어왔다. 특히 G-LOC는 그레이 아웃과 블랙아웃과 같은 전조가 없이 돌연히 의식상실에 빠지고 그 상태가 약 30초 정도 지속되는것으로 고속도의 기동을 실시하고 있을 때의 30초는 아주 위험한 상태에 빠져 사고의 원인이 된다. 또 G-LOC에 빠졌을 경우그 기간 동안의 기억상실이 수반되는 것도 특징으로 조종사는 어떤 조작을 했는지, 또 의식을 상실한 것조차 생각해 낼 수 없다.
이에 따라, 과거의 사고사례 중에서도 아무런 이유를 찾을 수 없었던 사고들 중 많은 사고가 이러한 G-LOC에 의한 것으로 추정되고 있다.
1980년대 후반의 미국 항공우주의학회에서 미해군에서 G-LOC의 보고가 많고, 미공군에서의 G-LOC는 적다는데 대한 논의가이루어졌다. 결론은 미해군기는 2인승이 많아 탑승원 중 어느 한 사람이 G-LOC에 빠져도 다른 한 사람이 이를 알아차리는 일이많으나 미공군기에서는 단좌기가 맣기 때문에 기억상실에 의해 G-LOC를 알아차리지 못하는 것이라고 나왔다. (하지만 이것은복좌기에서는 G-LOC에 두명 다 빠지는 것이 불가능하다는 것은 아니다. 조종사의 신체적 G-적응성의 차이에 기인한 것일 뿐,G에 폭로되는 양은 두명 모두 같기 때문에 동시에 의식을 잃을 수도, 후방석이 먼저 의식을 잃고 나중에 전방석이 의식을 잃을수도 있다.)
F-16과 MIRAGE-2000의 실제 훈련에서는 순간적으로 10G/SEC나 되는 급격한 G의 변화도 발생된다고 보도되고 있다.
4. G-LOC에 어떻게 대처하고 있는가?
가.항공기의 좌석 설계 변경 : 인간의 심장과 머리 높이의 차를 감소시키기 위해 좌석을 후방으로 기울이는 좌석을 채용한다.F-16의 경우 후방으로 30도 기울어져서 심장과 머리의 높이 차가 절반인 12.5cm가 되어 G 내성을 2배로 높일 수 있다.
나. 헬멧 무게의 경감 : 고기동시 헬멧의 무게는 큰 부담이 되기 때문에 신형 헬멧들은 무게가 대폭 경감되었다.
다.ANTI G-SUIT의 개량 : 기존의 ANTI G-SUIT 공기 주머니에의 공기 유입은 기계적 밸브에 의해 이루어졌으나 급격한G의 시작에는 따를 수 없기 때문에 미국에서는 기존의 ANTI G-SUIT에 덧붙여 흉복부의 공기주머니와 가압산 100% 산소를마스크로 보내는 방법을 결합하였다. 이 흉복부 공기주머니는 흉곽에 힘을 주어 숨을 토해내는데 도움이 되며, 또 배에 힘을 주는데도움이 된다. 100% 산소는 표 1에 나타난 뇌의 산소공급을 보다 오래 보존하는데 도움이 되고 의식 상실을 방지한다. 이 개량ANTI G-SUIT는 현재 한국공군의 F-16과 F-15K 조종사들에게도 적용이 되고 있다. 한편 독일에서는 액체 ANTIG-SUIT를 개발 현재 실용화 실험중이다.
라. G 내성훈련 : F-16, F-15K 등과 같은 신예 전투기 조종사선발시는 기존의 전투기 조종사 선발과는 다소 다른 G 내성 테스트를 실시하고 있다. 즉, 6G/SEC라는 고성능 가속도훈련장비를 사용하여 2초만에 9G까지 상승시킨 후 15초를 견디는 훈련을 통과해야만 된다.
하지만, 최신 기종들은 앞에서전술한 바와 같이 10G/SEC까지도 가능하며, 이 훈련은 자신이 잠시후 노출될 G의 양을 알고 대비가 가능하지만 조종사가대비를 하지 못하거나 대비할 타이밍을 놓친 상태 또는 컨디션이 다소 저조한 경우에서는 기존에 훌륭하게 테스트를 통과했던 조종사가어이없이 기절하는 경우를 필자가 다수 목격하였다.
5. 끝맺음.
전투기가 고성능화함에 따라 인간의 신체적 한계를 넘나드는 영역에서 전투가 벌어지는 상태가 자주 발생하게 되었다. 이에 따라 어떻게 그 한계에 도전하고 그 범위를 확대하느냐가 앞으로의 공중전투능력을 결정하는 중대한 요소가 되었다.
위험한 G-LOC라는 새로운 항공의학상의 문제를 극복하기 위해, 항공의학, 조종사 생환장비, 전자장비, 항공기 디자인 등의 모든분야가 협력하고 있다. 이러한 결과의 산물이 G-LIMIT DEVICE이다. 하지만 이 G-LIMIT DEVICE는 항공기에걸리는 최대 G를 제한할 뿐 그 한계 G까지의 초당 변화율은 전술적 고려, 기타 등등의 제한 사항으로 인해 콩제할 수가 없다.(조종사 개개인의 신체 조건과 컨디션, 타이밍등에 의해 너무나 가변적인 수치를 제어하는 것은 불가능에 가깝다.) 이러한G-LIMIT DEVICE의 경우 MANUAL로 해제하지 않는 한 F-16, F-15 9G, FA-18 7.5G등이다.
또한 자동자세 회복 장치가 장비된 항공기들도 있으나, 이러한 장비는 비행착각 방지용이거나 초저고도 침투 비행시 10도 내외의 상승강하각 내에서의 지면 충돌 예상시 회복을 위한 것일 뿐, 수직 및 수평 기동을 아우르는 전투기동시 사용되는 것은 아니다. 즉,자동자세 회복장치는 조종사가 LANTIRN 등의 침투 장비를 이용하여 저고도 침투비행시나, 아니면 악기상중 계기비행중 자세파악이 안될 경우 사용하는 것이라는 의미이다. 만일 15,000피트에서 특수 공중 기동이나, 공중전 중 SPLIT-S, LASTDITCH MANEUVER중에 이러한 자동자세 회복 장치가 작동된다면 어떻게 하겠는가? 또한, LANTIRN 등에 장비된자동자세회복장치의 경우 고속도 급강하 자세에서는 경보 시간과 경보고도가 회복 조작을 성공케 하는데 너무 부족하다.
현재도항공기 설계자들과 항공의학 종사자들, 그리고 조종사들은 G-LOC라는 위험한 현상을 극복하기 위해 상호 노력하고 있다. 하지만,아직도 우리 인간은 극복해야할 난관과 장애가 너무나 많다. 애당초 두발로 땅을 딛고 살라 만드신 조물주의 의사를 거스르고 태양을향해 날아오르는 이카루스의 후예들의 한계일지도 모르겠지만....
참고
에이스지 게재 공군소령 현문준님의 글...,
기타 각종 자료....
http://cafe.naver.com/spacekorea/1223 G-LOC 현상은 “G 부하에 의해 유발되는 의식상실 : Loss of Consciousness by G Load"의 약자이다.
이러한 G-LOC는 두가지로 분류된다.
첫번째는 기존의 항공기에서도 지속적으로 관찰되었던 서서히 증가해 오는 High G에 대한 지속적인 노출에 의한 조종사의의식상실이며, 두 번째는 1980년대 이후 전술기의 기동 성능 발달과 함께 급격하게 증가되기 시작한 급격한 G의 증가에 의한의식상실이다. 이것은 종래의 G-LOC와 달리 2G/sec^2 이상의 급격한 G의 변화가로 높은 G load를 신체가 감지하지못하고 괜찮다고 생각하고 있는 동안에 단기간에 의식을 상실해 버리는 것이다.
그렇다면 먼저 G는 무엇이고 이 G가 인체에는 어떤 영향을 미치는지부터 알아보자.
1. G(Gravity)
G는 말 그대로 중력을 가르킨다. 정확히는 중력가속도를 말한다. 지구상에서 생활하는
모든 물체에는 항상 1G의 중력가속도가 작용하고 있으며, 이 중력가속도에 따라 지구 표면으로 낙하하는 물체는 9.8M/SEC^2의가속도로 낙하속도가 증가해간다. 그렇다면 비행중에 조종사에게 중력가속도는 어떻게 작용할까? 상승중에는 증가하고, 하강중에는감소할까? 물론 변화한다. 하지만 조종사에게 작용하는 중력가속도는 이것과는 조금 다르다.
비행중에 조종사에게 직접적으로 작용하는 G 중에서 가장 중요한 것은 원심가속도이다.
원심가속도를 쉽게 이해하려면 줄을 매달아 허공에 대고 돌리는 양동이 속의 물이 밑으로 흘러 내리지 않는 것을 생각하면 된다.
다시 말해서, 원운동을 하고 있는 물체는 원의 중심으로 작용하는 힘이 있는 한 그 방향으로 운동을 계속하며, 이 힘을구심력(centripetal force) 이라 한다. 또한, 물체가 원운동할 때 관성에 의하여 원운동으로부터 이탈하려는 힘이발생하는데 이 힘이 원심력(centrifugal force)이다. 물체는 이 구심력과 원심력이 평행을 이룰 때 원운동을 행한다.
G는 걸리는 방향에 따라 3가지 종류가 있다. 제일 먼저 가속이나 감속시 신체의 전후 방향인 Gx 방향으로 얼굴 쪽이 +Gx,뒤통수 쪽이 -Gx이다. 비행기가 이륙을 시작할 때, 신체가 좌석으로 밀려붙여지는 것이 -Gx이고, 자동차가 급브레이크를 걸 때앞으로 밀려나가는 것이 +Gx이다. 또, 횡방향(측면)에서는 왼쪽으로 미끄러져 가는 것이 +Gy, 오른쪽으로 미끄러지는 것이-Gy이다.
하지만 가/감속이나, 옆으로 밀려나는 가속도로는 조종사가 그리 큰 영향을 받지 못한다. 아무리 빠리 가속이된다고 해도, 가령 정지 상태에서 10초 만에 300노트까지 가속이 된다고 해도 초당 가속은 15m/sec^2 정도로, 2G가되지 않는다. 감속의 경우는 더 말할 나위가 없다.
하지만 Z축에 대한 가속도는 다르다. Z축으로의 원심가속도는 선회비행, 급상승/급강하를 위한 PULL UP/PULL DOWN 조작시에 많이 걸린다. 하지만 급상승/급강하를 위하여 원하는 자세를만들고 나면 원심가속도는 다시 1G 상태로 환원된다.(이때부터는 비행기는 직진 비행을 하기 때문에 원심가속도가 발생하지 않는다.따라서 급상승시에도 원하는 자세를 만들기 위한 PULL UP 중에만 원심가속도에 의해 조종사가 영향을 받는다.) 선회에 의해머리로부터 발의 방향으로 밀려부쳐지는 것을 Z축의 G(+Gz)라고 하며, 반대로 다리로부터 머리쪽으로 머리쪽으로 향하는 것을-Gz라고 한다. -Gz의 대표적인 예는 물구나무서기이다. 이 때, -1G가 가해지므로 머리에 피가 몰리며 힘들어진다.
선회 비행중 작용하는 원심력의 크기는 아래와 같다.
비행기가 선회비행시 날개와 수평면이 이루는 각을 경사각(bank angle)이라 한다. 비행기가 일정 반경의 수평선회 비행을 하기위해서는 양력의 크기가 중량과 원심력이 만드는 합력의 크기와 같고 적절한 경사각을 가져야 한다. 아래 그림은 비행기가 선회비행시힘의 관계를 보여준다.
선회비행시 항공기에 작용하는 힘
위의 그림에서 그림 A는 항공기에작용하는 힘이 균형을 이루어 항공기가 일정 회전반경과 일정 고도를 갖는 수평 선회비행시 힘의 관계를 보여주고 있다. 양력은중량과 원심력이 만들어내는 합력과 크기가 같고 방향이 반대로 항공기는 평형을 이룬다.
그림 B의 경우는 항공기가 선회비행시 경사각(bank angle)이 적은 경우인데, 이때 양력은 정확하게 합력과 반대 방향으로 작용하지 않고 새로운 합력이 비행기를 밖으로 미끌어지게 하는 스키드(skid) 현상을 발생시킨다.
그림 C의 경우는 항공기가 선회비행시 경사각(bank angle)이 과도한 경우로써, 이때 양력은 정확하게 합력과 반대 방향으로작용하지 않고 새로운 합력이 비행기를 안쪽으로 미끌어지게 하는 슬립(slip) 현상을 발생시킨다. 그림 D의 경우는 항공기가선회비행시 정확한 경사각을 가지고 있으나, 양력이 합력보다 작아서 항공기는 하강 선회를 하게 된다.그림 E의 경우는 항공기가선회비행시 정확한 경사각을 가지고 있으나, 양력이 합력보다 커서 항공기는 상승 선회를 하게 된다.
또한 좀더 경사각을 많이 주고 수평비행을 하려면 원심력이 커질 수 밖에 없다. 보통 60도 BANK를 주었을 경우 2G가 걸리며 그 이상의 BANK로 선회시는 급격기 G가 증가하게 된다.
2. 의식상실과 관련된 G
앞에서 가감속이나 옆미끄러짐에 의한 가속도는 신체에 영향을 주기에는 그 크기가 미미하다고 했다. 하지만 또 다른 이유가 있으니그것은 바로 머리와 심장의 위치 상관관계이다. 조종사가 의식을 잃기 위해서는 머리의 피가 다른 곳으로 지나치게 많이 빠져나가산소 부족이 되어야 하는데, 가감속시에는 심장과 머리가 동시에 가속도를 받아도 혈액 공급에 큰 지장을 초래치 않는다. 하지만급선회 또는 급 기동시 머리로부터 다리 방향으로 걸려지는 +GZ의 경우 조종사에게 큰 영향을 미치게 된다.
양동이의 물이 바닥에 밀어붙여지는 것과 마찬가지로 비행기가 급기동하게 되면 신체의 혈액이 다리 방향으로 몰린다. 조종사의 최고 혈압이 120mmHg(수은주)라고 가정하자.
눈의 높이와 심장 동맥구와의 간격은 앉아 있으면 약 25cm이다. 즉 1G에서는 25cm의 수은주의 압력만 감소하여 눈의 위치에도달한다. 수은의 비중은 13.59이므로 120mmHg - (250/13.59)mmHg=102mmHg가 된다. 안구 속의 압력은약 20mmHgdlamfh 82mmHg의 압력 차이로 혈액은 눈 속 혈관으로 흘러들어가 잘 보인다.
그러나 5G로선회하면 120mmHg - (250/13.59)×5mmHg=28mmHg가 된다. 이 상태에서는 안구의 압력 20mmHg를 넘어서혈액이 흘러 들어가지 못하게 되며, 안구의 바깥쪽으로 혈액이 흘러들어가게 되어 주변이 어두워 터널 속에서 보고 있는 듯한“tunnel view"가 생긴다. 전체 시야는 석양처럼 어두워져 회색으로 보이는 ”gray out" 상태가 되며, 더 나아가G가 증가하면 시야가 컴컴해지는 “black out"이 발생한다. 또한 이 정도 되면 헬멧과 머리의 무게도 5배, 팔의 무게도5배가 되고, 얼굴 피부는 하반신 쪽으로 밀려 내려가 인상도 바뀌고 만다. 팔은 들 수가 없고 목도 한번 구부리면 원래 상태로되돌리기가 매우 어려워 진다.
6G가 넘으면 뇌 속으로 흘러들어가는 혈액이 없어져서 뇌가 기능발휘를 하지 못하고 마침내의식이 상실된다. 하지만 반드시 6G가 넘어야만 의식을 잃는 것은 아니다. G 내성에 대해 훈련 및 교육을 받지 않은 일반인의경우 4G만 넘어도 의식을 잃는 경우가 많다. 이렇듯 high G에 의한 의식상실은 2차 대전시의 전투기에서부터도 종종있어왔다.
이와 같은 G에 의한 의식 상실에 대처하기 위해서 조종사들이 사용하는 방법은 다음과 같다. 먼저 AntiG-Suit의 착용이다. 이것은 1.75G 이상의 G가 걸리면 복부, 허벅지, 장단지 부위에 주머니가 부착되어 있는 바지 속에공기를 강제로 불어 넣어 주머니들을 팽창시키는 것이다. 이 공기 압력에 의해 하반신에 몰리는 혈액량을 위로 밀어올려 상반신에의혈액량 및 혈압을 강제로 증가시키는 역할을 한다. 하지만 이러한 Anti G-Suit가 경감시켜 주는 G는 대략 0.75～1G에불과하다.
다음으로는 L-1 Maneuver라 불리우는 호흡법이다. 이것은 G가 걸려오면 숨을 토해 내면서 신체 전체의 근육을 긴장시켜 하반신으로의 혈액 몰림을 감소시키는 방법이다.
3. G-LOC는 다른 것인가?
G-LOC는 G의 절대량에 따른 것이 아닌 단위 시간 당 증가량이 상당히 급격한 경우에 생기는 1980년대 이전에는 거의 규명되지 않았던 현상이다.
80년대 이전의 항공기는 추력도 크지 않고, 기체의 강도도 충분히 강하지 않기 때문에 선회 G의 시작도 급격한 것이 아니라 서서히증가해와 최대 제한 G가 기체 강도에 따라 정해졌다. 그러나 F-15, F-16, F-20, HAWK-200,MIRAGE-2000 등의 3세대 항공기 이후에는 충분한 엔진 추력을 갖고 있으며, 강도도 상당히 높게 설계되어 있기 때문에수평비행 상태에서 바로 급선회로 들어갈 수 있으며 G가 급속히 증가하여 그대로 지속시킬 수 있다. 항공기를 자신의 뜻대로경쾌하게 조종하고자 할 경우 문제가 되는 것은 급격하게 증가하기 시작하여 지속되는 High-G 상태를 조종사가 얼마나 견딜 수있느냐이다. 즉, 현대 전투기의 최대 성능은 그 비행기의 고유 기체 성능과도 관련이 있지만 탑승하고 있는 조종사의 G 내성에의해서도 결정된다고 할 수 있다.
표 1은 G의 크기와 그 지속시간과 의식상태를 나타낸 것이다. 사선대의 밑쪽은 의식장애는 없으나 사선범위 밑의 선에 도달하면 시야가 회색이 되어 이른바 “TUNNEL VIEW"가 생기며 이를 넘어서면 의식상실에 빠진다.
사선대 중 골짜기를 만드는 10초 정도까지는 뇌조직에 저장되어 있는 산소에 의해 의식이 유지된다. 혈액 순환계가 급격한 G의시작에 응답하기 시작하는 것은 10초 이후로 약 15초 지나 겨우 G에 대응할 수 있게 된다. 70년대까지의 전투기에서는0.37G/SEC의 선에서 볼 수 있는 바와 같이 혈액순환계가 따라가고, G의 증가 도중에서 GRAY OUT과 의식상실이발생하므로 자신이 G의 반응을 자각할 수 있다.
그런데, 3G/SEC^2라는 높은 G의 시작이 있으며 표에서 보는 바와같이 A점에 도달했을 때에는 의식장애가 없고 신체에의 G부하만이 느껴진다. 이 시점에서 7G를 유지하여 선회에 들어가면 약 2초후의 B 지점에서 갑자기 의식이 상실되며, G 부하가 계속되는 한 의식이 되돌아오지 않는다.
즉, “2G/SEC^2 이상의 급격한 G의 시작으로 높은 G 부하를 신체가 감지, 의식상실없이 괜찮다고 생각하고 있는 동안에 단시간에 의식을 상실해 버린다.”는 상태가 G-LOC 현상이다.
이상태가 위험한 것은 “괜찮다,” “G에 견딜 수 있다”고 생각한 후에 갑자기 의식이 상실되고 그 후 좀처럼 의식이 되돌아오지않는다는 점이다. 이러한 대표적인 사고 사례가 1984년 수원 비행장에서의 F-20 시범비행중 G-LOC에 의한 의식 상실이후INVERTED PITCH HANG-UP에 진입 조종 불능으로 추락한 사례, 1986년 7월 2일, 영국 댄스폴드 기지에서 당시신예기인 HAWK 200기의 시험조종사인 짐 호킨스가 원인없이 추락한 사례(짐 호킨스는 8G에서 30～40초의 선회 후 ZOOMUP한 후에 G-LOC가 일어난 것으로 추정), 1997년 계룡산 상공에서 추락한 한국공군 F-5E(방어기동 중 공격기만확인하는데 고착되어 급강하 자세로 진입, 이후 1번기의 회복 지시에 따라 급강하 자세에서 상승자세로 급격히 기수를 바꾸다가 의식상실후 추락)의 사례등에서 나타난다. 사고 조종사들은 모두 급격한 기동 진입 후 의식상실로 밖에 분석되지 않는 비행 상태를유지하며 지면으로 추락하였다.
이후 G-LOC 현상은 신예 전투기의 개발단계부터 새로운 항공의학상의 문제점으로 논의되어왔다. 특히 G-LOC는 그레이 아웃과 블랙아웃과 같은 전조가 없이 돌연히 의식상실에 빠지고 그 상태가 약 30초 정도 지속되는것으로 고속도의 기동을 실시하고 있을 때의 30초는 아주 위험한 상태에 빠져 사고의 원인이 된다. 또 G-LOC에 빠졌을 경우그 기간 동안의 기억상실이 수반되는 것도 특징으로 조종사는 어떤 조작을 했는지, 또 의식을 상실한 것조차 생각해 낼 수 없다.
이에 따라, 과거의 사고사례 중에서도 아무런 이유를 찾을 수 없었던 사고들 중 많은 사고가 이러한 G-LOC에 의한 것으로 추정되고 있다.
1980년대 후반의 미국 항공우주의학회에서 미해군에서 G-LOC의 보고가 많고, 미공군에서의 G-LOC는 적다는데 대한 논의가이루어졌다. 결론은 미해군기는 2인승이 많아 탑승원 중 어느 한 사람이 G-LOC에 빠져도 다른 한 사람이 이를 알아차리는 일이많으나 미공군기에서는 단좌기가 맣기 때문에 기억상실에 의해 G-LOC를 알아차리지 못하는 것이라고 나왔다. (하지만 이것은복좌기에서는 G-LOC에 두명 다 빠지는 것이 불가능하다는 것은 아니다. 조종사의 신체적 G-적응성의 차이에 기인한 것일 뿐,G에 폭로되는 양은 두명 모두 같기 때문에 동시에 의식을 잃을 수도, 후방석이 먼저 의식을 잃고 나중에 전방석이 의식을 잃을수도 있다.)
F-16과 MIRAGE-2000의 실제 훈련에서는 순간적으로 10G/SEC나 되는 급격한 G의 변화도 발생된다고 보도되고 있다.
4. G-LOC에 어떻게 대처하고 있는가?
가.항공기의 좌석 설계 변경 : 인간의 심장과 머리 높이의 차를 감소시키기 위해 좌석을 후방으로 기울이는 좌석을 채용한다.F-16의 경우 후방으로 30도 기울어져서 심장과 머리의 높이 차가 절반인 12.5cm가 되어 G 내성을 2배로 높일 수 있다.
나. 헬멧 무게의 경감 : 고기동시 헬멧의 무게는 큰 부담이 되기 때문에 신형 헬멧들은 무게가 대폭 경감되었다.
다.ANTI G-SUIT의 개량 : 기존의 ANTI G-SUIT 공기 주머니에의 공기 유입은 기계적 밸브에 의해 이루어졌으나 급격한G의 시작에는 따를 수 없기 때문에 미국에서는 기존의 ANTI G-SUIT에 덧붙여 흉복부의 공기주머니와 가압산 100% 산소를마스크로 보내는 방법을 결합하였다. 이 흉복부 공기주머니는 흉곽에 힘을 주어 숨을 토해내는데 도움이 되며, 또 배에 힘을 주는데도움이 된다. 100% 산소는 표 1에 나타난 뇌의 산소공급을 보다 오래 보존하는데 도움이 되고 의식 상실을 방지한다. 이 개량ANTI G-SUIT는 현재 한국공군의 F-16과 F-15K 조종사들에게도 적용이 되고 있다. 한편 독일에서는 액체 ANTIG-SUIT를 개발 현재 실용화 실험중이다.
라. G 내성훈련 : F-16, F-15K 등과 같은 신예 전투기 조종사선발시는 기존의 전투기 조종사 선발과는 다소 다른 G 내성 테스트를 실시하고 있다. 즉, 6G/SEC라는 고성능 가속도훈련장비를 사용하여 2초만에 9G까지 상승시킨 후 15초를 견디는 훈련을 통과해야만 된다.
하지만, 최신 기종들은 앞에서전술한 바와 같이 10G/SEC까지도 가능하며, 이 훈련은 자신이 잠시후 노출될 G의 양을 알고 대비가 가능하지만 조종사가대비를 하지 못하거나 대비할 타이밍을 놓친 상태 또는 컨디션이 다소 저조한 경우에서는 기존에 훌륭하게 테스트를 통과했던 조종사가어이없이 기절하는 경우를 필자가 다수 목격하였다.
5. 끝맺음.
전투기가 고성능화함에 따라 인간의 신체적 한계를 넘나드는 영역에서 전투가 벌어지는 상태가 자주 발생하게 되었다. 이에 따라 어떻게 그 한계에 도전하고 그 범위를 확대하느냐가 앞으로의 공중전투능력을 결정하는 중대한 요소가 되었다.
위험한 G-LOC라는 새로운 항공의학상의 문제를 극복하기 위해, 항공의학, 조종사 생환장비, 전자장비, 항공기 디자인 등의 모든분야가 협력하고 있다. 이러한 결과의 산물이 G-LIMIT DEVICE이다. 하지만 이 G-LIMIT DEVICE는 항공기에걸리는 최대 G를 제한할 뿐 그 한계 G까지의 초당 변화율은 전술적 고려, 기타 등등의 제한 사항으로 인해 콩제할 수가 없다.(조종사 개개인의 신체 조건과 컨디션, 타이밍등에 의해 너무나 가변적인 수치를 제어하는 것은 불가능에 가깝다.) 이러한G-LIMIT DEVICE의 경우 MANUAL로 해제하지 않는 한 F-16, F-15 9G, FA-18 7.5G등이다.
또한 자동자세 회복 장치가 장비된 항공기들도 있으나, 이러한 장비는 비행착각 방지용이거나 초저고도 침투 비행시 10도 내외의 상승강하각 내에서의 지면 충돌 예상시 회복을 위한 것일 뿐, 수직 및 수평 기동을 아우르는 전투기동시 사용되는 것은 아니다. 즉,자동자세 회복장치는 조종사가 LANTIRN 등의 침투 장비를 이용하여 저고도 침투비행시나, 아니면 악기상중 계기비행중 자세파악이 안될 경우 사용하는 것이라는 의미이다. 만일 15,000피트에서 특수 공중 기동이나, 공중전 중 SPLIT-S, LASTDITCH MANEUVER중에 이러한 자동자세 회복 장치가 작동된다면 어떻게 하겠는가? 또한, LANTIRN 등에 장비된자동자세회복장치의 경우 고속도 급강하 자세에서는 경보 시간과 경보고도가 회복 조작을 성공케 하는데 너무 부족하다.
현재도항공기 설계자들과 항공의학 종사자들, 그리고 조종사들은 G-LOC라는 위험한 현상을 극복하기 위해 상호 노력하고 있다. 하지만,아직도 우리 인간은 극복해야할 난관과 장애가 너무나 많다. 애당초 두발로 땅을 딛고 살라 만드신 조물주의 의사를 거스르고 태양을향해 날아오르는 이카루스의 후예들의 한계일지도 모르겠지만....
참고
에이스지 게재 공군소령 현문준님의 글...,
기타 각종 자료....
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