Gravity Fuel Feeding

gravity fuel feeding은 연료펌프가 모두 고장 났을 때, 단순히 중력(head pressure) 으로 날개 탱크에서 엔진으로 연료를 공급하는 방식입니다. 펌프 압력이 사라지면 연료 압력은 “탱크 상단과 엔진 연료 분사기(FFV) 사이의 압력차”에 의존하게 되는데, 이때 고도와 대기압의 영향이 크게 작용합니다.

 

 

왜 고도 제한(ceiling)이 있는가?

 

• 고도가 올라갈수록 외부 대기압이 낮아집니다.
• 연료 탱크 내부는 대기압 + 탱크 벤트 압력(상대적으로 낮음)에 가까운 압력이고, 엔진 유입구 쪽은 압축기 입구(상대적으로 높은 압력)를 갖습니다.
• 따라서 고도가 높아질수록 탱크→엔진으로 중력만으로 공급할 수 있는 압력차(ΔP)가 줄어듭니다. 결국 일정 고도 이상에서는 연료가 안정적으로 흐르지 못해 flameout 위험이 있습니다.

 

 

A320 FCOM 절차에 따른 제한

 

A320의 QRH 절차에서는 다음과 같이 Gravity Feed Ceiling을 규정합니다 :

 

• FL300 이상에서 30분 이상 비행 후 → 현재 FL 유지 가능.
• FL300 이상에서 30분 미만 체류 후 → FL300 이하로.
• FL300 이상 도달한 적이 없으면 → FL150 또는 이륙공항 +7000 ft 중 높은 값 이하.
• 일부 기종에서는 연료 종류(JET B 사용 시) → FL100 제한.

 

즉, 중력으로 연료를 공급할 때는 펌프 압력이 없어도 엔진 연료 시스템에 충분한 유량을 줄 수 있는 최대 보장 고도가 정해져 있습니다.

 

 

정리

 

• Gravity feed는 단순히 탱크 높이(head) 차이로 흐르는 연료에 의존.
• 고도가 높아질수록 엔진 입구 압력이 상대적으로 커지고, 연료가 흐르기 어려워져 제한 고도(ceiling)가 생김.
• 따라서 절차에 따라 일정 FL 이하로 하강해야 엔진 flameout 위험을 줄일 수 있습니다.

 

 

1) 왜 고도(ceiling)가 문제인가 — 핵심 아이디어

 

• 중력 연료 공급(gravity feed) 은 펌프(또는 전기적 압력)가 없을 때 탱크 표면 높이로부터 생기는 정수두(head pressure) 만으로 연료를 흘려보내는 것.
• 비행 고도가 올라가면 주위(대기) 압력이 작아진다. 엔진 연료 계통의 국부 압력(특히 연료 계통에서 압력 강하가 일어나는 지점)과 탱크에서 발생하는 정수두의 차가 작아지면 연료의 안정적 흐름이 어려움 → 연료공급 불안정 → 엔진 실화(flame-out) 위험이 커짐.
• 또한 고압·고속 조건에서의 국부 압력 강하, 연료 온도, 연료의 증기압(vapour pressure) 때문에 캐비테이션(기포 발생) 또는 국부 기화가 일어나 연료펌프/분사부에서 문제를 일으킬 수 있음.

 

(FCOM QRH: gravity feed ceiling 규정 및 절차 — 연료 교차밸브(FUEL X FEED) 조작, 기울기(banking) 사용 등)

 

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2) 간단 수치 예시 — 정수두(정압) 계산

 

아래는 **탱크 높이(h)**가 엔진 연료입구보다 2.5 m 높은 경우를 가정한 계산 (숫자 단위 하나하나 계산해 보여줌):

 

• 연료 밀도(approx, Jet A): ρ = 800 kg·m⁻³ (대표값)
• 중력가속도: g = 9.81 m·s⁻²
• 높이: h = 2.5 m

 

정수두(압력 증가) ΔP = ρ · g · h

계산:

9.81 × 800 = 7,848

7,848 × 2.5 = 19,620 (Pa)

 

→ ΔP = 19,620 Pa = 19.62 kPa

 

이걸 대기압과 비교하면: 1 atm = 101,325 Pa

19,620 ÷ 101,325 = 0.1937 atm (≈ 0.194 atm)

또는 압력 단위 psi 로: 19,620 Pa ≈ 2.85 psi

 

해석: 탱크 높이 2.5 m가 만들어 주는 ‘부압 보상’은 약 19.6 kPa(≈0.19 atm) 정도다. 이게 충분하면 저고도에서는 중력만으로 엔진 흡입부까지 연료 흐름을 만들 수 있지만, 고고도에서 주변압이 크게 낮아지면(예: FL300 부근의 정압은 약 30 kPa 수준) 마진이 급격히 줄어든다.

 

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3) 고도 영향(숫자로 직관화)

 

• 해수면 정압 ≈ 101 kPa
• FL200(≈20,000 ft) 정압 ≈ 55–60 kPa (근사)
• FL300(≈30,000 ft) 정압 ≈ 30–32 kPa (근사)

 

탱크가 만드는 정수두(예: 19.6 kPa)와 주변 대기압(또는 엔진 흡입측의 국부압력) 을 비교해 보면, FL300에서는 탱크가 만들어 주는 압력보다 주변압 자체가 작기 때문에(또는 유동 손실/관마찰, 밸브 압강을 고려하면) 충분한 양의 연료를 안정적으로 밀어넣기 어려움이 된다. 게다가 연료관 내부의 압력이 떨어져서 연료가 기화(캐비테이션) 되면 연료 공급이 순간적으로 중단될 수 있다.

 

이런 이유로 제조사/운용 매뉴얼은 gravity feed ceiling(중력공급 상한)을 정해 놓고, 그 이상의 고도에서 중력만 의존해야 할 상황은 피하거나, 이미 일정 시간 이상 높은 고도에 있었다면 현재 고도 유지 또는 하강 규정을 둡니다. (FCOM/QRH에 자세한 규정 있음)

 

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4) 연료 종류·온도·시간 요인

 

• 연료 종류: JET-B 같은 휘발성이 더 큰 연료는 낮은 주변압에서 더 쉽게 기화 → A320 QRH에서는 JET-B인 경우 더 낮은 ceiling(예: FL100) 명시.
• 연료 온도 상승 → 증기압↑ → 더 쉽게 기화 → ceiling이 낮아짐. (FCOM의 연료고온 절차 참조)
• 비행 시간 이력: QRH는 “이미 FL300을 넘긴 시간이 30분을 초과했는지”에 따라 허용되는 gravity ceiling을 달리 규정(엔진·시스템 열평형·부품 조건에 기초한 운영상 제한).

 

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5) 운용상 대응 (FCOM/QRH에 있는 절차 핵심 요약)

 

• Gravity feed ceiling 도달 시 지시(예: FUEL X FEED 조작 등) 따라 조치. (QRH: GRAVITY FUEL FEEDING 절차)
• 연료 불균형 발생 시 banking(1–3° wing down) 으로 살아있는 엔진 쪽 탱크 연료를 우선 사용토록 유도.
• Negative-g 회피: 급격한 동작/기동으로 연료가 섞이거나 서지 발생하는 것을 방지.

 

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6) 요약(간단)

 

1. 중력 공급은 탱크 높이로 생기는 정수두만 의존한다.
2. 고도가 올라가면 주변압이 낮아져 정수두 대비 마진이 작아지므로 안정적 연료흐름 확보 불가 → ceiling 필요.
3. 연료 종류·온도·선행 비행(고도 체류 시간) 등 요인도 ceiling 규정에 영향을 줌. (FCOM/QRH 참조)