G-LOC

1. 개요2. 원인3. 사람의 내성4. 예시5. 역사6. 예방법7. 여담8. 관련 문서

1. 개요

G-LOC이 무엇인지 보여주는 영상[1]

G-LOC에 의한 블랙아웃으로 의식을 잃은 사례[2]

G-LOC은 G-Induced Loss of Consciousness, 즉 '중력가속도에 의한 의식상실'의 약자다. 블랙아웃(눈 앞이 캄캄해짐을 뜻하는 단어)의 원인 중 하나다.

2. 원인

항공기가 기동할 때, 안에 타고 있는 조종사는 항공기의 가속도(acceleration) 방향의 반대 방향으로 관성력(inertial force)를 받게 된다. 이 관성력을 중력 가속도(g= 9.8 m s^-2)로 환산해서 중력의 몇 배인지로 표기한 단위가 G이다. 인체는 지표면에서 중력에 의해 항상 1G의 힘을 받기 때문에 거기에 적응하게끔 되어있지만, 항공기, 특히 전투기가 급격한 기동을 할 때는 그 몇 배의 힘을 받게 된다. 이때 항공기와 거기에 탄 사람한테는 비행 궤적의 접촉원(Osculating circle)의 중심 방향으로 곡률에 반비례하는 크기의 관성력이 발생한다.

사람이 하체 방향으로 관성력을 받게 되면 몸이 무거워지고 눌리는 듯한 기분을 느끼게 되며, 동시에 피가 하체로 쏠리면서 안구와 뇌에 피가 공급되지 않아서 시야가 흐려지거나 아예 까맣게 된다. 기수를 들어 급상승하는 경우가 여기에 해당한다. 시야가 좁아지는 게 그레이아웃, 더 심해져 거의 보이지 않거나 아무것도 보이지 않게 되면 블랙아웃이다. 여기까지는 의식이 있으나, 상태가 심해지면 그대로 의식을 잃게 되는데, 이것이 G-LOC이다. 반대로 기수를 급격히 내려 머리 방향으로 관성력을 받게 되면 안구와 뇌에 피가 쏠리는 레드아웃 현상이 온다. 레드아웃 쪽이 더 위험하다.

3. 사람의 내성

사람은 보통 5~6G가 되면 피가 다리쪽으로 쏠려(피도 원심력을 받으니) 뇌와 안구에 피가 부족하여 시야가 회색빛 일색이 된다고 한다. 특히 시야 외곽 부분이 잘 안 보이는데, 이를 터널 현상, 혹은 그레이아웃(Greyout)이라고 부른다.[3]

사례에 따르면 4G에서 블랙아웃을 느낀 사람도 있으며 10G가 넘어도 정신줄을 붙잡는 경우가 있다. 이는 조종사의 숙련도나 신체 컨디션 등 많은 변수가 존재하기 때문이며, 같은 G를 받더라도 곧 G를 받게 될 것을 아는 상태로 대비하고 있었는지(이를 테면 항상 같은 패턴으로 비행하는 곡예비행사들), 아니면 예기치 못하게 갑자기 G를 받았는지(이를 테면 사고 등을 피하기 위해 갑자기 급기동을 했다든지)에 따라 버틸 수도 버티지 못할 수도 있다.

보통은 훈련된 조종사가 잠시 동안 버틸 수 있는 한계가 9G이므로, 전투기도 9G 정도의 원심력이 걸릴 정도로만 선회할 수 있도록 설계한다.(항공기의 구조물 자체는 안전을 고려하여 12~13G정도까지 버틸 수 있도록 설계하지만, 5G만 넘어가도 비행 후 정밀 점검을 해야 한다) 물론 9G를 넘는 중력이 순간적으로 걸린다 해도, 바로 상황이 개선된다면 특별한 상해를 입지는 않는다.

인간은 아주 짧은 순간이면 45G 정도까지도 견딘다.[4] 대표적인 예시로는 사출좌석을 이용한 비상 탈출 상황이 있다. (다만 이 정도면 몸에 큰 무리가 걸리는 건 맞기 때문에, 심각한 부상 경력 등이 있는 사람들은 전투기나 우주선 조종사 양성 과정을 밟지 못한다. 공군 공중근무자 신검 내용을 참조하자.) 또한 옛날 우주선도 발사로 진입 시 이런 큰 G를 받는다.[5] 다만 이러한 블랙아웃을 방지하기 위해 압력을 받는 방향으로 좌석이 틀어져 있고, 비행기와 달리 중력 가속도로 인한 부하가 한 쪽으로 쏠리기 때문에 우주비행사들은 이러한 높은 G에도 블랙아웃 현상을 경험하는 일은 적다고 한다.

한편 사람은 누운 상태로 G를 받으면, 그러니까 하체 방향이 아니라 등 쪽 방향으로 중력이 걸린다면 평소보다 더 큰 G를 견딜 수 있다. 피가 머리에서 빠져나가거나 머리로 몰리진 않으니까. 이 때문에 우주비행사들은 지상에서 눕는 방향으로 우주선에 탄다. 그리고 아직 제대로 된 G-슈트가 개발이 안된 1940~50년대에는 엎드려서 조종하는 비행기를 연구하기도 했다.

한편 -G가 더 크게 걸리면, 피가 머리와 안구 쪽으로 몰려 시야가 붉어진다. 이것이 레드아웃이다. 레드아웃은 블랙아웃보다 훨씬 위험한데, 블랙아웃은 +G가 낮아진다면 조종사가 자력으로 의식을 회복할 수 있으나 레드아웃은 뇌와 안구의 혈관에 손상을 입히고 심하면 뇌출혈로 요단강 익스프레스 확정이다. 게다가 -G가 걸리는 상황은 급강하 또는 배면으로 선회하는 상황인데, 이 때 의식을 잃는다면 손쓸 새도 없이 추락할 위험이 높다.

+G와 달리 보통 인간은 -3G 이상이 되면 위험해진다. 그래서 그런지 일반적인 유인항공기의 -G 내성은 -3G 정도까지 설계하는 경우가 많다.

전투기 조종사들은 기본적으로 이 높은 G에서도 정신줄을 놓지 않도록 항상 체력을 단련한다. 이외에도 G-슈트라는 옷을 착용하는데, 급기동 시 다리 쪽이 부풀어올라 다리를 꽉 죄어준다. 그러면 피가 머리에서 다리로 쏠리는 현상을 어느 정도 막아준다. 다리 뿐만 아니라 몸통도 조여주는 G-슈트도 나왔다. 보통 몸을 죄어주는 것은 항공기 조종석에 호스를 연결하여 여기로 부터 고압공기를 받는 식인데, 액체를 사용하는 경우도 있다. 액체식을 쓰는 대표적인 사례로 미 해군이 있다.[6]

4. 예시

G-LOC에 의한 사고 중 가장 유명한 것은 F-20이 시범비행 중 추락한 사고. 이 전투기를 우리나라에 판매하려고 적극적으로 홍보를 하였고[7], 아예 홍보차 우리나라에 와서 시범비행을 하기도 했다. 그런데 수원비행장에서 시범 비행을 보이던 중 갑작스레 비정상적인 자세로 들어가더니 추락하고 말았다. 원인은 G-LOC. 조종사가 정신을 잃어서 기체를 되돌리지 못하고, 비상탈출을 시도하지도 못한 채 추락한 것이다. 군 고위 간부들뿐만 아니라 대통령이었던 전두환까지 와서 보던 시범비행인데 사고를 당했다. 물론 비행기 자체의 문제는 아니었다고 하더라도 누가 추락한 비행기를 사고 싶겠는가? F-20은 이후 다른 곳에서도 시범비행을 하다가 똑같은 이유로 또 사고를 겪고 말았다. 두 번의 연이은 추락 탓에 결국 F-20은 아무데도 팔지 못하고 그대로 흑역사가 되었다. 사실 F-20이 비행하던 1980년대만 해도, G-LOC에 대한 연구와 훈련이 충분치 않던 시절이다. 우리나라의 F-15K도 도입된 지 얼마 안 되어 G-LOC에 의하여 1대가 추락하였다. 당시 훈련 비행 중 너무 저고도로 내려가서 급격히 고도를 높이던 중, 조종사들이 G-LOC에 빠져 추락한 것으로 판명되었다. 이 사고 당시 F-15K의 블랙박스에 해당하는 비행기록장치를 회수하지 못해서 논란이 더 커졌었다. 결국 공군은 과거 비행사고 때 하던 방식대로 수거한 부품들과 동료기들의 증언 등을 토대로 당시 상황을 재현하였고, 시뮬레이션 결과, 조종사들이 G-LOC에 빠졌을 가능성이 매우 크다는 결론을 내렸다.[8]

프랑스의 라팔전투기도 2007년에 이 항공기가 개발된 이래 최초로 추락 사고가 났는데, 원인은 역시 G-LOC이었다. 조종사는 탈출하지 못하고 사망하였다.[9]

2009년 3월 발생한 F-22의 추락 사고도 결과적으로 G-LOC에 의한 사고였다. 조종사는 무장시험을 위하여 급강하 도중 기체를 다시 상승시키려 했으나, 고도 확보에 실패하였다. A-LOC(Almost G-LOC, 즉 G-LOC에 빠지기 직전인 상황)에 빠져서 반응이 느려졌던 탓. 항공기는 마하 1.3으로 급강하했고, 조종사는 지면 충돌 2초 전에 가까스로 비상탈출하였으나, 강하 속도가 워낙 빨랐던 탓에 조종석이 충분히 감속되기 전에 지면에 충돌, 조종사가 즉사했다. 한편, 이 사고는 F-22가 무장시험 도중 발생한 사고여서 혹시 F-22의 웨폰베이의 문이 잘못되어서 난 사고가 아닌가 하는 의혹도 있었으나, 조사 결과, 웨폰베이 및 기타 시스템은 정상 작동 중이었다.

미 해군의 조사 결과, F/A-18 조종사들은 100만 시간 당 933회의 비율로 G-LOC을 경험했다고 한다. 미 해군의 F/A-18은 급격한 수명 감소 때문에 평상시에는 소프트웨어적으로 7.5G 이상의 기동을 못하게 되어있음에도 말이다.[10] 이는 조종사가 G-LOC을 겪는 것이 반드시 높은 G여야만 하는 것은 아니며, 그 날의 신체 상태나 컨디션에 따라 좌우될 수 있기 때문이다. 설사, 최상의 컨디션이라 하더라도 예측하지 못한 상황에서 갑자기 큰 G를 받게 된다면(이를 테면 사고를 피하기 위해 갑자기 급기동을 한다든지), 평소보다 낮은 G에서도 G-LOC을 경험할 수 있다.

소련에선 이를 대비하여, 열차에 달려있는 데드맨 스위치와 비슷한 안전 시스템이 있어, 일정 시간 이상 조종사의 입력 신호가 없으면, 자동 사출한다. 덕분에 MiG-25에서 의식을 잃은 조종사를 구하기도 했다. 물론 비행기는 떨어졌지만.. 독일에서 동독의 무기를 모조리 폐기 혹은 헐값에 매매하면서도 MiG-29를 계속 쓴 이유는 바로 이런 안전장치 때문이라고 한다. 조종사가 의식을 잃으면 자동적으로 컴퓨터가 알아서 수평으로 비행하게 되어 있고, 그것도 여의치 않으면 조종사를 사출한다고 한다.

미국의 경우 F-35에 시험적으로 도입하는 장치가 있는데, 이것은 GPWS(비행기가 지면에 충돌할 위험이 생기면 음성으로 조종사에게 알리고, 여타 다른 조작이 없으면, 컴퓨터가 강제로 고도를 올리는 시스템)이다. 그리고 이 시스템이 미 공군 F-16에 장착되었고, 한 조종사를 살렸다. 기사 #

인간은 아무리 훈련받은 조종사라 하더라도 + 방향으로는 9G, - 방향으로는 3G 정도를 아주 잠깐, 몇십 초 정도만 견딜 수 있다. 특히 - 방향으로는 + 방향보다 훨씬 적은 G밖에 버틸 수 없는데 피가 머리로 쏠려 혈류가 터지는 레드아웃 현상이 혈액이 빠지는 블랙아웃 현상보다 훨씬 위험하기 때문이다.

그렇기에 무인기 및 무인전투기는 이러한 제약이 없어지므로 더 급격한 기동이 가능할 거란 이야기도 있지만, 사람은 없더라도 구조물이 그걸 견디도록 설계해야 하므로, 결국 현용 전투기를 기반으로 개조한 물건이라면 큰 차이는 없을 거란 관측도 있다.

5. 역사

현재 G내성 훈련 하면 떠올리는 원심가속기는 아이디어 자체는 100년도 더 전에 나왔지만 2차대전 무렵에도 계속 연구용(조종사들이 G에 대해 어느 정도 내성이 있는지 확인하는 정도)으로만 쓰였고, 훈련 장비로 쓰이진 않았다. 물론 이 시절에도 이미 급기동시 5, 6G 정도는 나왔으나(전투기 조종사뿐만 아니라 급강하폭격기 조종사들도 폭격 후 급상승 중 많은 G를 받았다.), 보통은 특별한 훈련 장비를 쓰기 보다는 훈련용 2인승 항공기에 타고 교관이 급기동을 함으로써 G를 '체험'하는 수준의 훈련만 있었다.

미 공군의 경우 조종사 훈련용으로 원심가속기를 들여 놓은 것은 1964년이었으나 이때도 모든 조종사가 훈련을 받는 것이 아니라, 우주 유인궤도연구실 프로젝트나, X-15 프로젝트를 위한 조종사 훈련용이었다.

미 공군이 전투조종사에게 원심가속 훈련을 실시한 것은 1971년부터였다. 다만 이때도 모든 조종사가 훈련을 받는 것은 아니고, 현재 레드 플래그로 유명한 넬리스 공군 기지에 F-4 전투기 교관 양성 코스의 일환으로 시작되었다. 이 교관 코스를 통해 94명의 조종사가 훈련을 받았다. 하지만 훈련 프로그램 자체가 시작한 지 얼마 안 된 1973년에 중단되었다.

본격적으로 모든 조종사들에게 원심가속기를 이용한 G내성 훈련을 실시한 것은 1983년부터였다.[11] 1970년대 말엽부터 9G 기동이 가능한 F-15와 F-16 같은 최신예 전투기가 등장하면서 G-LOC 사고 역시 급증하였기 때문. 미 공군 항공생리학교는 1970년대 중반부터 이러한 상황을 예견하고, 각종 G내성에 대한 연구 및 9G 에서의 대처 방법, 훈련 방법 등에 대해 연구하였으나, 일선 부대에서는 아직 이에 대한 이해가 부족하였다. 결국 미 공군 항공생리학교에서 일선부대를 돌아다니며 높은 G에서 발생하는 현상을 담은 교육 자료와 비디오 테이프를 보여 주어 조종사들에게 경각심을 주었고, 또 마침 G-LOC 사고가 연이어 발생하자, 1983년 미 전술 항공 사령부(TAC)에서 본격적으로 일선 조종사들에게 원심가속 훈련을 포함한 G내성 훈련을 실시하였다. 이후 1988년에 가서야 LIFT(Lead in Fighter Training, 훈련기만 타던 학생 조종사가 전투기 조종사로서의 훈련을 받는 과정) 과정에 G내성 훈련 과정을 추가하였다.[12]

앞서의 F-20의 G-LOC 사고가 1980년대 초반이었던 것을 감안하면, 아직 9G 영역의 높은 G에서의 훈련 프로그램이 본격화되기 전에 전투기들만 먼저 9G 기동이 가능하게 개발된 셈.

6. 예방법

현재 유인 전투기의 기동력과 동체 내구성은 인간의 한계에 맞추어져 있다. 따라서 사람이 가장 잘 버티는 방향으로 G-Force를 유도하는 방식으로 조종하면 기체와 신체를 모두 보호할 수 있다. 인간의 신체는 위로 가속하는 힘에 가장 잘 버티게끔 되어있고, 아래로 향하는 가속도에 가장 취약하다[13] 따라서 급속 방향 전환 시 전환하는 방향이 기수를 들어 올리는 방향이 되게끔 기체를 조작하면 된다. 예를 들어 급속 하강할 때는 기체를 배면 비행시킨다. 이런 기동은 두 가지 이점이 있는데, 엔진의 추력에 양력을 더하여 기체를 더 빠르게 선회할 수 있고, 연료를 아낄 수 있다[14] 이렇게 되면 엔진의 힘으로만 관성을 이겨내고 기체의 진행 방향을 전환해야 한다. 게다가 실제 기체가 향하는 방향과 기수가 바라보는 방향이 일치하지 않으면 실속 위험도 증가한다[15]. 이는 모든 항공기가 동일하기 때문에 여객기도 선회 시 rolling을 하는 것을 볼 수 있다), 또한 신체에 가해지는 G-Force를 가장 잘 버티는 방향으로 전환할 수 있다.
G-LOC을 예방하기 위한 호흡법을 행한다. 대한민국 공군의 경우 L-1이란 복식 호흡법을 사용한다. 미 공군의 경우 3초마다 1초 이내의 짧고 강하게 호흡하는 방법을 사용하는데(요구되는 기합은 없으나, 실전에선 대개 툿! 툿! 내뱉는 듯한 호흡 소리를 내게 된다), 이런 호흡법은 혈중 산소농도를 유지하고, 이산화탄소를 감소시키는 동시에 가슴의 압력을 완화하여 순환계가 제 기능을 유지하는 데 도움을 주어 G-LOC을 예방할 수 있다.
G-Suit 등의 보조장비의 도움을 받는다.
G-LOC에 빠져 조종 불능이 되면 자동으로 기체를 안정화 하는 기능을 탑재한다.
조종사의 컨디션을 건강하게 유지한다. 건강 상태와 컨디션은 G-Force에 견디는 능력에 큰 영향을 준다.
G내성 훈련을 한다. 첫 문단의 원심분리기 영상이 그 훈련이다. 체계적인 훈련과 신체 관리를 통해 G-Force를 견디는 능력을 향상할 수 있다.
무인기로 전환한다. 기계에도 한계는 있지만, 적어도 인간의 신체보다는 극복하기 수월하다. 실제 미사일의 경우 군의 요구사항에 따라서는 수십 G의 기동을 아무렇지도 않게 수행하는 녀석도 나온다. 다만 항공기 설계 시 기동력 제한은 항공 역학적 이유가 크기 때문에[16] 무인기로 전환했다고 미사일처럼 기동할 수 있는 것은 아니다.

7. 여담

미합중국 공군의 분석 자료에 의하면, 미 공군 내에서만 한 해 평균 20번 정도의 G-LOC 사례가 보고되며, 이 G-LOC에 의해 한 해 평균 1~2번 정도 추락 사고가 발생한다.
실생활에서 발생하는 블랙아웃도 G에 의한 것은 아니지만 뇌로 가는 혈류량이 부족해져 일어난다는 점은 유사하다. 장시간 소파나 침대에 누워있다 벌떡 일어나면 시야가 어두워지고 균형을 잡을 수 없는 현상이 일어난다.

8. 관련 문서

[1] 아래 블랙아웃 사례 영상에서도 볼 수 있듯, 테스터들이 흡! 흡! 하며 소리를 지르는 건 단순한 기합이 아니라 최대한 효율적으로 산소를 흡입하기 위한 'L-1' 이라고 불리는 복식 호흡법이다. 실제로는 저 소리가 동영상에서 느껴지는 것보다 훨씬 우렁차고 큰데, 그 순간 가슴의 들썩임이 대단하다. 일단 기합소리 자체는 정신을 차리는 데에 별 도움이 안 된다고 한다. 이 영상의 내막은 블로그와 유튜브에서 확인 가능하다.[2] 위 테스터는 처음애는 기합소리도 내지 않고 '흡! 흡!' 소리와 함께 L-1 복식 호흡을 진행하지만 얼마 못 가 호흡 패턴이 깨지고 그대로 기절해버린다. 훈련이 중단되고 의식을 회복한 뒤 뭔 일이 있었냐는 듯이 어리둥절해하는데, 이때 교관이 방금 겪은 것이 G-LOC에 의한 블랙아웃임을 설명해준다. 훈훈하게 물 한잔 마시고 오라는 조언은 덤.[3] 특히 아드레날린으로 인해 시야가 좁아지는 현상까지 더해진다면 시야 정말 좁아진다.[4] 일례로, 미 공군 대령 John Stapp는 가속 실험에서 아주 짧은 시간이었지만 무려 46.2G를 견뎌냈다.[5] 초기 아폴로나 소유즈 우주비행사들은 약 11G까지 부하가 결렸다고 한다. 요즘 우주선은 3G정도를 받는다[6] 이 쪽은 아예 생존성까지 고려해 유사 시 식수로도 쓸 수 있다.[7] 노스롭 스캔들 참조.[8] 전투기는 음속이 넘는 속도로 해상에 추락했는데, 조종사들은 비상탈출 시도조차 하지 않았다. 한편, 저 당시 일부 언론에서 F-15K에는 자동으로 일정 G 이상으로 급기동을 못하도록 하는 장치가 있어, 말이 안 된다고 기사를 내보낸 적이 있었으나, 공군의 발표에 따르면, F-15K에는 이런 장치가 없다. 물론 다른 F-15도 마찬가지. 사실 G-Limiter가 있다고 한들 조종사의 G-LOC에 의한 사고는 막는 것이 불가능하다. 이 기능이 있는 미 공군의 F-16만 해도, 1982년부터 2002년까지의 집계에 따르면, 100만 시간 당 3번 꼴로 G-LOC에 의한 사고가 발생했다. 심지어 급격한 기동을 할 일이 없어 보이는 A-10이나 A-37같은 공격기도 같은 기간 동안 G-LOC에 의한 추락사고 비율이 각각 100만 시간 당 0.9건과 6.4건이었다. A-10같은 경우는 양력이 큰 테이퍼익이라 저속에서의 회전반경이 매우 작으며 그에 따라 급선회시 엄청난 가속도가 가해진다.[9] 사고기체는 2인승인 라팔B였으나 당시 조종사는 1명이었다.[10] 물론 100만 시간 당 933회의 비율로 G-LOC을 경험했다는 것일 뿐, 933회 추락했다는 의미는 아니다. 잠깐 의식을 잃어도 고도가 충분하면 정신을 차리고 고도를 올릴 수 있기 때문.[11] 참조문헌: 'High G Physiological Protection Training, Chapter 1. Historical Aspect of High-G Centrifuge Training', AGARD-AG-332[12] 1980년대에 미 본토뿐만 아니라 해외 전개 부대에도 원심가속기와 이를 이용한 G내성 훈련 과정이 추가되었으며, 이는 주한미군 공군도 마찬가지였다.[13] 정확히는 머리에 피가 쏠리는 방향에 있으면 취약하다[14] (방향타는 기수가 바라보는 방향만 전환한다.[15] 이를 역으로 활용하는 기동을 포스트스톨 기동이라고 한다.[16] 미사일의 경우 순항미사일 등 일부 예외를 제외하면 초기 방향 전환 기회와 가속 시간이 전투기에 비해 극도로 짧아서 비교 대상이 될 수 없다. UAV가 미사일처럼 기동하면 연료 효율이 극단적으로 떨어지게 된다.