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암스트롱 한계

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목차

1. 개요

암스트롱 한계는 체온에서 물의 증기압과 같아지는 고도로, 공기 중의 액체가 끓어오르는 현상이 발생하여 생존이 불가능해지는 지점이다. 이 한계는 대략 19,000m 고도에 해당하며, 이 고도 이상에서는 압력복 없이는 타액, 눈물, 소변 등이 끓어오르게 된다. 이 한계는 저산소증을 피하기 위해 압력복이 필요하게 되는 기준이 되었으며, 현대 군용 항공기 조종사들은 고고도 작전을 위해 반압 의복을 착용한다.

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암스트롱 한계
정의
설명암스트롱 한계는 인간의 체액이 끓는점까지 낮아지는 고도를 나타냄.
중요성이 고도 이상에서는 우주복 없이 생존할 수 없음.
원리기압이 낮아지면 물의 끓는점이 낮아지는 원리.
고도
미터18,000~19,000 m
피트63,000 ft
킬로미터18~19 km
마일11~12 mi
역사
명칭 유래해리 암스트롱의 이름에서 유래.
업적인간에게 필요한 가압복의 필요성을 처음으로 인식.

2. 체액에 미치는 영향

암스트롱 한계 고도에서는 낮은 기압으로 인해 타액, 눈물, 소변, 그리고 폐 안의 폐포를 적시는 액체와 같이 노출된 체액(혈관 속 혈액 제외)이 끓어 증발한다.[6] NASA 기술 보고서에 따르면, 이러한 환경에 노출된 사람은 혀의 타액이 끓기 시작하는 것을 마지막으로 의식을 잃었다고 한다.[6]

암스트롱 한계 이상에서 조종석의 압력이 손실되면, 양압 산소 마스크(그림)조차 조종사를 보호할 수 없다.

2. 1. 상세 설명

일반적인 체온(37°C)에서 물의 증기압은 6.3kPa이다. 암스트롱 한계 고도에서는 주변 기압이 이 증기압과 같거나 낮아져, 타액, 눈물, 소변, 폐포를 적시는 액체 등이 끓는다.[6] NASA 기술 보고서에 따르면, 진공에 가까운 환경에 노출된 사람은 혀의 타액이 끓는 것을 마지막으로 의식을 잃었다고 한다.[6]

37°C의 일반적인 체온에서 물은 증기압이 47mmHg이다. 즉, 6.3kPa의 주변 압력에서 물의 끓는점은 37°C이다. 6.3kPa의 압력(암스트롱 한계)은 표준 해수면 대기압 101.3kPa의 약 1/16이다. 고도가 높아지면 비등으로 인한 수증기가 질소 기체의 감압 기포에 추가되어 신체 조직이 부풀어 오르지만, 조직과 피부는 기화된 물의 내부 압력으로 인해 터지지 않을 만큼 튼튼하다.

고고도용으로 개발된 압력복, 1937년 (마리오 페치 착용)


암스트롱 한계 또는 그 이상의 고도에서는 타액, 눈물, 소변, 그리고 폐 안의 폐포를 적시는 액체 등 공기에 노출된 액체는 전신을 덮는 가압복 없이는 끓어올라 체외로 배출된다.[17] 그러나 순환기 안에 있는 혈액, 즉 혈관을 흐르는 혈액은 끓어오르지 않는다. 다만, 폐포를 적시는 액체가 끓어오르면 더 이상 호흡에 필요한 양의 산소가 어떤 방법으로도 공급되지 않아, 인체는 그 상태에서 수 분 이상 생명을 유지하는 것이 불가능해진다.[17]

NASA가 발행한 기술 보고서 'Rapid (Explosive) Decompression Emergencies in Pressure-Suited Subjects'에서는 인체가 진공에 가까운 환경에 사고로 일시적으로 노출되었을 때의 영향에 대해 논의한다. 그에 따르면 "만약 진공에 가까운 환경에 노출된 후 구조되어 살아남은 사람이 있다면, 다음과 같이 증언할 것이다. '내가 의식을 잃기 전 마지막 기억은, 내 입술 위에서 침이 막 끓기 시작한 것이었다.'"라고 언급한다.[18]

사람의 표준 체온인 37°C에서는 물의 증기압이 47mmHg까지 떨어진다. 이것은 주변 압력이 63hPa까지 떨어지면 물의 끓는점이 37°C까지 떨어진다는 것을 의미한다. 암스트롱 한계, 즉 기압이 0.0618 atm까지 떨어지는 고도에서는 기압이 해수면의 표준 기압(1013hPa)의 약 16분의 1까지 떨어진다.

2. 2. 기압 비교표

기압 비교
장소기압
hPapsiatm
올림푸스산 정상
화성 표면의 평균
헬라스 평원 바닥
암스트롱 한계
에베레스트산 정상[14]
지구 해수면
사해 해수면[15]
금성 표면[16]


3. 암스트롱 한계 이하에서의 저산소증

암스트롱 한계보다 훨씬 낮은 고도에서도 인간은 저산소증을 피하기 위해 추가적인 산소가 필요하다.[7]

3. 1. 저산소증 방지 대책

대부분의 사람은 약 4500m 이상의 고도에서 저산소증을 겪는다. 상업용 제트 여객기는 2400m 이하의 객실 고도로 객실 기압을 유지해야 한다. 일반 항공 항공기(항공사, 정부 비행 제외)에 대한 미국의 규정은 다음과 같다.[7]

조건추가 산소 공급 의무
객실 고도가 3800m 이상에서 30분 이상 비행하는 경우최소 필요 비행 승무원 (탑승객 제외)
객실 고도가 4300m 이상에서 어떤 시간 동안이라도 비행하는 경우최소 필요 비행 승무원
객실 고도가 4500m 이상인 경우승객 포함



스카이다이버는 점프하기 전에 잠시만 고도에 있기 때문에 일반적으로 4500m를 초과하지 않는다.[8]

4. 역사적 중요성

암스트롱 한계는 체온에서 물의 증기압과 관련된, 객관적이고 정확하게 정의된 자연 현상을 기반으로 하는 고도 한계를 제시한다. 1940년대 후반, 이 한계는 저산소증과는 다른, 새로운 근본적인 고도 한계로 인식되었다.[9]

1936년 영국 공군의 프랜시스 스웨인은 브리스톨 타입 138을 조종하며 압력복을 착용하고 15230m 고도에 도달했다.[9] 1938년에는 이탈리아 군 장교 마리오 페치가 카프로니 Ca.161bis 복엽기에서 압력복을 착용하고 17083m 고도 기록을 세웠다.[9] 이처럼 암스트롱 한계 이전에도 압력복은 저산소증을 피하기 위해 사용되었다.

일반적으로 훈련받고 경험이 풍부한 조종사라도 비압력식 조종실에서 항공기를 안전하게 운행하려면 약 15000m 고도에서 압력복이 필요하다.[10] 11900m 이상의 고도에서는 순수한 산소를 호흡하더라도 저산소증이 발생한다. 저산소증은 산소 부족으로 인해 혼란과 의식 상실을 유발한다. 더 높은 고도에서는 생리학적으로 적절한 산소 분압을 유지하기 위해 밀봉된 마스크를 통해 압력을 가해 산소를 공급해야 하며, 고압 공기로 인한 폐 손상을 막기 위해 압력복이나 반압 의복 착용이 필요하다.

4. 1. 현대 군용기의 압력복

국제 표준 대기에 따른 기온 및 기압 그래프. 암스트롱 한계 및 다양한 물체의 대략적인 고도 표시


현대 군용 항공기, 예를 들어 미국의 F-22 및 F-35와 같은 기종은 작전 고도가 18000m 이상이다. 이 기종들은 조종사에게 고고도 기능을 갖춘 g-슈트인 "반압 의복" 착용을 의무화한다.[11] 조종석의 압력이 손실되면 산소 시스템은 양압 모드로 전환되어, 특수 밀봉 마스크와 비례하여 반압 의복을 부풀려 주변 압력보다 높은 산소를 공급한다. 이 의복은 조종사가 안전한 고도로 하강할 때까지 폐 기압 외상을 예방하기 위해 조종사의 가슴이 바깥으로 팽창하는 것을 막아준다.[24]

5. 한국의 관점

한국은 ICAO 회원국으로서 항공 안전 및 기술 표준을 준수하며, 여기에는 암스트롱 한계 관련 규정도 포함된다.

5. 1. 한국 공군의 고고도 작전

한국 공군은 고고도 작전 수행 능력을 갖추고 있으며, 조종사들은 암스트롱 한계를 포함한 고고도 환경에서의 생존을 위한 훈련을 받는다. KF-21과 같은 최신 전투기는 고고도 작전 능력을 갖추고 있으며, 조종사들은 특수 압력복을 착용하여 암스트롱 한계 이상의 고도에서도 안전하게 임무를 수행할 수 있다.

참조

[1] 웹사이트 NASAexplores Glossary http://www.nasaexplo[...]
[2] 웹사이트 NAHF – Harry Armstrong http://nationalaviat[...] 2007-11-18
[3] 논문 Barometric pressures on Mt. Everest: New data and physiological significance
[4] 웹사이트 The Dead Sea Region as a Health Resort https://web.archive.[...] Cystic Fibrosis Center LTD. 2012-05-15
[5] 논문 The surface of Venus
[6] 웹사이트 Ask an Astrophysicist: Human Body in a Vacuum http://imagine.gsfc.[...]
[7] 간행물 Code of Federal Regulations http://www.ecfr.gov/[...] 1989-08-18
[8] 웹사이트 Skydiver's Information Manual http://www.uspa.org/[...] 2014-03-30
[9] 뉴스 Altitude Record http://nla.gov.au/nl[...] 1936-10-01
[10] 웹사이트 A Brief History of the Pressure Suit https://web.archive.[...] 2016-03-25
[11] 잡지 Stealthy Danger: Hypoxia incidents troubling Hornets may be related to F-22 crashes https://archive.avia[...] 2011-07-18/2011-07-25
[12] 웹사이트 NASAexplores Glossary http://www.nasaexplo[...] 2023-02-21
[13] 웹사이트 NAHF – Harry Armstrong http://nationalaviat[...] 2023-02-21
[14] 논문 Barometric pressures on Mt. Everest: New data and physiological significance
[15] 웹사이트 The Dead Sea Region as a Health Resort https://web.archive.[...] Cystic Fibrosis Center LTD. 2012-05-15
[16] 논문 The surface of Venus
[17] 웹사이트 Human Exposure to Vacuum https://web.archive.[...] 2016-02-05
[18] 웹사이트 Ask an Astrophysicist: Human Body in a Vacuum http://imagine.gsfc.[...] 2023-02-21
[19] 문서 1976 Standard Atmosphere Calculator https://www.digitald[...] digital dutch
[20] 간행물 Code of Federal Regulations http://www.ecfr.gov/[...] 1989-08-18
[21] 웹사이트 Skydiver's Information Manual http://www.uspa.org/[...] 2023-02-21
[22] 뉴스 Altitude Record http://nla.gov.au/nl[...] 1936-10-01
[23] 웹사이트 A Brief History of the Pressure Suit https://web.archive.[...] 2023-02-21
[24] 잡지 Stealthy Danger: Hypoxia incidents troubling Hornets may be related to F-22 crashes https://archive.avia[...] 2011-07-18/2011-07-25


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