하늘의 과학 : 항공 우주 과학의 정석

항공 우주 과학의 정석

하늘의 과학

장조원 

대한민국 항공 우주 과학 인재들을 길러낸

30여년 교육의 정수!

 

수학과 물리학은 어떻게 수백 톤의 쇳덩이를 하늘에 띄우는가?

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지금 대한민국의 미래는

하늘에 달려 있다!

 

지난 5월 이루어진 제68차 한미 정상회담. 한국과 미국 두 나라의 대통령이 만난 이 회담의 성과 중 하나로 미사일 사거리 지침의 폐기가 있다. 1979년 작성되어 42년 동안 대한민국의 미사일 주권을 침해했던 이 지침이 사라지면서, 우리는 미사일뿐만 아니라 다양한 형태의 우주 발사체를 제한 없이 연구·개발하고 보유할 수 있게 되었다. 그야말로 대한민국의 우주 시대를 열 토대가 새로이 마련된 것이다. 이뿐만 아니라 아폴로 계획 이후 50여 년 만에 인간을 다시 달에 보내려 하는 국제 협력체 ‘아르테미스 프로그램’에 한국이 10번째 참여국이 되고, 첫 국산 전투기 KF21 보라매의 시제기가 올해 출고되는 등 하늘로 향하는 대중의 관심은 계속해서 커지고 있다.

 

이번에 (주)사이언스북스에서 펴낸 『하늘의 과학: 항공 우주 과학의 정석』은 이처럼 하늘을 꿈꾸고 이해하고픈 독자를 위해 항공기나 로켓, 인공위성, 우주 왕복선처럼 인류가 하늘을 날려고 고안해 낸 모든 장치가 따라야만 하는 수학과 과학 법칙을 한 권에 담은 책이다. 저자인 장조원 한국항공대학교 항공 운항 학과 교수는 공군사관학교 항공 우주 공학과 부교수, 캐나다 라이어슨 대학교 겸임 교수 등을 거쳐 한국항공우주학회 편집 이사, 항공우주정책연구원 이사 등을 맡은 대한민국 대표 항공 우주 과학자다. 대한민국의 항공 과학 인재들을 30여 년간 길러낸 경력 외에도 그는 한국가시화정보학회 우수 논문상, 한국항공대학교 최우수 교수상, 교원 업적 종합 부문 최우수상, 현대자동차그룹 우수 논문상 등을 수상하고 “원격 조종 날갯짓 비행체” 등 다수의 특허 및 실용신안을 보유하는 등 탁월한 연구 역량과 성과를 꾸준하게 인정받아 왔다.

 

장조원 교수가 2018년부터 사이언스북스 블로그에 ‘하늘의 과학’이란 이름으로 월 1회씩 1년간 연재해 통산 30만 뷰를 달성한 글을 엮은 이 책에서, 그는 항공 우주 과학을 일반인의 눈높이로 풀어 쓴 전작 『비행의 시대』(사이언스북스)의 연장선상에서 항공 우주 과학의 기본이 되는 물리 법칙을 수식과 함께 설명한다. 수백 톤의 쇳덩이가 하늘에 뜨는, 현대인에게는 익숙하지만 사실은 쉽게 믿기 힘든 이 위업 속에 숨겨진 수학과 물리학 원리를 명쾌하게 풀어놓는 그의 강의에는 이해를 도울 연습 문제도 매 단원마다 포함되어 있다. 차근차근 내용을 정복해 나간다면 책의 부제인 ‘항공 우주 과학의 정석’이란 뜻처럼 수학의 언어를 통해 비행의 모든 것을 마스터하는 기쁨을 누릴 수 있을 것이다.

 

 

한 권으로 끝내는 항공 우주 관련

수학, 물리학의 원리들

 

『하늘의 과학』은 눈에 보이지 않지만, 항상 우리 하늘을 가득 메우고 있는 수학과 과학 법칙을 5부 구성으로 설명한다. 1부 「민항기 조종석에서 바라본 하늘 길」은 실제 비행의 현장을 보여 주는 차원에서 장조원 교수가 인천과 토론토를 오가는 보잉 787기 조종실에 직접 동석해 관숙 비행을 하며 기록한 내용을 담았다. 승객 탑승 전부터 바쁘게 진행되는 운항 브리핑에서 운항 승무원의 편조가 편성되는 절차까지 현장감이 한껏 묻어나는 이야기들이 가득하다. 인가 서류가 없으면 접근조차 불가능한 조종실에서 혹시라도 발생할지 모르는 식중독을 막기 위해 기장과 부기장이 서로 다른 식사 메뉴를 먹는다는 대목에서는 화려함의 이면에 가려 보이지 않았던, 늘 긴장의 연속인 조종사의 세계를 느낄 수 있다.

 

2부 「항공기, 이륙에서 착륙까지」는 땅을 박차고 날아오르는 이륙, 항공기가 하늘에서 행하는 순항 비행과 선회 비행, 마지막으로 지상에 내려앉는 착륙까지 비행의 전 과정을 한눈에 파악할 수 있도록 쓰였다. 수백 명의 목숨을 앗아가는 사고를 낳을 수도 있는 이륙 결심 속도와 항공기의 착륙을 좌우하는 접근 속도, 접지 속도의 개념을 다양한 삽화와 함께 살펴보면서 비행의 단계별로 항공기에 수학과 물리학이 어떻게 적용되는지를 깨달을 수 있다. 더 나아가 공중에서 항공기에 작용하는 네 가지 힘인 양력, 중력, 추력, 항력을 살펴보며 비행의 원리도 이해할 수 있다.

 

3부 「비행의 성패를 좌우하는 과학 원리들」에서는 비행이 성공하기 위해 항공기가 갖추어야 하는 사항과 이를 좌우하는 과학 원리를 살펴본다. 속도, 벡터, 로그 함수 개념을 배우며 무게 중심이 어디에 있어야 항공기가 안정성을 유지할 수 있는지, 기체 크기와 날개의 크기에는 어떤 연관이 있는지, 비행 소음은 어떻게 측정되는지, 항공기는 바람이 불 때 어떻게 착륙하는지 등의 궁금증을 풀게 될 것이다. 보잉 737과 에어버스 A380을 사진으로 비교하며 항공기가 커질수록 기체와 날개의 비율이 달라지는 모습을 실제로 확인하는 즐거움도 있다.

 

4부 「발전하는 항공기 속 첨단 과학」에서 독자는 계속해서 발전하는 항공기의 주요 장비와 이들이 작동하는 이론적 바탕을 확인할 기회를 얻게 된다. 삼각 함수와 미적분, 확률에 관한 지식을 쌓으며 착륙 장치, 자동 조종 장치, 관성 기준 시스템처럼 그 모습을 상상할 수밖에 없었던 장치들을 이해할 수 있다. 목적지까지 자동으로 운항하고 착륙하는, 마치 마법처럼 보이는 이 과정에 사실은 선형 대수의 행렬과 벡터 공간 수학이 작용하고 있음을 알아보자.

 

5부 「항공 과학, 하늘을 넘어 우주로」는 인류의 마지막 개척지 우주로 뻗어 나가는 항공 우주 과학을 다룬다. 20세기 초 미국과 소련 두 강대국의 우주 경쟁 역사와 함께 작용-반작용 법칙, 원추 곡선, 각운동량 보존 법칙 같은 물리 법칙이 로켓의 추진력, 인공 위성의 공전 궤도, 새 우주 망원경을 쏘아 올릴 위치를 어떻게 결정하는지 살펴보자. 비행에 대한 지식이 하늘 밖으로까지 확장될 것이다.

 

 

항공 우주 과학을 이끌어 갈 미래 인재를 위해

 

장조원 교수는 독자들이 첨단 과학의 산물인 비행기의 매력에 흠뻑 빠지고 비행기를 매개로 수학과 물리학에서 즐거움을 찾기를 바라며 『하늘의 과학』을 집필했다. 어린 시절 자신이 장난감 조립 비행기를 분해하고 조립하고 망가뜨리면서 꿈을 키웠던 것처럼, 그는 『하늘의 과학』이 미래에 항공 우주 과학을 이끌어 갈 인재들에게 영감을 선사하기를 바라고 있다.

 

『하늘의 과학』에서는 중ㆍ고등학교 교과 과정에 포함된 수학과 물리학이 항공 우주 분야에 어떻게 응용되는지를 다뤘다. 어떤 함수들이 어떻게 적용되는지, 비교적 최근 학문적 진전을 보인 확률 이론을 어떻게 활용하고 있는지, 그리고 미분과 적분을 비롯해 벡터와 행렬, 로그 함수, 삼각 함수 등이 비행기에 응용된 사례를 다룬다. 특히 수학과 물리학이 항공 우주 과학, 또는 비행 현상과 어떻게 연관되는지 교과서에는 수록되어 있지 않은 내용도 다뤘다.
―본문에서

 

올해 4월, NASA의 우주 헬기 ‘인저뉴어티’가 화성에서 동력 비행을 했다. 대기 밀도가 지구의 1퍼센트에 불가하고 중력이 지구의 3분의 1인 화성에서 동력 비행에 성공한 것은 117년 전 라이트 형제의 비행에 버금가는 사건이라 평가받는다. 코로나 19로 항공 산업이 어느 때보다 어려움을 겪고 있는 현 상황도 비행을 향한 인류의 꿈을 꺾지는 못했던 것이다. 117년 전 비행을 꿈꾼 라이트 형제처럼, 인류의 염원을 싣고 화성에서 날아오른 인저뉴어티처럼 하늘을 향한 꿈을 『하늘의 과학』을 읽으며 키워 보는 것은 어떨까? 우리의 상상력이 경계가 없는 하늘을 향해 끊임없이 뻗어 나갈 것이다. 1922년 한반도 최초의 비행기가 경성 하늘을 난 지 근 100년이 지나 이제 본격적으로 하늘에 진출하고 달 탐사까지 꿈꾸는 지금의 대한민국에서, 『하늘의 과학』이 하늘을 나는 비밀을 이해하고 싶은 모든 이를 위한 출발점이 되기를 바란다.

 

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차례

『하늘의 과학』을 시작하며 6

 

1부 민항기 조종석에서 바라본 하늘 길 10

 

1장 KE073 편 관숙 비행(북태평양 항공로) 12

2장 KE074 편 관숙 비행(북극 항공로) 58

 

2부 항공기, 이륙에서 착륙까지 96

 

3장 이륙과 상승 비행 98

4장 순항 비행과 뉴턴의 운동 제2법칙 146

5장 선회 비행과 하중 계수 180

6장 강하 비행과 착륙 212

 

3부 비행의 성패를 좌우하는 과학 원리들 258

 

7장 항공기 안정성과 무게 중심 260

8장 항공기 크기와 기하학 290

9장 항공기 소음과 로그 함수 302

10장 측풍 착륙과 벡터 324

 

4부 발전하는 항공기 속 첨단 과학 348

 

11장 착륙 장치와 삼각 함수 350

12장 자동 조종 장치와 선형 대수 378

13장 관성 기준 시스템과 미적분 410

14장 항공기 투발 핵무기와 확률 450

 

5부. 항공 과학, 하늘을 넘어 우주로 494

 

15장. 우주 개발과 로켓 추진 원리 496

16장. 인공 위성과 원추 곡선 514

17장. 태양계와 각운동량 보존 법칙 540

18장. 우주 탐사와 우주 생명체 교신 564

 

참고 문헌 592

도판 저작권 596

찾아보기 599

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저자 소개

장조원

공군사관학교 항공 우주 공학과를 졸업하고 서울대학교 대학원에서 석사 학위를, 한국과학기술원(KAIST)에서 항공 우주 공학 박사 학위를 받았다. 공군사관학교 항공 우주 공학과 부교수, 미국 메릴랜드 대학교 방문 학자, 캐나다 라이어슨 대학교 겸임 교수를 지냈다. 한국가시화정보학회 편집 이사, 한국 항공운항학회 항공 공학 위원장, 한국항공우주산학위원회 공력 해석 및 설계 분과 위원장, 대한민국공군발전협회 연구 위원 등으로 활동 중이다. 한국항공우주학회 학술상, 한국항공대학교 최우수 교수상, 교원 업적 종합 부문 최우수상 등 다수의 상을 수상했다. 저서로는 항공 우주 과학에 대해 쉽게 풀어 쓴 『비행의 시대』, 『하늘에 도전하다』가 있다. 현재 한국항공대학교 항공 운항학과 교수, 공군사관학교 명예 교수로 있으며 생체 모방 비행체, 경계층 흐름 제어, 유동 가시화를 비롯해 비정상 공기 역학 분야 연구를 수행하고 있다.

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