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2. 비밀스러운 비행 장치 본문

완결된 연재/(完) 비행의 시대 미리읽기

2. 비밀스러운 비행 장치

Editor! 2015.07.24 10:20

※ <비행의 시대 미리읽기>는 (주)사이언스북스에서 출간한 『비행의 시대』의 4부 '아무도 가르쳐 주지 않는 항공 과학 11대 비밀' 중 일부 파트를 게시하는 연재입니다. 연재일은 매주 금요일이며 7월 17일부터 8월 14일까지 총 5편으로 연재될 예정입니다. 한국항공대학교 항공운항학과 장조원 교수님의 『비행의 시대』를 맛보고 싶은 분들은 매주 금요일에 <비행의 시대 미리읽기>를 기억해주시기 바랍니다.



아무도 가르쳐 주지 않는 항공 과학 비밀

2. 비밀스러운 비행 장치


비행기에는 비행 중에 발생하는 현상을 효율적으로 이용하기 위해 많은 과학이 스며들어 있다. 일반 승객들은 쉽게 발견할 수는 없지만 여객기 탑승 후 자세히 보면, 창문 아랫부분에 아주 작은 구멍이 있고 날개의 뒷부분 끝이 꺾어져 있는 것을 볼 수 있다. 또 날개 앞부분이 톱니 모양을 하고 있고, 날개 아랫면에 보틸론이란 와류 생성판이 있다. 이외에도 비행기를 보면 수직 꼬리 날개가 생각보다 아주 크고, B737 엔진을 보면 입구 부분이 찌그러져 있다. 이러한 비밀스러운 비행 장치에 대해 알아보자. 


비밀스러운 비행 장치를 모두 보여 주는 독특한 비행기





비행기 창문의 작은 구멍

여객기 객실 창문은 보통 아크릴과 같은 합성 소재로 삼중 구조이며, 모서리는 둥글다. 모서리가 사각형 형태인 창문은 응력이 집중해 쉽게 균열이 갈 수 있기 때문이다. 또 삼중 창문 중 중간 창의 중앙 아랫부분에 작은 구멍이 있다.


10.4킬로미터(3만 4000피트) 상공을 비행하는 B747 여객기 외부 온도 는 영하 52.2도에 이른다. 여객기 내부는 조종사가 조절하기에 달려 있지만 섭씨 18~30도 범위이므로 외부 온도와 실내 온도가 대략 76도 차이가 난다. 큰 온도 차이로 인해 객실 창에 성에(사물에 수증기가 하얗 게 얼어붙은 것을 말함)가 끼어 시야를 가릴 수 있다. 이를 방지하기 위해 삼중 구조의 창문의 중간 창 아랫 부분에 작은 공기 순환 구멍을 만든 것이다. 이것은 비행기 내부 창 쪽의 따뜻한 공기와 외부 창 쪽의 차가운 공기를 순환시켜 내부와 외부 창문 사이의 온도 차이를 줄여 김이 서리거나 성에가 끼는 것을 억제한다.


한편 여객기 객실 창문에는 위아래로 움직이는 가리개(shade)가 있 어 강한 햇빛과 자외선을 차단할 수 있다. 승무원은 이륙 후 순항 비행 중 취침 시간에는 모든 창문을 닫고 객실 조명을 어둡게 해 쉽게 수면을 취할 수 있는 환경을 조성한다. 또 이・착륙 시 모든 창문 가리개를 열어 승객이 긴박한 사고를 대비해 비행기 외부 상황을 파악할 수 있게 한다. 최신 B787 여객기는 객실 창문에 가리개 대신 전자 커튼을 설치해 창문의 햇빛 투과량을 자동으로 조절한다.


B747 객실 창문의 아래 중앙 부분에 난 구멍





뒷전 형태가 각진 비행기 날개

날개는 비행기를 효율적으로 날게 하기 위해 양력을 제공하는 기본적인 역할뿐만 아니라 추가적으로 연료통으로서의 기능과 착륙 장치를 보관하기 위한 기능이 있다. 날개는 연료통을 날개 전체에 고루 분포시켜 연료 무게를 분산시킨다. 따라서 날개는 연료를 포함한 날개 자 체의 무게가 있어 양력으로 인한 휨모멘트(bending moment)를 줄인다. 날개의 연료는 무게 중심 근방에 있으므로 비행 중 연료를 소모하더라도 무게 중심 위치를 크게 변화시키지 않는다.


한편 비행기의 앞바퀴는 무게 중심의 앞부분 동체에 위치하고, 주 착륙 장치는 무게 중심의 뒷부분에 위치해 비행기가 정지했을 때 앞 또는 뒤로 넘어지지 않도록 한다. 여객기의 주 착륙 장치는 보통 날개 부분에 위치시켜 바퀴의 양쪽 간격을 적당히 유지하고 동체의 공간을 객실이나 화물실로 활용할 수 있도록 비워 준다. 속도가 느린 비행기의 날개는 후퇴각이 없으므로 주 착륙 장치를 날개 속에 넣을 수 있는 공간이 있다. 그러나 후퇴각을 가진 날개는 뒷전 부분의 후퇴각이 앞전 부분의 후퇴각보다 작다 하더라도 비행기 무게 중심이 뒷전 근방에 위치하므로 날개 속에 주 착륙 장치를 넣을 마땅한 공간이 없다. 주 착륙 장치를 무게 중심 후방 위치보다 더 후방 위치에 장착해야 하는데 날개 뒷전 부분은 날개가 얇고 약하기 때문이다. 따라서 착륙 장치를 날개 속에 넣을 수 있는 공간을 확보하기 위해서는 날개 뿌리 근방의 뒷전 부분을 확장하는 것이다. 그래서 날개 뒷전 뿌리 근처에서의 후 퇴각을 거의 0으로 만들어 뒷전 후퇴각이 2번 꺾이도록 제작한다.


날개 뿌리 부분의 뒷전을 확장시킨 날개 평면 모양은 여러 가지 장 점이 있다. 첫째, 날개의 뿌리 부분에서 시위선(chord line)을 늘려 주었 기 때문에 두꺼운 날개 단면을 갖게 해 주착륙 장치를 항공기의 무게 중심보다 더 뒤에 둘 수 있다. 둘째, 날개의 뒷전을 늘려 날개 형태로 제작했으므로 동체로 인해 흐름 속도가 증가되는 날개의 뿌리 부분에 서의 국부 마하수(local Mach number)를 낮춰 주므로 순항 속도를 증가시 킬 수 있다. 셋째, 동체 부근의 직선형 날개 뒷전(후퇴각 거의 0)은 날개의 최대 두께 부분을 뒤로 이동시켜 바람직한 압력 분포를 유지하게 한다. 넷째, 넓은 날개 평면은 뒷전 플랩을 장착하기에 편리한 장점이 있다. 다섯째, 뒷전을 확장시킨 날개는 동체 중앙 부분에서 가까운 거리에 엔진 파일론을 장착할 수 있는 공간을 제공한다. 엔진은 비행기 동체 중앙 부분에서 너무 멀게 장착되면 엔진이 고장 났을 때 요잉 모멘트가 너무 크게 작용해 직선으로 비행하기 곤란하기 때문이다.


미국 연방 항공국(FAA)은 엔진이 2기인 항공기가 인증을 받기 위해 엔진 1기가 고장 난 경우, 방향타로 조종해 직선 수평 비행을 가능하 게 해야 한다고 규정하고 있다. 그러므로 항공기는 동체 중앙 부분에 서 너무 멀지 않은 거리에 엔진을 장착해야 엔진 1기가 추력을 상실해 도 직선 비행을 할 수 있다. 그래서 여객기의 엔진은 날개 뿌리의 뒷전 후퇴각이 없는 부분과 날개 끝 부분의 뒷전 후퇴각이 있는 부분이 만나는 각진 위치에 장착된다.


이와 같이 날개를 설계할 때에는 연료 탱크나 주 착륙 장치 등 비공기 역학적인 기능도 고려해 설계해야 한다. 또 날개의 구조적인 강도와 복잡한 날개를 제작하는 공정도 고려해야 한다.


A320 날개의 각진 뒷전의 평면 모양





초음속 항공기 날개의 뒷전 후퇴각

후퇴각이 있는 초음속 항공기에서 일반적으로 날개의 뒷전 후퇴각은 앞전(leading edge, 항공기 날개의 앞 가장자리를 말함) 후퇴각보다  작게 설계한다. 이것은 날개 평면 형상을 테이퍼(taper)지게 함으로써 동체 연결 부분 을 구조적으로 넓고 튼튼하게 제작하게 할 뿐만 아니라 공기 역학적 성능을 향상시키기 때문이다. 뒷전 후퇴각이 앞전 후퇴각보다 크면 날개 평면 형상을 역테이퍼(inverse taper)로 제작해야 하는 단점이 있다.


앞전은 아음속 앞전(앞전 후퇴각이 M=1.0일 경우의 국부 마하각보다 커서 날개 앞 전에 수직한 속도 성분이 아음속인 경우를 의미함)을 갖는 후퇴익이 되고, 뒷전은 초음속 뒷전(뒷전 후퇴각이 국부 마하각보다 작아서 날개 뒷전에 수직한 속도 성분이 초음 속인 경우를 의미함)을 갖는 후퇴익이 된다. 이런 경우 앞전의 A점은 아음속이므로 우측 흐름에 영향을 주지만, B점은 날개의 어떠한 위치에도 영향을 주지 못한다. 또 이런 날개가 초음속을 날아가는 경우 앞전 부 분의 에어포일(앞전에 수직하게 자른 단면)은 후퇴각으로 인해 아음속 흐름 이 된다. 또 뒷전에서는 후퇴각이 없는 초음속 에어포일과 유사하게 초음속흐름이 되어 뒷전에서 충격파가 발생한다.


아음속 앞전인 경우 큰 후퇴각으로 인해 초음속으로 운용해도 항력이 그리 크지 않고, 초음속에 돌입해도 공력 성능 변화가 크지 않은 장점이 있다. 초음속 뒷전을 갖는 경우 날개 윗면의 압력 분포가 뒷전 부근에서도 크게 되어 양력 중심이 후방으로 이동한다. 초음속 뒷전의 작은 후퇴각은 초음속 비행 문제를 해결하기 위한 방안 중 하나다.


이음속 앞전과 초음속 뒷전

앞전에 수직으로 자른 단면 BB′인 경우 앞전에서는 M=1.0인 경우의 국부 마하각보다 후퇴각 이 커서 아음속 에어포일 주위 유동(앞전에 수직한 단면인 에어포일이 느끼는 속도는 앞전에 수직한 속도이므로 후퇴각에 따라 에어포일 단면에 와 닿는 속도는 달라진다. 장조원, 『하늘에 도전하다』(중앙북스, 2012년)109쪽 참조)이고, 뒷전에서는 후퇴각이 작아서 초음속 에어포 일 주위의 유동이 된다.(바나드, 「항공기 어떻게 나는가」 (경문사, 1993년) 272쪽 참조)





톱니 형태의 비행기 날개

F-4 팬텀과 F/A-18 슈퍼호넷 등과 같은 전투기의 날개를 보면 앞전 부분에 날카로운 지그재그형의 톱니가 있어 안쪽과 바깥쪽 날개를 구분할 수 있다. 이것은 날개 앞전 부분에서 바깥쪽 날개 부분을 확장 해 제작하며, 이를 톱니(sawtooth) 또는 송곳니(dogtooth)라 부른다. 이러 한 톱니 형태(saw cut)의 앞전은 기동성을 향상시키기 위해 대부분 고성 능 전투기의 날개에 장착된다.


톱니형 앞전에서 발생한 와류


앞전 톱니를 장착한 전투기는 높은 받음각으로 기동할 때 톱니처럼 날카로운 부분에서 강한 와류를 발생시킨다. 강한 와류는 높은 받음 각에서 분리 유동(separated flow)이 날개 끝 방향으로 흐르는 것을 방지 한다. 따라서 앞전 톱니는 날개 바깥 방향으로 대략 날개 스팬 3분의 2 위치에 장착된 경계층 판(후퇴날개에서 경계층이 스팬 방향으로 흐르는 것을 방지하기 위한 수직 판)과 같은 역할을 하기도 한다. 또 앞전 톱니는 날개 윗면에 빠른 회전 후류를 유발하며, 이로 인해 날개 주위 흐름에 더 강한 에너지가 공급되어 날개 윗면에 부착하게 만들어 경계층 분리(boundary layer separation)를 지연시킨다. 실속(stall)을 지연시켜 양력을 증가시키기 위해 만든 일종의 경계층 제어 장치라 할 수 있다.


영국의 호커 헌터(Hawker Hunter, 영국 호커 시들리 사가 제작해 1951년에 첫 비 행을 한 아음속 전투기)는 앞전 톱니를 적용한 항공기 중 하나다. 이 전투기는 모든 속도에서 기동성을 향상시키기 위해 앞전 톱니를 덧붙이는 방식으로 추가했다. 앞전 톱니는 처음으로 라이트 형제의 플라이어 호 IV(Flyer IV)에 장착되었으며, F-4 팬텀, F/A-18 슈퍼호넷, 캐나다의 초 음속 전투기 CF-105 애로우(Arrow) 날개 등에도 장착되었다. 또 F-15 이글의 수평 꼬리 날개뿐만 아니라 일류신 Il-62 여객기의 날개에도 앞전 톱니를 적용했다.


델타익 미라지 III(프랑스 닷소 사가 제작해 1956년에 첫 비행을 한 경전투기)에서 도 앞전 톱니와 같은 방식으로 작용하는 톱니 형태를 추가해 유사한 효과를 얻었다. 이외에도 공기 역학적 성능을 향상시키기 위해 날개에 앞전 노치(leading edge notches), 와류 발생기(vortex generator), 앞전 뿌리 확 장 장치(leading edge root extension), 보틸론(vortilon) 등을 설치하기도 한다.


팬텀 F-4의 톱니형 앞전 부분


※ '비밀스러운 비밀 장치' 뒷이야기는 『비행의 시대』에서 읽을 수 있습니다.



장조원, 『비행의 시대』

4부 아무도 가르쳐 주지 않는 항공 과학 11대 비밀

38: 비밀스러운 비밀 장치 중에서..





『비행의 시대』 [도서정보]



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