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연재 마지막 순서의 주제는 인공 위성과 우주 비행입니다. 우주 공간에서는 공기가 없어 항공기 엔진으로는 비행할 수 없고 액체 산소를 탑재한 로켓으로만 비행할 수 있습니다. 인공 위성과 우주선도 비행기에서와 같이 상당한 수준의 물리와 수학이라는 학문이 필요한 분야입니다. 인공 위성과 우주선은 비행 속도의 크기에 따라 원추곡선의 하나인 원, 타원, 포물선, 쌍곡선 비행 궤도로 비행합니다. 공기 저항이 없는 대기권 밖에서 인공 위성이 지구 주위를 도는 것은 지구가 잡아당기는 중력과 인공위성의 빠른 속도에 의한 원심력이 평형 상태를 이루기 때문입니다. 따라서 인공 위성이 지구 중력을 극복하고 지구 주위를 회전하기 위해서는 제1우주 비행 속도가 필요합니다. 우주 발사체는 로켓 엔진 뒤쪽에서 빠른 속도의 기체를 내..

11강에서는 핵 폭탄과 투발 수단에 대하여 알아보겠습니다. 핵 폭탄하면 흔히 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955년)을 떠올리곤 합니다. 하지만 핵 폭탄은 어떤 한 개인이 만들 수 있는 폭탄이 아닙니다. 굳이 한사람을 지목해야 한다면 미국의 맨해튼 프로젝트(Manhattan Project, 1942~1946년)를 기획하고 과학자들을 진두 지휘한 오펜하이머(Julius Robert Oppenheimer, 1904~1967년)라고 할 수 있습니다. 물론 비행기처럼 핵 폭탄 역시 복잡한 과학과 수학이 필요한 분야인 만큼 개인이 만들 수 있는 것이 아니었습니다. 핵 폭탄 개발을 위한 시뮬레이션을 수행하기 위해서는 확률이라는 수학적 지식이 필요합니다. 실제로 맨해튼 프로젝트에서 몬테카를로 방..

이번 강의 주제인 관성참조시스템(IRS, Inertial Reference System)은 장거리 비행기에 장착된 자동제어시스템에서 필수적인 장치입니다. IRS는 최신의 관성항법시스템(INS, Inertial Navigation System, 관성 센서로 자세, 방위, 거리 등을 측정하는 자립항법시스템)으로 거의 모든 여객기에 위성항법시스템(GPS)과 함께 장착되어 있습니다. GPS만으로 비행기의 자세까지 알아낼 수 없기 때문입니다. 목적지에 도달하기 위해서는 항공기의 자세, 속도 또는 가속도를 산출하고, 항공기 자체의 속도 및 고도, 수평 위치를 계산해 알고 있어야 합니다. 그러기 위해서는 IRS와 GPS를 통해 비행기의 위치를 확인할 뿐만 아니라 움직임을 계속 추적해야 합니다. 이때 필요한 개념이 미..

이번 주제는 행렬 및 벡터 공간 이론을 다루는 선형 대수와 연관된 비행기의 자동 조종 장치(autopilot)입니다. 비행기의 이륙, 상승, 순항, 강하, 착륙하는 원리에 이어 조종과 관련된 자동 조종 장치에 대해 알아볼 순서입니다. 비행기는 원래 조종사가 조종하는 첨단 과학기술의 이동 수단입니다. 거기에다 더하여 현재는 자동 조종 장치를 이용해 보다 안전하고 편리하게 비행기를 제어할 수 있게 되었습니다. 이륙 전 비행기에 항로를 입력시켜 놓으면 비행기 스스로 자세나 고도를 자동 제어할 수 있는 것입니다. 게다가 조종사가 원한다면, 비행기는 활주로의 계기 착륙 시설을 통해 진입 경로에서 어느 정도 거리에 있고 상하 및 좌우로 어느 정도 벗어났는지 알 수 있습니다. 이러한 자동 착륙 장치가 비행기를 자동으..

제8강의 주제는 바람과 관련된 비행기의 측풍 착륙입니다. 앞에서 비행기가 이륙, 상승, 선회, 순항, 강하, 착륙하는 원리를 배웠으니 이제 바람이 불더라도 활주로에 안전하게 착륙하는 법을 배울 순서입니다. 바람과 관련된 이야기는 역사가 아주 깊습니다. 중국 촉나라의 전략가 제갈공명은 위나라 대군을 화공으로 이긴 적벽대전에서 제사를 지내 바람의 방향을 바꾸어 대승을 거둡니다. 이처럼 인류는 동서고금을 막론하고 바람의 힘을 빌려 많은 변화를 이뤄 왔습니다. 특히 비행기가 순항 중에 측풍이 불면 한쪽 방향으로 밀려 비행 진로가 바뀌게 됩니다. 이것을 설명하기 위해서는 속도와 벡터의 개념이 필요합니다. 또 조종사는 측풍 착륙할 때 바람을 이겨내고 비행기를 안전하게 착륙시킵니다. 그럼 비행기는 측풍 착륙할 때 어..

제7강의 주제는 비행기의 강하 비행과 착륙입니다. 제4~6강을 통해 비행기가 이륙, 상승 후 선회하고 순항하는 법을 배웠으니 이제 활주로에 안착하기 위해 강하하고 착륙하는 법도 배워야겠지요. 비행기가 목적지 공항에 안착하기 위해서는 강하와 착륙은 반드시 수행되어야 하는 비행 과정입니다. 독수리는 먹이를 잡을 때 사이클로이드에 가까운 곡선을 그리며 급강하합니다. 하지만 이와 달리 여객기는 착륙하기 위해 급강하하면 속도가 너무 높아지고 오히려 항력이 증가해 속도를 낮춰야 합니다. 비행기의 착륙은 진입 각도, 속도, 방향 등을 맞춰야 하기 때문에 조종 훈련생들에게 아주 어려운 절차입니다. 또 활주로에 접지할 때 충격을 완화하고 착륙 거리를 줄이기 위해서는 접지 속도를 줄여야 합니다. 비행기에는 속도의 제곱에 ..

제6강의 주제는 비행기의 선회 비행과 하중 계수입니다. 제5강에서 비행기가 이륙하고 상승했으니 이제 선회를 해야겠지요. 여객기가 목적지를 향해 방향을 틀기 위해서는 반드시 선회를 해야 합니다. 그렇다고 여객기가 60° 급선회를 하면 탑승객들이 놀라 비명을 지르며 난리가 나겠죠. 왜냐하면 온몸에 2배의 중력 가속도(G)가 작용할 것이기 때문입니다. 여기서 하중의 크기를 나타내는 하중 계수(load factor)를 정의할 필요가 있습니다. 또 전투기 조종사들은 선회 기동하는 데 많은 훈련 시간을 투자하고 있습니다. 최근 재개봉한 영화 「탑건(Top Gun)」에서도 톰 크루즈가 창공을 가르는 기동 비행 훈련 중 추락하는 장면이 나옵니다. 비행기가 등속 수평 선회 비행을 할 때 그것을 유지하기 위한 속도와 선회..

제5강 주제는 ‘항공기의 이륙과 상승 비행’입니다. 항공기가 하늘을 나는 데는 많은 과학적 원리가 수반됩니다. 그중에서 이륙과 상승 비행에 대해서도 빼놓을 수 없는 과학적 이론이 있습니다. 원하는 고도에서 비행하기 위해서는 이륙 후 가능한 한 빠른 속도로 올라가는 것이 중요합니다. 추운 겨울날에 어느 전투기 조종사는 본인도 놀랄 정도로 빠르게 높은 고도에 도달했다고 토로한 적이 있습니다. 전투기 조종사들이 원하는 고도에 올라가 기동 비행하는 데 많은 훈련 시간을 투자하고 있습니다. 모든 항공기는 이륙과 상승은 반드시 수행해야 하는 비행 과정입니다. 이러한 비행을 할 때 항공기에 작용하는 힘들과 비행 성능 등을 물리와 수학을 통해 해석해 보겠습니다. 특히 상승 비행에서 상승률과 비잉여 동력은 항공기의 중요..

제4강의 주제는 항공기의 순항 비행입니다. 특히 여객기들은 대부분의 시간을 순항 비행하는 데 사용하고 있습니다. 항공기가 순항 비행할 때 등속 직선 수평 비행을 합니다. 이때 항공기에 작용하는 힘들과 비행 성능 등을 물리와 수학을 통해 해석해 보겠습니다. 등속 직선 수평 비행을 유지하기 위한 속도와 그 최솟값은 어떻게 될까요? 착륙할 때 속도를 줄이기 위해 어떤 장치들을 사용할까요? 이번 제4강에서 함께 알아봅시다. 그리고 등속 직선 수평 비행에 필요한 추력과 이용 가능한 추력에 대해 그래프를 통해 설명하고자 합니다. 끝으로 순항 비행할 때 승객이 비상구를 열 수 있는지도 알아보겠습니다. 이러한 순항 비행의 성능을 해석하기 위해서 우선적으로 물리와 수학의 기본 지식은 매우 중요합니다. 항공 과학을 공부할..

눈에 보이진 않지만 항상 우리 하늘을 가득 메우고 있는 수학적 원리들! 이를 파헤치기 위해 『비행의 시대』 장조원 교수가 돌아왔습니다. 「하늘의 과학」은 독자 여러분이 앞으로 1년간 수학의 언어를 통해 비행기의 모든 것을 마스터할 수 있도록 ㈜사이언스북스에서 새롭게 선보이는 장기 연재 프로젝트입니다. 장조원 교수의 ‘항공 우주 과학의 정석’, 지금 시작합니다.제3강의 주제는 항공기의 무게 중심과 안정성입니다. 항공기가 어떻게 균형을 잡고 비행하는지 궁금증을 해결해 보는 시간입니다. 항공기의 무게 중심은 안정성과 직접적으로 연관된 핵심 개념입니다. 그동안 항공기를 개발하면서 안정성을 유지하기 위해 피나는 노력과 대가가 있었습니다. 지금은 컴퓨터의 도입으로 무게 중심을 쉽게 계산하고 적절하게 조절하고 있지요..