비행기 의 대한 모든것. 최초의 비행기, 비행기의 원리, 제트엔진의 원리

최초의 비행기

세계 최초로 미국에 라이트 형제가 만든 플라이어호가 1903년 12월 어느 겨울에 미국 키티호크에서 동생이 조종하여 12초 동안 36m를 비행하였다. 그러나 인류는 이보다 앞서 여러가지 형태에 항공기를 하늘에 날리는 데 성공한적이 있다. 1783년 10월 어느 가을 프랑스 P로지에는 몽골피에가 만든 공기보다 가벼운 기체를 이용한 기구를 타고 인간으로서는 최초로 비행을 하는데 성공한적이 있었다. 열기구를 타고 말이다. 그리고 1891년 독일의 릴리엔탈은 날개의 양력을 이용하여 비행하는 글라이더를 최초로 제작하여 비행을 하는데 성공했다. 여러 사람이 글라이더의 경험에서 얻은 항공역학적 지식과 19세기 말에 실용화된 가솔린 기관의 특성을 조합하여 만든 비행기로 비행에 도전했으나 실패하였지만 그후 라이트 형제에 의해 마친내 비행의 꿈은 실현되었다. 

사진= 라이트형제, 몰골피에, 릴리엔탈: google.co.kr 검색. 편집= 닥스훈트의 꿈


라이트 형제는 미국의 비행기 제작자이자 항공계의 개척자로 불리우고 있다. 형제는 형 오빌과 동생 위버 성은 라이트, 1903년 역사상으로 최초로 동력 비행기를 조종하여 지속적인 비행에 성공하였다. 비행기 개발에 대한 원조를 호소한 결과 1909년 프랑스에서 아메리칸 라이트 비행기 제작회사를 설립하게 되었다. 그후 형제는 플라이어 3호기를 제작해서 38분 동안 38km를 날아서 선회 배행과 8자 비행에도 성공했다. 1908년에는 윌버가 유럽으로 건너가 여럿 차례 시범 비행을 해 프랑스인들을 놀라게 했다. 한편 오빌은 미국에서 대중을 상대로 시범 비행을 했었다. 그리고 이제 그들이 세계에서 처음으로 동력 비행에 성공했다는 사실에 의문을 제기하는 이들은 없었다. 그들은 비행을 하는 기계를 상품화하기 위해 회사를 세워, 미국 국방부와 비행기 납품 계약을 성사시켰다.

사진= getty images korea


하지만 1908년 11월 국방부 시험 비행중에 기상 조건이 조치 않아 바람이 불어 비행중에 추락해 버리고 만다. 이 사고로 오빌이 큰 부상을 당했고, 이 비행에 참가 했던 토마스 소위가 그자리에서 사망을 했다.

사진=encyber.com 라이트형제의 플라이어 3호 편집=닥스훈트의 꿈


라이트형제는 공동으로 기계완구와 자전거점을 경영하다가 독일의 릴리엔탈이 글라이더 시험중에 추락사고를 당한 사실을 알고, 그때 부터 항공에 대한 흥미를 갖게 되었다고 한다. 그리고 이 둘은 비행기에 관한 연구를 하기 시작해서, 1900년 부터 자신들이 만든 비행기를 노스캐롤라이나주의 키티호크에서 2회정도 날리는데 시험비행을 했다.  그 후 였다. 데이턴에서는 비행기의 과학적인 연구에 착수하여, 수십개의 모형을 만들었고 그 모형으로 수백번 이상 시험하였고, 1902년 키티호크에서는 천번이상에 이르는 글라이더 시험비행을 하였다. 그리고 같은 해, 12월 데이턴에 돌아와 형제가 직접 만든 가솔린기관을 기체 장치에 부착시켜 1903년 12월 17일 키티호크에서 역사상 처음으로 동력 비행기를 조종하여 지속적인 비행에 성공하였다.

바로 이것이 12HP의 발동기를 부착한 무미익복엽기로 된 플라이어 1호이다. 처음 비행은 동생 라이트 오빌의 조종으로 12초 동안 36m를 비행했고, 두번째 비행에서 59초 동안 243.84m나 비행했다. 그리고 시간이 지나 더많은 연구와 시행착오를 격고 1904년 1년이 지난 해 허프먼 프레리에서 45분 동안 비행하였고, 이때 상하 좌우로 조종하는 문제도 해결했기 때문에 가능했었다. 그리고 1년이 지난 1905년 플라이어 3호는 주회 비행에 여러 차례 성공을 거치고 40km를 38분에 비행한 기록도 세웠다.

그 뒤로 라이트 형제는 기체와 기관의 제작에만 전념하면서 그들의 비행기 개발을 원조해 주도록 여러 나라에 호소하였다. 1908년 마침내 미국 연방정부는 그들의 비행기 1대를 구입하였고, 같은 해 프랑스에서는 그들이 설계한 비행기를 조립하겠다는 회사가 나타나 이듬해서 아메리칸 라이트 비행기 제작회사가 탄생된다. 그리고 유럽에서 비행기 제작에 선진적인 역할을 하였던 형이 하늘나라로 떠나고 난뒤 동생이 사장직을 이어받고 1924년 하익을 발명을 했다. 데이턴에는 이형제의 이름에서 딴 미공군의 라이트 연구소가 있다.



비행기는 어떻게 그렇게 크고 무거운데 하늘을 날수 있을 까? 원리


비행기의 중량을 공중에서 지탱해주는 것은 날개에 작용하는 양력이다. 비행기가 공기 속을 어떤 속도로 전진하면 그 속도와 같은 공기의 흐름이 날개에 닿고, 이 공기의 흐름은 만곡이 큰 날개의 윗면을 통과할 때는 유속이 빨라지고, 만곡이 작은 아랫면에서 유속이 느려진다. 베르누이의 정리에 따르면 유속이 증가하면 유체의 압력이 감소되고, 반대로 유속이 감소되면 압력은 증가하게 된다. 그래서 날개의 윗면에서는 부압이 생겨서 날개를 빨아올리고, 아랫면에서는 정압이 생겨서 날개를 위로 밀어올려, 이 상하면의 작용이 합쳐져서 날개에는 상향하는 양력이 생긴다. 비행기가 일정한 속도로 수평비행을 할 때에는 날개의 양력 기체의 중량과 균형을 잡는다.

날개에 양력을 발생시키기 위해서는 비행기를 빠른 속도로 공기 속을 전진시켜야하는데 날개의 양력의 크기는 속도의 제곱에 비례하고, 날개의 기류에 대한 받음각이 커질수록 양력도 대략 그것에 비례해서 커진다. 비행기는 양력이 중량과 같아진 상태에서 수평비행을 하므로 빨리 비행할 때는 받음각을 작게 하고 느리게 비행할 때는 받음각을 크게 해야 한다. 이와 같이 받음각을 크게 하면 양력은 대략 그것에 비례해서 커지지만, 받음각이 어느 한도를 넘으면 날개 윗면의 공기의 흐름이 표면의 점에서 벗어나 그 뒤의 기류가 흐트러진다. 그리하여 어떤 받음각을 넘으면 그 이상의 받음각을 증가해도 양력은 오히려 감소된다. 더구나 흐트러짐이 심해져서 날개로서의 기능이 나빠진다. 이러한 상태를 실속이라고 한다.


받음각을 실속점 이상으로 크게 해도 양력은 증가되지 않으므로, 실속속도 이하의 속도에서는 이미 기체의 중량을 지탱할 만한 양력을 낼 수가 없다. 즉 실속속도는 비행기가 수평비행을 할수 있는 최고속도이다. 일반적으로 지상 또는 수면위에서 움직이는, 타고 다닐 수 있는 물체는 어떤 느린 속도로도 달릴 수 있으나 비행기는 한정된 최소속도 이하에서는 비행할 수 없다. 비행기의 총중량을 날개의 면적으로 나눈 값을 날개하중이라 하면, 이것은 날개의 1 m2의 면적당 몇 kg의 양력을 내는 가의 값을 나타낸다. 고속의 전투기 소송기는 1 m2 당 600kg 정도이지만 경비행기는 50kg~100kg 정도이다. 비행기가 일정한 속도로 수평비행을 하고 있을 때는 추력과 항력이 균형이 잡혀 잇다.

비행기가 일정한 속도로 수평 비행을 할 때는 비행기를 앞으로 나아가도록 하는 엔진에 의한 추진력과 공기의 저항 때문에 반대 방향으로 생기는 저항력과 비행기의 무게인 중력과 비행기를 떠있도록 하는 양력 등, 4가지 힘이 힘의 평형을 이룬다. 만약 비행기의 양력이 중력에 비해 작아지면 비행기는 더 높이 떠오를 것이다. 또한 비행기의 추진력이 공기저항보다 크면 비행기의 수평 속도는 증가할 것이고, 추진력보다 공기저항이 더 크면 비행기의 수평 속도는 감소할 것이다. 그러나 추진력이 저항력보다 커져서 수평 속도가 증가하면 양력도 따라서 증가하기 때문에 비행기는 속도 증가와 동시에 상승을 하게 된다. 비행기가 수직 상승은 하지 않고 수평비행을 하면서 속도만 증가시켜야 할 때는 증가하는 양력을 줄어주어야 한다. 양력을 줄이기 위해서는 공기흐름 방향에 맞서는 날개의 각도를 작게 조절해야 한다. 날개의 접근하는 공기흐름 방향과 날개위해서는 공기흐름 방향에 맞서는 날개의 각도를 작게 조절해야 한다. 날개의 접근하는 공기흐름 방향과 날개의 위해서는 공기 흐름 방향에 맞서는 날개의 각도를 작게 조절해야 한다. 날개에 접근하는 공기흐름 방향과 날개의 중앙선 사이의 각도를 받음각이라고 하는 이 받음각은 어느 정도 범위 내에서 각도를 크게 하면 양력이 커지고, 각도를 작게 하면 양력은 작아진다.

비행기의 수직 꼬리 날개는 비행기를 흔들리지 않고 똑바로 날아갈 수 있도록 중심을 잡아주는 역할을 한다. 수직 꼬리에는 방향타도가 있어서 방향타를 오른쪽으로 꺾으면 비행기는 오른쪽으로 향하고, 왼쪽으로 꺾으면 비행기는 왼쪽으로 향한다. 그러나 비행기가 방향을 바꿀 때 바향타와 함께 주날개에 달려는 보조날개의 도움이 필요하다. 주날개에 달려있는 보조날개는 모양을 바꿔 양력을 조절할 수 있는 데 비행기가 회전을 해야 할 때는 양쪽 날개의 양력을 서로 다르게 하여 비행기의 몸체를 기울이게 한다. 만약 왼쪽 날개의 양력은 줄이고 오른쪽 날개의 양력을 늘리면 비행기는 왼쪽 아래로 기울어지고 왼쪽으로 회전할 수 있게 되는 것이다. 비행기는 엔진의 추진력, 공기의 저항력, 중력, 날개 모양과 각도 조절 조절을 통한 양력 등 4가지 힘의 상호작용을 통해 최선의 비행 상태를 찾아내어 하늘을 날 수 있는 것이다.


거대한 비행기가 어떻게 날아가나? 제트엔진에 대해

고온, 고압의 가스를 고속으로 분출시켜 생기는 반작용으로 추진하는 엔진, 높은 경제성과 성능, 신뢰성 때문에 현재 항공기용 엔진으로 가장 많이 채택되는 엔진의 형태이다. 연료로는 등유인 케로신을 사용한다.

터보팬 엔진은 터보제트 엔진의 흡입구 부분에 공기를 유입시키는 커다란 팬을 단 것인데 팬이 돌아가면서 공기가 압축기를 거쳐 연소부분과 노즐로 나가는 것까지는 터보제트 엔진과 비슷하지만 팬을 통해 유입되는 공기의 일부가 압축기 바깥을 지나 연소되지 않고 바로 분출된다. 이렇게 분출되는 공기가 주 추진력으로 사용되고, 노즐로 분사되는 가스를 냉각시켜주는 효과도 있는 데, 터보팬 엔진은 터보제트 엔진에 비해 저공 저속에서의 효율이 높다. 한편 바이패스되는 공기와 노즐로 분사되는 가스의 비율을 바이패스비라고 한다. 가령 바이패스비가 12:1 이라면 팬을 거친 바이패스 유동이 코어유동에 비해 12배에 달한다는 의미 또한 바이패스비가 높은 엔진일 수록 효율이 좋다. 바이패스비를 높이기 위해서는 팬의 크기를 키우는 것이 답인데 팬의 크기를 무작정 키울 수는 없기 때문에 한계가 있다. 

그림자료= namu.kiki/w터보팬엔진, 편집=닥스훈트의 꿈


터보드롭 엔진은 터보팬과 비슷하지만 팬 대신에 프로펠러를 달아 출력의 대부분을 프로펠러를 통해 얻고 어느 정도를 제트 분사로 얻는다. 과거부터 프로펠러를 이용했던 왕복엔진에 비하면 구조가 오히려 더 간단하여 중량이 가벼울 뿐 아니라 더 큰 출력을 낼 수 있기 때문에 소형 경비행기 등을 제외하면 왕복엔진을 거의 대체하여 민항기와 군용기, 소형기와 대형기를 가리지 않고 널리 이용되고 있다.


터보샤프트 엔진은 연료를 연소시켜 터빈을 돌리고 이 터빈이 회전하며 발생하는 힘을 출력으로 전환하여 사용하는 기관으로 터보프롭과 비슷하지만 약간 다르다. 터보샤프트 엔진은 주로 헬리콥터 엔진으로 사용되는데 터보프롭과 왕복엔진과의 관계처럼 터보샤프트도 이전까지 헬리콥터에 사용되던 왕복엔진에 비해 고효율, 고출력에다가 신뢰성이 높아 헬리콥터 성능이 비약적으로 향상되었다.

그림= dachshund-of-dream.tistory.com 항공기그림


터보제트는 주로 전투기에 사용되는 엔진이다. 제트엔진 중에서 가장 기초적인 원리로 작동한다. 이후 설명할 여러 종류의 제트엔진들도 터보제트의 기본 원리에서 파생된 것이다. 가장 기초적인 구조이기 때문에 설계가 쉽다는 장점이 있는데, 효율과 성능을 향상시킬만한 기술은 없다. 터보제트의 원리는 '흡기-압축-연소-배기' 말그대로 공기를 흡입하는 과정이다.

보일 샤를의 법칙에 의해 압축된 공기는 밀도가 높아지고 온도가 높아진다. 이렇게 얻은 고온, 고밀도의 공기는 컴버션 부분으로 들어간다. 여기서는 들어온 공기와 연료를 혼합하여 연소를 시킨다. 연소에는 산소가 반드시 필요하다. 또한 산소가 많을 수록 불이 더 잘 붙는다. 따라서 고온, 고밀도의 공기에서 연소를 시키면 폭발적인 에너지를 갖게 되는데, 이것을 노즐을 통해 배기시키며 그 출력으로 항공기는 앞으로 나아가는 것이다. 

애니메이션= Picture by Richard Wheeler (Zephyris), via Wikimedia, CC BY-SA



앞쪽에 거대한 팬을 달면 '터보팬'

터보제트 엔진은 오래되고 기초적인 원리만을 이용한 제트엔진이 된다. 이것을 발전시킨것이 현재 가장 많이 사용하는 터보팬이다. 터포팬은 쉽게 말해 터보제트 앞에 거대한 팬을 하나 추가한 것이다. 앞서 압축된 고온, 고밀도의 공기가 터빈을 돌린다고 하였다. 이 터빈에서 얻은 동력을 앞쪽으리 거대한 팬에 연결하여 돌린다면 훨씬 더 많은 양의 공기를 흡입할 수 있다. 이른바 높은 바이패스비를 갖게 되는 것이다. 이를 통해 엄청난 양의 공기를 흡입하고 압축해 터빈 내부의 적은 공기만으로도 엄청난 추진력을 낼 수 있다. 이러한 원리로 터보팬 엔진은 터보제트만큼 빠른 속도를 내면서 효율적이기 까지 한다. 그래서 오늘날 널리 사용되는 것이다.


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