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알고 타면 더욱 재미있는 비행기의 원리

2013. 10. 22. 10:03

 

안녕하세요. LG CNS 대학생 기자단 김기태입니다.

우리는 가끔씩 주변에서 일상적으로 일어나는 것들에 대해 궁금할 때가 있는데요. 그래서 준비한주제는 우리를 편안하고 빠르게 목적지까지 데려다 주는 비행기입니다. 지구를 하나로 묶어주데 아주 큰 기여를 한 발명품이죠. 비행기가 만들어진 지 벌써 100년이 넘었습니다.

이전에도 여러 형태의 항공기가 하늘을 나는 데 성공하였지만, 미국의 라이트 형제가 만든 플라이어호(號)가 1903년 12월 17일 미국 키티호크에서 12초 동안 36m를 비행하며 본격적으로 그 역사가 시작되었는데요. 이후 두 차례의 세계대전을 거치며 비행기의 성능은 발전을 거듭했습니다. 또한, 각종 전자장치를 이용한 항법장치가 개발되며 교통수단으로 자리 잡게 되었죠. 그런데 문득, 비행기가 어떤 원리로 작동되는지 궁금하신 적은 없었나요? 그래서 오늘은 항공기 시뮬레이션의 도움을 받아 직접 조종사가 되어 우리가 잘 몰랐던 비행기의 원리에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

조종사는 한 번의 비행을 위하여 실제 비행을 하기 전, 많은 준비를 합니다. 비행에 관한 모든 정보를 숙지하기 위해서인데요. 비행기 점검과 항로점검은 물론 날씨, 그리고 함께 비행을 하는 승무원까지 꼼꼼히 챙긴 후 비행기에 탑승하죠. 또한, 승객이 비행기에 탑승하다 보면 조종석에 앉은 조종사가 끊임없이 무언가를 하는 모습을 종종 보실 수 있으실 텐데요. 비행을 하기 전, 미리 비행기 주요 부분들을 점검한 후에 오늘 비행할 항로를 항공기에 입력하는 것입니다.

조종석은 매우 복잡해 보이지만, 엔진을 제어하는 계통을 제외하고 조금만 살펴보면 쉽게 이해할 수 있게 되어 있습니다. 위 사진은 항로를 입력하는 것인데요. 불과 30~40년 전만 해도 별자리를 읽고 관제사의 지시에만 의존해 왔으나 위도와 경도로 이루어진 좌표인 Waypoint를 길로 연결해 항로를 지정한다고 하네요.

다음으로 살펴볼 부분은 비행기 날개입니다. 비행기 날개는 ‘양력’에 의해 작동되는 것 알고 계시죠. 비행기 날개의 윗면은 볼록하고 아랫면은 평평하게 되어있어 비행기가 활주로에서 달리게 되면 날개를 스치는 공기에 차이가 생기는데요. 그 차이 때문에 날개 윗면의 기압은 낮아지게 되고 아래면은 상대적으로 높아져 비행기가 떠오르게 되는 것이죠. 또한, 날개에 스치는 공기의 속도가 빠르면 빠를수록 양력은 크게 발생하게 되는데요.

이 원리에서 착안한 또 하나의 기술! 비행기가 활주로를 이동하는 동안 날개를 유심히 관찰하셨던 분들은 날개가 넓어지는 것을 본 적이 있으실 텐데요. 이것이 바로 ‘FLAP’이라는 장치입니다. 날개 면적을 넓혀주고, 볼록한 면을 더욱 크게 만들어서 적은 속도에서도 하늘을 날 수 있게 해주죠. 이 장치로 비행기는 더욱 빨리 하늘로 날아오르는데요. 이후 일정 고도가 되면 날개를 다시 원상복귀 시킵니다. 날개가 커지면 그만큼 공기저항이 늘어 장거리 비행에는 비효율적이기 때문입니다.


<날개의 Flap이 일반적일 때(좌), 최대로 늘렸을 때(우)>

이제 활주로로 가볼까요? 활주로에 숫자가 적힌 것을 본 적 있으실 텐데요. 바로 활주로가 뻗은 방향을 알려주기 위해 10단위 2자리로 표시한 것입니다. 예를 들어 활주로가 정확히 북쪽을 향해있다면 360도의 2자리를 따서 36으로, 남쪽은 180도의 2자리를 짜서 18로 표기하는 것이지요. 또한, 2개 이상의 활주로가 서로 평행하게 설치된 경우에는 숫자 뒤에 L(좌측), C(중앙), R(우측) 등의 영문자를 추가로 덧붙이게 됩니다. 활주로의 숫자는 활주로 양 끝 부분, 항공기의 착륙방향으로 볼 때 진입하는 부분에 적혀 있는데요. 비행기의 이/착륙 시 더욱 잘 보이도록 하얀색으로 표기합니다.

비행기는 그럼, 어느 방향으로 날아오를까요? 비행기는 바람이 불어오는 방향으로 이/착륙합니다. 날개 면에 더 많은 공기가 지나가게 하여 많은 양력을 얻게 하려는 거죠. 착륙할 때 비행기 날개를 보면 최대한 윗면을 둥글게 만드는데요. 착륙을 위해 속도를 줄였지만 추락하지 않기 위해 양력을 최대한 얻으려고 하는 것입니다. 이때 비행기 뒤에서 강한 바람이 불어온다면 양력이 줄어 아주 위험한 상태에 처하겠죠. 이는 이륙 시에도 마찬가지입니다. 뒤에서 바람이 불어온다면 엔진의 힘이 더 많이 필요합니다. 이론적으로 생각하면 바람의 부는 속도가 비행기가 이륙하는 속도와 같다면 비행기는 수직 이/착륙이 가능합니다. 하지만 현실에서는 바람의 세기와 방향이 일정하지 않기 때문에 통제할 수 없을 정도의 많은 양력이 발생할 우려가 있습니다. 따라서 최대한 바람을 이용하여 이/착륙을 하면 좀 더 쉽게, 빨리 떠오르고 내릴 수 있습니다.


<북쪽 방향 08활주로로 이륙하는 항공기 (출처: http://www.precisionmanuals.com/index.html)>



<주변국과 통해있는 대한민국의 항로 (출처: http://ais.casa.go.kr/)>

요즘은 구름 한 점 없는 깨끗한 가을 하늘을 만날 수 있는데요. 하늘에는 우리가 모르는 많은 길이 있습니다. 비행기가 지나는 길, 바로 항로입니다. 지금도 각종 비행 장비들과 GPS 장비들을 이용하여 새로운 항로를 만들고 있는데요. 아무리 조종사라 하더라도 아무것도 없는 하늘에서 길을 직접 눈으로 확인할 수는 없을 텐데요.

그렇다면 조종사들은 앞서 살펴본 waypoint는 어떻게 지정할까요? 이를 보조하기 위하여 우리가 흔히 알고 있는 지도와는 조금 다른 지도가 존재합니다. 바로 항로차트입니다. 항로차트는 이륙과 착륙, 그리고 순항을 하기 위한 차트로 구분됩니다. 매우 복잡해 보이지만 선을 이어가다 보면 하늘의 길이 보입니다. 조종사는 상황에 따라 여러 가지 차트를 이용하여 비행하는데요. 이 차트는 항공기에도 데이터가 입력되어 있기 때문에 자동항법장치를 이용하여 더욱 정확하고 안전한 비행을 할 수 있습니다.


<서울, 인천공항과 그 주변의 항로(출처: http://ais.casa.go.kr)>

 


<플라이트 시뮬레이터를 이용한 착륙 장면>

착륙은 비행기가 운행되는 시간 중에 가장 위험하고 긴장되는 순간이라 할 수 있습니다. 대부분의 항공기 사고 역시 착륙할 때 가장 많이 일어난다고 하는데요. 기술의 발달로 컴퓨터가 많은 부분을 담당해준다고 하지만, 완벽하지 않기 때문에 사람의 손이 반드시 필요합니다. 조종사의 존재가 중요한 순간이기도 하죠. 실제로 조종사들은 위에서 말한 차트와 관제사의 지시를 바탕으로 착륙을 시도하는데요. 이 과정에는 정말 복잡한 절차들이 숨어있습니다.


<출처: http://www.precisionmanuals.com/index.html>

일단 관제탑과의 교신에서 착륙은 시작합니다. 정해진 항로를 따라가지만, 공항 주변에는 많은 비행기가 몰리기 때문에 관제사의 지시가 우선이 되는데요. 육지에서 흔히 볼 수 있는 교통체증이 넓은 공항 근처 하늘에서 발생하는 것이지요. 이 때문에 교통경찰의 역할을 하는 관제사의 역할이 중요합니다. 착륙은 보통 50%의 수동조종과 50%의 자동조종이 혼합된 형태를 주로 시행합니다. 약 900km/h의 고속으로 날던 비행기는 착륙을 위해서 속도를 줄여 약 300km/h 미만의 속도로 공항의 활주로로 다가가는데요. 이때 조종사는 공항에서 제공하는 활주로 정보를 받아 경로를 따라갑니다. 또한, 비행기가 적당한 고도와 방향을 맞춰 착륙할 수 있도록 공항에서 쏘아주는 전파를 이용하는데요. 이 장치가 ILS(Instrument Landing System), 계기 비행착륙장치입니다.

하지만 계기 비행장치가 없어도 충분히 착륙할 수 있습니다. 실제로 조종사들은 계기 비행착륙장치가 없다는 가정하에 착륙을 시도하는 교육을 계속 받는다고 하네요. 속도를 줄여 활공이 가능한 최저 속도가 되면 이륙 때와 마찬가지로 Flap을 이용하여 저속에서도 활공을 쉽게 할 수 있도록 날개를 펼쳐줍니다.

 

간단하게 설명했지만, 비행기가 날아오르기 전부터 비행하고 다시 착륙하기까지… 많은 기술과 사람들의 노력이 안전한 비행을 만드는데요. 조종사의 입장에서 살펴본 비행기의 자세한 이야기, 어떠셨나요? 앞으로 비행기를 탈 때 이런 기술들을 하나하나 떠올리면 더욱 즐거운 비행이 되길 바랍니다. ^^

 

 

Posted by IT로 만드는 새로운 미래를 열어갑니다 LG CNS

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  1. 항덕 2014.02.16 20:48  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    플랩을 최대로 펼치면 오히려 항력이 증가하여 왠만해선 최대로 하지 않죠
    이륙할땐 플랩각도는 15'~20' 사이가 가장 좋습니다.
    그래도 일반인분들에게 좋고,정확한 지식을 알려주시네요
    글 잘봤습니다. 수고하세요.

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