비행기
비행기(飛行機, airplane, aeroplane)는 날개가 달린 교통수단의 일종이다. 항공기(Aircraft)와 단어가 비슷해 보이지만, 항공기는 헬리콥터 같은 회전익기나 글라이더 등도 포함하는 의미이다. 즉 항공기는 비행기를 포함하는 개념이며, 항공기에 우주선이나 미사일 등도 포함하면 '비행체(Aerial Vehicle)'가 된다.
목차
개요[편집]
비행기는 날개와 그에 의해 발생하는 양력을 이용해 인공적으로 하늘을 나는 능력을 지닌 항공기를 말한다. 최초의 동력 비행기는 1903년 12월 17일에 미합중국의 라이트 형제가 발명하였다. 또한 비행기의 종류에는 여객기, 화물기, 전투기, 무인기, 방제기 등이 있다. 양력 발생에 필수적인 추진력을 얻기 위한 엔진으로는 프로펠러 엔진, 제트 엔진, 로켓 엔진 등이 사용된다. 세계적인 여객기 제작사로는 에어버스와 보잉이며, 비행기의 아랫 면은 반대로 느리게 된다. 그 때문에 '베르누이(Bernoulli)의 정리'에 따라 윗면의 기압은 대기압보다도 낮으며, 즉 부압(負壓)으로 되어 날개를 위쪽으로 빨아올리는 작용을 한다. 또 아랫 면의 기압은 대기압보다도 높아져서, 즉 정압(正壓)으로 되어 날개를 아래서부터 밀어올리는 작용을 한다. 이 부압과 정압으로 날개에는 위로 향하는 양력이 생기게 되는 것이다. 따라서 이 양력은 날개면적 , 속도와 관계가 있다. (하지만 '베르누이(Bernoulli)의 정리' 만으로는 양력 발생 원리를 확실히 규명할 수 없다.) 양력계수·날개면적이 일정하다면 양력은 속도의 제곱에 비례하게 되는 것이다. 따라서 고속으로 날 때에는 받음각을 조절하여 양력계수를 작게 하고 저속으로 날 때에는 크게 하여 양력과 중력(重力)의 균형을 유지시킨다.
비행기가 일정한 속도로서 수평(水平)으로 날고 있을 때에는 양력이 비행기 전체의 무게와 같게 균형을 이루고 있어야 한다. 날개 뒤의 동체(胴體) 가까이에는 플랩(flap)이 붙어 있다. 이것은 좌우 한꺼번에 내리게 되어 있다. 그 작용으로 비행기는 느린 속도에도 안전하게 날게 된다. 이륙과 착륙시에 없어서는 안 될 것이다.즉 플랩을 내리면 양력계수가 크게 되므로 느린 속도에도 충분한 양력이 얻어지는 것이다. 또 하나 날개에서 중요한 것은 상반각(上反角)인데, 이것은 옆기움을 복원시키는 데 중요한 작용을 한다.
만일 비행기가 오른편으로 기울어지면 오른쪽 날개의 플랩과 에일러론이 아래로 처지고, 왼쪽 날개는 위로 들리게 된다. 그리고 기울어진 방향(오른편)으로 옆미끄럼(side slip)을 시작한다. 그러면 기류가 생겨 원래의 위치로 되돌아가려는 힘이 작용하게 되는 것이다. 날개의 형은 음속(音速)에 가까운 속도 이상으로 나는 비행기는 모두가 뒤로 쏠린 후퇴날개로 되어 있다. 이것은 다음에 기술한 충격파의 영향을 부드럽게 하기 위한 형이다.
역사[편집]
동력 비행기의 모든 조건을 최초로 충족시킨 것은 미국인 라이트 형제가 1903년에 날린 플라이어(Flyer) 1호다. 라이트 형제의 동력비행 성공 직전에도 프랑스에서 크레망 아델(Clément Ader: 1841~1925)이라는 사람이 1890년 라이트 형제보다 13년 앞서 증기기관을 이용하여 나는 물건을 만들었고 프랑스 쪽은 이것이 최초의 동력비행이라고 주장하며 따로 기념행사를 하기도 한다.
그러나 프랑스쪽 입장이 어쨌든 간에 동력비행이 맞긴 하지만 비행 자세 제어도 어려웠고, 게다가 라이트 형제가 비행기에 사용하기 적합한 경량 가솔린 엔진을 사용한 것과 대조적으로 구시대적인 증기기관을 사용하는 등, 후대에 이어질 비행기의 발전에 미치는 영향이 아무래도 적었다. 뉴질랜드에서도 리처드 피어스라는 농부가 라이트 형제보다 1달 정도 먼저 동력비행에 성공했다는 설도 있다. 증인 부족(증인이라는 게 동네 애들이었다고 한다)으로 인정되지는 않고 있다.
브라질의 항공 기술자 알베르토 산토스 뒤몽(Alberto Santos Dumont)은 유럽에서 최초로 비행선과 비행기 비행에 성공했다. 라이트 형제보다 조금 늦었지만 라이트 형제가 당시에는 잘 알려지지 않았기 때문에 유럽에선 알베르토의 비행을 최초의 비행이라고 대대적으로 선전했다. 또 기술적으로 라이트 형제의 비행기보다 조금 더 발전했다고 한다. 그래서 브라질은 오늘날 알베르토 산토스뒤몽을 크게 기리고 있다.
비행기로 불리기 위한 충족요건은 다음과 같다.
- 공기보다 무겁다.
- 날개가 고정되어 있어야 한다. 즉, 헬리콥터처럼 회전익기가 아니여야 한다.
- 동력이 있어야 한다.
- 조종사가 원하는대로 자세 제어가 가능해야 한다.
오토 릴리엔탈은 글라이더를 통하여 초창기 항공기 개발에 큰 획을 그었고, 라이트 형제 역시 그의 저서를 열심히 탐독하였으나, 릴리엔탈 역시 동력을 사용하는 항공기를 만들지는 못했다. 발명 이후 연구가 확산되면서 비행 기록이 지속적으로 상승하였으나 급속 발전의 계기는 최초로 비행한지 10년이 조금 넘은 때 일어난 제1차 세계 대전이었다. 전쟁 초반에는 비행기가 주로 정찰기로 사용하였으며 워낙 낮게/느리게 날다 보니 지상의 보병들 총격에 쉽게 추락하는 등 비행성능도 안습한 편이었으나, 후기로 가면 전투기나 폭격기처럼 크기가 크고 비행 속도/고도도 훨씬 높은 비행기들이 등장한다.
'최초' 문제를 놓고 역사적 증거는 있지만 물리적 증거를 찾아볼 수 없는 기록이 있는데 조선시대 임진왜란 당시 진주 대첩에서 쓰였다는 비차(飛車) 기록이 자주 제시되나, 기록(조선왕조실록, 오주연문장전산고 등에 기록이 남아 있다)으로만 남아있는 경우이고 글만 전할 뿐 실물 및 설계도는 전하지 않아 신빙성 면에서 한 수 접어야 한다. 신기전은 기록이 비교적 많고, 실전기록이나 설계도와 같은 것도 있으니 어떻게든 재현했지만 비차는 아무래도 좀 무리인 것이 사실이다. 헌데 글만 보고 복원한 물건이 현재 어느 박물관에 있긴 하다.
비차 문제에 관해서는 전체적인 구조를 볼 때 행글라이더형을 주장하는 측과 동력기관을 단 비행기[9]의 형태였음을 주장하는 측이 나뉘어 있다. 행글라이더형이라면 이미 '최초' 문제와는 멀어지고, 동력비행기설을 믿기에는 역시나 근거 및 신빙성 부족과 기록을 따라서 해보려고 해도 그당시의 물건들을 풀세트로 준비한다 해도 복원이 전혀 되지 않는다. 이걸 복원하려면 앞선 기술들을 추가로 적용을 해야 하는데 그렇게 되면 고증이 맞지 않게 된다. 새로운 사료가 나오기 전까지는 미완성으로 남을 수밖에 없다.
구조[편집]
프로펠러와 제트의 기능[편집]
프로펠러가 돌고 있는 뒤에 서게 되면 굉장히 센 바람을 받는다. 이것은 프로펠러가 공기에게 뒤로 향하는 속도를 주어 힘차게 밀고 있기 때문이다. 물리학의 법칙에 따라 단위시간에 어느 질량의 공기에 어느 속도를 주게 되면 공기에게 운동량의 변화를 주는 것이 되므로 그 반동으로 앞으로 향하는 추력(推力)이 얻어진다. 제트엔진에서 수평꼬리날개(水平尾翼)의 양력이 작용하는 위치는 받음각(迎角)에 따라 앞뒤로 이동한다. 한편 무게 중력은 비행기의 중심에 작용하므로 날개의 양력과 중력과는 언제나 같은 점에 작용한다고는 할 수 없다. 그래서 이 두 힘의 균형을 잡기 위하여 수평꼬리날개가 붙어 있다. 만일 양력이 중력보다 앞에서 작용하고 있을 경우에는 수평꼬리날개에는 위로 향하는 힘이, 또 양력이 중심보다 뒤에서 작용하고 있을 경우는 수평꼬리날개에는 아래로 힘이 작용하고 있어야 한다. 수평꼬리날개에 작용하는 힘의 방향(상향이든 하향이든)과 크기를 가감하기에는 수평꼬리날개를 움직여 받음각을 바꾸거나 승강키의 각을 바꾸어야 한다. 수평꼬리날개의 뒷부분은 상하로 움직일 수 있도록 되어 있다. 이것을 승강키(flipper)라고 한다. 승강키를 올리면 꼬리날개에 아래로 향하는 힘이 더해져서 비행기는 머리를 올린다. 반대로 승강키를 아래로 내리면 비행기는 머리를 숙인다.
수직꼬리날개[편집]
꼬리날개에는 하나의 수직꼬리날개가 있다. 이것은 비행기가 진로(進路)를 바로잡고 날게 하기 위해서 필요한 것이며, 이것이 없으면 비행기는 비틀거리며 사행(蛇行)을 하게 된다. 수직꼬리날개의 뒷부분은 좌우로 움직일 수 있도록 되어 있어 이것을 방향키(rudder)라고 한다. 방향키를 왼쪽으로 하면 왼쪽으로 향하고, 오른쪽으로 하면 비행기는 오른쪽으로 향한다.
보조날개[편집]
비행기에는 위에서 기술한 승강키와 방향키 이외에 보조날개(aileron)라고 하는 키가 있다. 이것은 날개의 뒷부분에 붙어 있으며, 왼쪽 보조날개를 내리면 오른쪽 보조날개가 올라가, 그로 인하여 비행기는 오른쪽으로 기운다. 그와 반대로 하게 되면 비행기는 왼쪽으로 기울어지게 되는 것이다. 이렇게 3개의 키를 사용하여 비행기는 자유자재로 방향을 바꾸기도 하고, 기울게도 할 수 있으며, 그에 따라 여러 가지 운동을 하게 되는 것이다. 이 밖에 날개 뒷부분에는 보조날개와 나란히 동체와 가까운 곳에 플랩이 붙어 있다. 이것은 보조날개와는 달리 좌우 동시에 내릴 수 있게 되어 있으며, 그 작용으로 비행기는 느린 속도에서도 안전하게 날 수 있다. 이륙(離陸)이나 착륙할 때에 없어서는 안될 것으로 되어 있다.
동체[편집]
맨앞이 조종석으로 되어 있고 뒤에는 객실과 화물실로 되어 있다. 비행기를 비행시키는 데 필요한 여러 가지의 계기·유압장치·전기장치·라디오·레이더 등도 대부분 동체 안에 장치되어 있다. 동체부에는 사람이 타기 때문에 고공(高空)에서도 산소가 부족하지 않도록 여압장치(與壓裝置)에 의해 압축된 공기를 보내고 있는 것이 많다(소형기는 제외). 고공에 오르면 기압도 떨어지고 산소가 부족하게 되며, 기온도 내려간다. 따라서 4,000∼5,000m 이상의 고공을 비행하는 비행기는 여압장치에 의하여 바깥의 공기를 압축하여 안으로 집어넣어 압력을 올리기도 하고, 냉난방(冷暖房)도 하고 있다. 압력은 보통 지상 2400m 상당의 0.75기압 정도로 유지되고 있다
랜딩기어[편집]
비행기가 지면에 있을 때 이것을 지탱하는 장치로서 일반적으로 앞에 1개, 뒤에 2개가 있다. 비행기가 대형인 경우는 랜딩기어(바퀴)가 여러개인 경우도 있다. 각각 몇 개의 바퀴와 착륙할 때에 쇼크를 완충시키기 위한 올레오(유압식 완충장치：oleo shock absorber)로 되어 있다. 날고 있을 때에는 필요가 없으므로 날개나 동체 속에 접어넣어 공기저항을 감소시키는 것이 접게들이바퀴이다. 바퀴 대신으로 플라우트(flout)를 달아 물 위에서 발착하는 것이 수상기(水上機)이다. 동체가 보트형으로 되어 있고, 수상에서 발착하는 것을 비행정(飛行艇)이라고 한다. 또 다른 착륙장치로는 플랩(FLAP)이 있는데,플랩은 착륙시 양력을 증가시킨다. 스피드 브레이크(SPEED BRAKE)는 착륙하자마자 날개쪽에서 작동되는데,착륙 할때가 아닌 이륙 한후 상공에서 작동되는 에어브레이크(AIR BRAKE)등도 있다.
강도(强度)[편집]
비행기는 공기 속을 고속으로 운동하기 때문에 매우 심한 바람의 힘을 기체가 받게 된다. 그렇다고 해서 견고하게 하기 위하여 무작정 두꺼운 금속을 사용한다면 그만큼 무거워져서 성능이 떨어지게 된다. 따라서 될 수 있는 한 가볍고 견고한 구조로 해야 하는 것이다. 현재 여러 가지의 비행기는 알루미늄합금의 얇은 판제로서 동체와 날개의 형태를 이루고 도리와 쇠오리를 안에 넣어 튼튼하게 하고 있다. 즉 기체가 받는 하중(荷重)을 거의 금속판으로 만들어진 외피에 의하여 지탱하고 있다. 이 구조를 모노코크 구조(Monocoque construction)라고 한다. 비행기를 설계(設計)하는 데 있어서는 그 비행기가 부닥칠 수 있는 모든 경우를 상정(想定)하여, 그때그때 받을 힘에 견딜 만한 강도를 유지하도록 해두는 것이다. 그리고 실제의 비행기를 사용하여 철저한 강도시험(強度試驗)을 행하여, 설계와 다름없는 결과로 되어 있는가 어떤가를 확인하는 것이다.
속도[편집]
비행기의 속도는 약 500mph(800km/h)에서 625mph(1000km/h)이다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
