[항공우주과학] 항공기의 기초

항공기의 기초

 항공기는 하늘을 날기 위해 여러 가지 힘과 기계 장치들을 이용한다. 본 글에는 항공기 운항을 이해하기 위한 물리학, 항공기 구조, 각종 공항 장치에 관한 배경지식이 담겨 있다.

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• 항공기에 작용하는 4가지 힘

1. 양력
 어떤 물체가 기체 혹은 액체에서 나아갈 때 나아가는 방향의 수직으로 발생하는 힘이다. 양력이 발생하는 원리는 크게 두 가지로 설명할 수 있다. 첫 번째 베르누이의 원리이다. 베르누이 원리는 흐르는 유체(기체나 액체 등) 속에서 속도가 빠른 곳은 압력이 낮고 속도가 느린 곳은 압력이 높음을 설명한다. 이때 항공기의 날개는 위부분이 볼록하고 아랫부분이 오목한데 이것이 속도의 차이를 만들어낸다. 위부분은 빨라지고 아랫부분은 느려져서 압력 차이가 발생하고 이것이 곧 양력을 만들어낸다. 두 번째 받음각(항공기의 날개와 지면이 이루는 각)이다. 받음각이 양수이면 공기 분자들이 항공기의 날개를 통과할 때 아래쪽으로 휘어지게 된다. 이것은 비행기 날개가 공기를 아래로 밀어냄을 뜻하고 작용 반작용의 원리에 의해 공기는 날개를 위로 밀어내어 양력이 발생하게 된다.

항공기는 날개 위 공기와 아랫 공기의 압력 차이가 만드는 양력으로 운항한다. 이때 베르누이 방정식에서 양력과 속력의 관계를 볼 수 있다. 먼저 베르누이 방정식은 운동에너지와 압력이 반비례한다고 설명한다. 운동에너지는 속력의 제곱에 비례하기 때문에 속력이 커지면 운동에너지는 제곱으로 커지고 압력의 차이도 제곱으로 커진다. 최종적으로 양력도 제곱이 된다. 즉 속력이 2배가 되면 양력이 4배가 되는 것이다. 이렇듯 항공기의 속력은 양력을 생성하는 데 중요한 역할을 한다. 만약 속력이 충분하지 못하다면 항공기는 양력을 잃고 추락할 수 있다.

2. 중력
 질량을 가진 물체끼리 서로 끌어당기는 힘으로 항공기에는 지구가 지면으로 끌어당기는 힘이 작용한다.

3. 추력
 엔진이 공기를 밀어내면 그에 대한 반작용으로 공기가 항공기를 밀어 앞으로 나아가게 하는 힘이다.

 

4. 항력
 항공기가 앞으로 나아갈 때 진행 방향의 반대로 작용하여 추력을 방해하는 공기역학적 힘이다.

 

 

• 항공기의 구조

1. 플랩
 주날개 뒤쪽에서 양력을 증가시키는 장치로 주날개의 크기와 받음각을 증가시키는 등 날개의 모양을 바꾸는 기능을 한다. 이는 양력을 증가시키며 동시에 항력도 증가시키기 때문에 이착륙 시에 사용한다.

이륙: 플랩 -> 받음각 증가 -> 양력 증가 -> 빠른 이륙
착륙: 플랩 -> 받음각 증가 -> 실속속도 감소 -> 착륙속도 감소 -> 착륙 시 충격 감소

2. 슬랫
 주날개 앞쪽에 있는 장치로서 플랩과 똑같은 효과를 일으킨다.

 

3. 러더(방향타)
 뒤쪽의 수평 꼬리 날개에 있어 항공기를 왼쪽, 오른쪽으로 움직이게 한다.

 

4. 에일러론
 주날개에 있어 각각의 좌우의 에일러론이 반대 방향으로 움직이면 양력 차이가 발생하여 좌·우측으로 경사지면서 선회한다.

5. 스포일러
 스포일러가 펼쳐지면 주날개에 흐르는 공기를 방해하여 양력을 감소시키고 항력을 증가시킨다. 항공기의 머리 부분을 낮추지 않고 효율적으로 하강할 수 있다.

6. 엘리베이터(승강타)
 뒤쪽의 수직 꼬리 날개에 있어 항공기의 자세를 상승 또는 하강 자세로 변화시킨다.

 

 7. 스트레이크

그림의 빨간색으로 표시된 부분과 같이 날개의 앞부분과 항공기 몸체 사이의 연결되는 면이 스트레이크에 해당한다. 이것은 항공기가 나아갈 때 양력을 증가시키는 구실을 한다.

8. 착륙장치

이착륙과 지상에서의 이동을 가능하게 만들어주는 장치이다. 착륙 시의 무게를 버티기 위해 튼튼하게 제작된다. 또한, 주 착륙 장치인 뒷바퀴는 항공기 무게의 80 ~ 90퍼센트를 지탱한다. 이때 주 착륙 장치가 너무 뒤로 가면 하중이 무리하게 작용하고 너무 앞으로 오면 무게중심이 무너질 수 있다.

 

9. 항공 계기판

 계기판은 자주 사용하는 조종 장치, 경고 장치, 항공기 시스템의 상태를 보여주는 장치 등 여러 가지 장치로 이루어져 있다. 위 그림은 항공기의 주계기판으로 가장 자주 사용하는 정보들을 담고 있다.

 

 

• 항공기의 3축과 중심들

요	피칭	뱅크(롤)
항공기를 위아래로 수직 관통하는 직선을 축으로 삼는 회전을 뜻하며 순간적인 선회 시 사용한다.	양 날개를 이은 직선을 축으로 삼는 회전을 뜻하며 고도 변경 시 사용한다.	항공기 몸통 축으로 삼는 회전을 뜻하며 선회 시 사용한다.

4. 공력 중심
 공력중심은 받음각이 변하더라도 피칭 모멘트가 변하지 않는 지점이다. 그림과 같이 무게중심이 공력중심보다 앞에 있으면 세로안정성이 확보되었다고 할 수 있다.

피칭모멘트	세로안정성
날개에서 날개로 이어지는 직선을 축으로 하는 회전축에 대하여 작용하는 모멘트(힘,토크)	피치 운동에서 나타나는 것으로 기수가 급강사.급상승하는 경향과 실속 하려는 경향이 없는 상태이다.

5. 무게 중심
 물체의 전체 질량이 한 점에서 작용한다고 가정했을 때 중심이 되는 한 점이다. 무게중심에 모든 외부의 힘이 작용하는 것으로 생각할 수 있다.

무게중심 전방	무게중심 후방
항공기의 앞부분이 숙여짐 조종에 요구되는 힘 증가 실속 속도 증가 착륙 장치에 과도한 하중 성능 저하 유발	항공기의 앞부분이 기수가 들림 조종에 요구되는 힘 감소 세로 안정성 감소 심한 경우 항공기 조종 불능 상태

• 기타 공항 장치
  
  

	로컬라이저 서로 다른 주파수의 전파를 이용한 장치로서 항공기가 활주로 중앙에 올 수 있도록 도와준다.
	글라이드 스코프 항공기의 활강 각도를 알 수 있게 하여 테일스트라이크(바퀴가 아닌 꼬리가 땅에 먼저 닿는 현상)와 같은 사고를 방지한다.
	마커 비컨  땅에서 수직 방향으로 전파를 발사하여 항공기가 활주로로부터 얼마나 떨어져 있는지 알려주는 장치이다.
	관제탑 공항에서 항공기의 안전한 운항을 위해 항공기, 활주로, 기상, 위급상황 등을 통제하는 탑이다. 더욱 효율적인 업무 수행을 위해 공항 전체를 잘 볼 수 있는 탑의 형태를 갖춘다.
	활주로 활주로는 비행기가 이륙 및 착륙을 위한 도로를 말한다. 항공기가 무겁기도 하고 또한 이착륙 시에 큰 충격이 가해지기 때문에 일반 도로와는 다르게 특수 제작된다.
	진입등 색깔을 통해 적절한 착륙 각도인지 아닌지 알려주는 장치로 글라이드 스코프와 비슷한 역할을 한다.