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작성자 이창호
작성일 2003-10-28 (화) 21:16
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ㆍ조회: 2778      
[근대/현대] 비행기 (한메)
비행기 飛行機 airplane

사람이 타고 공중을 항행하는 항공기(aircraft)의 한 가지.

제트기관 또는 프로펠러의 추력(推力)에 의하여 전진할 때 날개에 생기는 양력(揚力)으로 자체의 무게를 떠받쳐서 날아가게 되는 것의 총칭이다. 비행기가 공기 속을 어느 정도의 속도로 전진하면 그 속도와 크기가 같고 방향이 반대인, 즉 뒤쪽으로 향하는 바람이 날개에 닿음으로써 날개에 양력이 생긴다. 이 점은 글라이더도 마찬가지이다.

비행기나 글라이더에서 날개가 기체(機體)의 무게(기체에 작용하는 중력)를 떠받칠 양력을 발생시키는 데는 어떤 한계(이 한계를 최소속도라 한다) 이상의 속도로 전진해야 하며 그 이하의 속도로는 비행할 수 없다. 물론 헬리콥터와 같은 공중정지는 불가능하다.

헬리콥터의 회전날개도 날개에 양력이 발생하는 원리는 비행기나 글라이더의 고정날개와 마찬가지이나, 회전날개는 헬리콥터자체가 공중에서 어떤 속도로 날고 있더라도 회전에 의해 날개에 바람이 닿아 양력이 생기므로 기체의 무게를 떠받칠 수 있다.

같은 항공기라도 기구(氣球)·비행선 등 공기보다 가벼운 가스를 넣은 주머니의 부력으로 자체 무게를 떠받치는 것(輕航空機)은, 이 부력이 주로 아르키메데스의 원리에 따르는 정적(靜的) 부력이므로 전진속도가 필요 없다. 즉 아무리 느린 속도라도 비행할 수 있으므로 최소속도가 존재하지 않는다.

이와 같이 비행기는 헬리콥터·비행선·기구 등과 달리 최소속도 이하의 느린 속도로는 비행할 수 없는 점, 이착륙에 지상활주를 해야하는 점 등 2가지 결점이 있다. 그 반면 양력에 비해 공기저항이 극히 작으므로 속도를 내기 쉬우며, 양력이 속도의 제곱에 비례하므로 고속기(高速機)에서는 작은 날개 넓이로 큰 무게를 떠받칠 수 있다.

이와 같은 장점이 결점을 보충함으로써 현재 비행기는 항공기의 주류를 이루고 있다. 1984년 현재 세계(소련·중국 제외)의 민간항공기 수는 비행기 약 35만 4700대, 헬리콥터 약 1만 8200대, 스포츠용 글라이더 약 9100대, 비행선·기구는 극히 소수이다.

[비행기의 종류]

추진방식, 엔진 수, 착륙장치의 형태, 주날개[主翼]의 형식 등 여러 관점에서 분류할 수 있다.

<추진방식에 의한 분류>

⑴ 프로펠러기(프로펠러추진):프로펠러기는 실린더 속을 피스톤이 왕복하여 크랭크축을 도는 피스톤엔진으로, 프로펠러를 구동(驅動)하는 피스톤기와, 가스터빈으로 프로펠러를 구동하는 터보프롭기로 분류된다. 터보프롭기의 가스터빈은 제트엔진의 가스터빈과 거의 같은 원리와 구조를 가진다.

터보프롭은 피스톤엔진에 비해서 엔진의 마력당 무게가 반 이하이며, 외형도 작고, 구조가 간단하여 진동이 적은 점 등 몇 가지 이점이 있다. 이로 인해 1903년 이래 단 하나의 비행기용 엔진으로 사용되어 온 피스톤엔진도 53년에 영국의 비커스 바이카운트수송기가 세계 최초로 터보프롭기로 취항한 뒤 점차 자취를 감추어 지금은 500마력 이하의 극히 작은 마력의 것을 제외하고는 터보프롭기가 프로펠러기의 주류를 이루고 있다.

⑵ 제트기(噴流推進):오늘날의 제트기에 주로 사용되고 있는 터보제트는 피스톤엔진에 비해서 구조가 매우 간단한데, 하나의 통 속에 앞에서부터 차례로 압축기·연소기·터빈이 배열되어 있다. 압축기에서 압축한 공기를 연소기로 보내고, 여기에서 연료를 분사(噴射)하여 연소시킨 고압·고온의 가스를 세차게 뒤쪽으로 내뿜음으로써 앞으로 향하는 추진력을 얻는다.

이때 분출하는 가스 에너지의 일부로 터빈을 구동하고 터빈으로 압축기를 구동한다(터보프롭의 경우에 프로펠러도 터빈으로 구동한다). 지금은 터보제트의 압축기의 앞쪽에 팬을 더 부착하여, 팬으로 압축한 공기를 일부는 그대로 뒤쪽으로 분출하고, 나머지는 엔진 속으로 보내 더한층 압축·연소시켜 뒤쪽으로 분출하여 양쪽의 작용으로 추력을 내는 터보팬을 수송기 등에서 널리 사용하게 되었다.

터보팬으로 엔진 속에 보내어 압축·연소시킨 공기량에 대하여 직접 뒤쪽으로 분출시킨 공기량의 비(比)를 바이패스비(by-pass ratio)라 한다. 1960∼61년 무렵부터 실용화된 초기의 터보팬은 바이패스비 1.0∼1.5였으나 보잉747 등에 장착되어 있는제 2세대의 터보팬은 5.0∼6.0의 높은 바이패스비를 가진다. 높은 바이패스비를 가지게 하면 연료소비율과 소음이 낮아지는 이점이 있다.

<엔진 수에 따른 분류>

추진장치의 수가 1개인 것을 단발비행기(單發飛行機), 2개인 것을 쌍발비행기, 3개인 것을 3발비행기, 4개인 것을 4발비행기라 한다. 비행중에 엔진 1개가 정지할 경우도 있으므로 일반적으로 다발비행기 쪽이 안전도가 높다. 따라서 바다 위 등 장거리비행에는 다발비행기를 많이 이용한다.

<착륙장치에 따른 분류>

비행기는 육상에서 발착할 수 있는 것과 수상(또는 빙상)에서 발착할 수 있는 것이 있는데 각각 육상기, 수상기라 하며, 육상과 수상 모두에서 발착할 수 있는 것을 수륙양용기라 한다. 육상기의 착륙장치로는 주로 타이어바퀴, 수상기의 경우에는 주로 플로트(float)가 사용된다· 비행할 때 바퀴의 공기저항이 매우 크므로 느린 속도의 소형기를 제외하고는 바퀴를 날개나 동체의 안으로 접어 넣는 것이 대부분이다.

대형일수록 바퀴 1개가 받는 지면하중(地面荷重)이 커지므로 그 수를 늘리게 된다. 세계 최대급의 육상기 보잉747(총 무게 380t)은 주다리[主脚]가 좌우 각각 2개씩 있으며, 각 다리는 각각 4개의 주바퀴가 있으므로 모두 16개의 바퀴로 기체의 총 무게를 받치게 된다. 그 밖에 동체 앞쪽에 2개의 앞바퀴가 장착되어 있다.

<주날개의 형식에 따른 분류>

전에는 날개의 형식에 따라 비행기를 홑날개비행기〔單葉機〕와 겹날개비행기〔複葉機〕로 크게 나누었다. 그러나 비행기 구조기술이 눈부시게 진보되어 홑날개가 겹날개에 비해 구조적으로 불리하고 무게가 커지는 등의 문제점을 극복함으로써 오늘날에는 특별한 것을 제외하고는 공기저항이 작고 성능도 절대 유리한 홑날개가 주류를 이룬다.

그리고 날개가 동체 아래 장착된 낮은날개비행기가 높은날개비행기에 비해 구조·성능이 유리한 점이 많으므로 날개형식의 주류를 차지한다. 일반적인 홑날개비행기는 진행 방향에 대하여 앞쪽에 주날개가, 뒤쪽에 수평·수직꼬리날개가 장착되어 있는데 비해, 수평꼬리날개에 해당하는 것을 날개 앞쪽에 장착한 것도 있다. 이것을 카나르형(프랑스어로 오리라는 뜻) 또는 엔테형(독일어로 오리라는 뜻)이라 한다. 이와 같이 배치하면 비행기의 안정성, 조종성에 특수한 성격을 가할 수 있으며, 기체 자체의 무게를 가볍게 할 수 있고, 비행기의 전방시계(前方視界)도 개선되는 등의 이점이 있다.

[기술발달의 역사]

<항공기술의 여명(黎明)>

오랜 옛날부터 인간은 새처럼 하늘을 날고 싶다는 소망을 가지고 있었다. 그리스신화에 나오는 다이달로스·이카로스부자(父子)의 밀랍으로 만든 날개라든가, BC 5세기의 아르키투스에서 R.베이컨·레오나르도 다 빈치·J.윌킨스 등에 이르기까지 많은 사람들이 비행기를 시험적으로 만들어 왔는데, 20세기 라이트형제가 성공하기 이전까지는 모두 실패로 끝났다.

그러나 18세기 말 프랑스의 J.M.몽골피에형제가 공기보다 가벼운 더운 공기를 넣은 기구(氣球)를 만들어 하늘을 나는 데 성공하였다. 오랫동안 비행기가 좀처럼 성공하지 못한 것은 2가지 이유가 있다. 그 중 하나는 새가 나는 방식을 그대로 흉내내어 날개짓하는 것에 집착한 점이고, 다른 하나는 19세기 말까지도 가볍고 힘이 강한 가솔린기관이 실용화되지 않은 점이다.

날개짓하는 방식의 비행원리를 검토해 보면 오늘날의 기술로도 매우 어려운 것을 알 수 있다. 새가 날개짓으로 양력과 추진력을 동시에 얻고 있는 것은 기구와 운동이 모두 아주 복잡하게 되어 있기 때문이다.

따라서 비행기에서는 양력을 얻는 데는 날개짓을 하지 않는 고정날개를 사용하고, 추진력을 얻는 데는 따로 프로펠러를 사용하는 편이 훨씬 유리하다는 것을 알게 된 것은 19세기 말에 이르러서이다. 이것을 글라이더로 실증한 사람이 독일의 O.릴리엔탈이었다.

릴리엔탈은 1891년 고정날개글라이더를 만들어 약간 높은 언덕에서 활공하는 데 성공하였다. 그는 이 실험을 반복하여 날개의 공기역학적 특성, 글라이더의 평형·안정·조종 등 여러문제에서 귀중한 지식을 얻었으나, 1896년 날개의 실속(失速)으로 추락사하였다. 그러나 그의 업적은 그 뒤 비행기 발전의 바탕이 되어 세계각국의 연구자들을 크게 자극하였다.

<라이트기의 성공과 영향>

⑴ 미국:릴리엔탈에 이어 각국에서 글라이더 연구가 성행하게 되었는데, 그 중에서도 라이트형제는 1900년부더 2년에 걸쳐 글라이더에 의한 비행실험을 철저하게 하였고, 아울러 자신들이 고안한 풍동(風洞)에 의한 각종 실험을 하여 비행기의 비행특성에 관하여 새로운 영역을 개척하였다.

이러한 풍부한 지식에 바탕을 두고 설계·제작한 기체에 직접 만든 12마력 가솔린엔진을 장착하여 1903년 12월 17일 미국 노스캐롤라이나주 키티호크의 해안에서 마침내 인류 대망의 동력비행에 성공하였다. 그날 강한 바람을 무릅쓰고 4번의 비행이 이루어졌는데, 첫번째는 12초에 36m였으나 네번째는 59초에 260m를 기록했다.

라이트기의 최대 특징은 변형날개(오늘날의 도움날개를 대신하는 것)·승강키·방향키 등 3개의 키로 자유로이 조종할 수 있다는 점에서 이전의 글라이더가 인간의 체중을 이동시키면서 조종했던 것에 비해 큰 진보였다.

⑵ 유럽:미국보다 한 발 늦게 출발한 유럽에서는 1906년 파리에서 브라질인 A.산투스 뒤몽이 유럽 최초의 비행에 성공하였다. 이때의 기록은 21초에 220m로 이것이 세계 최초의 공인기록이었다.

이어서 프랑스를 중심으로 영국·독일 등 여러 나라에서 차례로 새로운 비행기를 만들고 기록도 눈부시게 향상하여 제1차세계대전이 일어난 14년까지의 세계기록은 속도 204㎞/h, 항속거리 1021㎞, 고도 6.12㎞에 이르렀다.

그 동안 1909년에는 프랑스의 L.블레리오가 자기가 만든 블레리오XI형 홑날개비행기를 타고 처음으로 도버해협을 횡단하여 항공사상 불멸의 업적을 남겼다(거리 38㎞, 시간 32분). 1910년대 초에는 항공활동의 중심지가 미국에서 프랑스로 옮겨졌다.

<제1차세계대전과 비행기의 발달>

1914년 제1차세계대전이 일어나자 비행기는 조속히 전쟁터에 투입되어, 처음에는 정찰·폭격 등에 이용되었으나 나중에는 적기를 격추하기 위한 전투기도 출현하였다. 대전 전의 비행기는 단지 비행하는 것이 목적이었으나 여러 가지 다른 용도로 사용하게 되자 각각의 목적에 적합한 설계가 요구됨으로써 전문기종이 필요하게 되었다.

이리하여 비로소 정찰기·폭격기·전투기 등 용도별 기종이 탄생하였다. 4년간에 걸친 전쟁의 가혹한 시련으로 인해 비행기는 급성장하였는데, 대전 직후인 20년 말의 세계기록은 속도 313㎞/h, 항속거리 1915㎞, 고도 1만 93m로서 앞서 말한 6년 전의 기록과 비교해 보면 그 동안 눈부시게 진보하였음을 알 수 있다.

제1차세계대전이 끝나자 각국의 항공개발에 대한 의욕은 두 방향으로 집중되었다. 그 중 하나는 정기항공수송의 개설, 다른 하나는 미개척 공로(空路)에 대한 모험적인 도전이었다. 비행기로 여객·화물·우편물 등을 정기적으로 운송하는 정기항공은 이미 대전 말기부터 각국에서 조금씩 이루어졌으나, 1919년 무렵부터 본격화되어 12인승 쌍발수송기 파르망F60골리앗이 취항하였다.

미개척공로에 대한 도전은 대서양·태평양·북극 등을 무대로 화려하게 펼쳐졌다. 그중에서도 미국의 C.A.린드버그가 1927년 5월20∼21일, 스피릿 오브 세인트루이스호를 조종하여 뉴욕∼파리간 5809㎞를 33시간 39분으로 무착륙횡단한 것은 항공사상 가장 화려한 기록이었다.

그러나 당시에는 비행기의 진로를 정하는 데 있어서 오늘날과 같이 전파를 이용하는 항공기술이 실용화되지 않았고, 비행기의 항속성능도 목적에 비해 한계가 있었으며 엔진과 기체의 신뢰성도 오늘날에 비해 훨씬 낮았으므로 많은 희생자를 냈다.

<근대 수송기의 출현>

1930년부터 35년에 걸쳐 이착륙거리를 짧게 하는 데 유효한 주날개의 플랩(flap)장치, 비행중에 착륙장치를 날개나 동체 속에 접어넣음으로써 공기저항을 작게 하는 접개들이 장치, 비행중 피치(프로펠러가 1회전하는 동안 진행하는 거리)를 변화시켜 다양한 비행상태에 적응할 수 있게 만든 가변프로펠러, 고공에서 엔진의 출력 저하를 줄이는 과급기(過給器), 알루미늄합금 박판(薄板)을 사용한 가볍고 견고한 응력외피구조(應力外皮構造)등 비행기의 성능과 신뢰성을 향상시키는 데 극히 유효한 각종의 새로운 장치나 구조가 일제히 실용화되었다.

이들을 조합한 근대적인 낮은홑날개비행기형식이 완성되었고 이후 이것이 비행기의 표준형식이 되었다. 이와 같은 근대적인 형식을 도입한 대표적인 수송기는 35년 첫비행한 미국의 더글러스 DC―3형이다. 이것은 1200마력엔진 2기의 쌍발기로, 승무원 2명과 승객 21명을 대우고 순항속도 272㎞/h인 성능을 가졌다. DC―3형의 특징은 성능이 아주 뛰어나면서 동시에 실용성·내구성이 비길 데가 없어 제2차세계대전 때 1만 1000대나 생산되었으며, 첫비행 이래 50년이 지난 지금도 세계 각지에서 비행하고 있다.

<제2차세계대전과 제트기의 등장>

1939∼45년의 제2차세계대전은 항공병력의 우열이 승패를 결정하였다고 할 정도로 비행기가 각종 용도에 널리 사용되었다. 특히 제1차세계대전과 비교해 보면 전투·정찰·공격·폭격 등의 직접적인 전투목적 외에 인원이나 군수물자의 수송·보급에 대량 사용된 점이 주목된다.

대전의 후기에 각국의 전투기 중에는 최고속도 700㎞/h를 넘는 것이 출현하였다. 비행기가 이와 같이 고속으로 비행하고 그 프로펠러가 매분 천수백회 돌면 프로펠러 날개가 공기를 가르는 속도가 날개끝부분에서는 음속(音速)에 가까워진다. 이때 공기의 압축에 의한 영향이 나타나 프로펠러날개의 공기저항이 뚜렷하게 커짐으로써 프로펠러효율이 떨어진다.

고속기에서 이와 같은 현상이 나타나는 것은 전부터 예상되었으며 프로펠러기로 속도 800㎞/h를 초과하는 것은 곤란하다는 것도 예상하고 있었다. 이 문제를 해결하고 비행기가 한층 고속으로 날기 위해서는 가스를 뒤쪽으로 분출하여 그 반동으로 앞을 향하는 추력을 얻는 분류추진(噴流推進)을 할 수밖에 없으므로 이러한 원리의 엔진으로서 제트엔진과 로켓엔진에 대한 연구가 이루어졌다.

1939년 독일에서 제트엔진을 장비한 하인켈Hel78이 비행에 성공하고, 이어서 이탈리아·영국에서도 제트기의 개발에 성공하였다. 대전말기인 1944년 독일의 메서슈미트 Me262, 영국의 글로스터 미디어 등의 제트전투기가 비로소 전선에 출현하여 제트기의 실용시대가 열렸다.

<제트수송기의 시대>

1945년 제2차세계대전이 끝나자 본격적인 제트화가 시작되었다. 제트기는 프로펠러기에 비해 훨씬 빠른 속력을 낼 수 있는 점이 특징이므로, 첫째 속도에 중점을 두는 전투기가 제트화되었고, 다음에 폭격기와 그 밖의 군용기(軍用機)에 파급되었다.

초기의 제트엔진은 연료소비율이 크고, 제트기는 항속성능에 난점이 있었으나 이 분야가 눈부시게 개량됨에 따라 민간수송기로 마침내 제트기가 등장하였다. 그 첫기록은 1949년 첫비행을 하고 1952년부터 정기항공으로 취항한 영국의 디 해빌랜드 코메트이다. 그러나 코메트기는 54년 설계상의 결점으로 2대가 차례로 고도비행중 동체폭발사고를 일으켜 취항정지의 불운을 맞았다.

이로 인해 본격적인 제트수송기시대는 1958년 영국의 코메트4형과 미국의 보잉707형의 취항을 그 시초로 한다. 제트수송기의 취항으로 순항속도와 승객수는 프로펠러수송기의 2배 정도가 되었다. 그 밖에 각종 유압기기(油壓機器)·전자기기 등의 발달에 따른 비행기운용의 기계화·자동화도 뚜렷하게 진행되어 비행기의 성능과 신뢰성에 크게 공헌하였다.

예를 들면 제트기는 고공을 비행하는 편이 엔진의 효율에 좋으므로 고공에서의 저온·저압·산소부족으로부터 승무원·승객을 보호하기 위해 객실의 공기에 압력을 가하여 순환시키는 이른바 여압객실(與壓客室)이 일반화되었다.

여압객실은 1935년 무렵부터 연구되기 시작하여 제2차세계대전 때는 B―29와 같은 고공비행하는 장거리폭격기에 실용화되었고 전후에 개발된 프로펠러수송기에도 이것을 이용한 것이 증가했는데, 제트수송기에 이르러서는 필요불가결하게 되었다.

또한 제트수송기의 성능·신뢰성의 향상에 따라 각종 자장치를 이용한 항법장치가 등장하여 교통기관으로서의 비행기는 지상·해상의 다른 교통기관과 같이 중요한 위치에 서게 되었다. 47년 미국의 C.E.예거가 조종하는 벨X―1로켓기가 세계 최초로 음속을 돌파하였다.

비행기의 속도가 음속(지상에서 약 1225㎞/h, 성층권에서 약 1060㎞/h)에 가까워지면 충격파의 영향으로 공기저항이 크게 증가하므로 이 벽을 뛰어넘어 초음속으로 비행하는 데는 기술적으로 많은 어려운 문제를 해결해야만 한다.

그러나 이 벽도 엔진과 공기역학의 발달로 마침내 돌파되어 53년 무렵에는 제트전투기가 초음속으로 비행하게 되었으며, 86년 현재 세계 최고속인 미국 록히드 SR―7l A는 속도 3529.56㎞/h(음속의 약 3.3배, 즉 마하 3.3)의 기록을 냈다. 지금은 전투기는 물론 정찰기·폭격기 등 다른 군용기도 보통 초음속이다.

민간제트수송기의 속도는 1958년 이래 마하 0.7∼0.85를 고수하고 있는데 그것은 이 정도의 속도가 수송기로서 가장 경제적·실용적이기 때문이다. 그러나 영국·프랑스에서 공동개발한 콩코드, 소련의 Tu―144는 모두 마하 2.0 이상의 속도를 낼 수 있는 초음속수송기(supersonic transport;SST) 이며, 콩코드는 1976년 정기항공로에 취항하였다.

비행기의 고속화와 더불어 대형화도 추진되어 추력20t을 넘는 강력한 제트엔진의 출현으로, 72년에는 500명 이상의 승객 또는 100t 이상의 화물을 싣고 태평양을 무착륙 횡단할 수 있는 점보기도 실용화되었다.

[비행의 원리]

<양력(揚力)>

비행기의 무게를 공기 중에서 지지하는 것은 날개에 작용하는 양력이다. ⑴ 날개에 작용하는 양력:날개는 〔그림 1〕과 같은 단면을 가지며, 비행기가 공기 중을 어떤 속도로 진행하면 그 속도와 동등한 바람이 앞쪽에서 날개에 와 닿는다. 이 바람(공기의 흐름)은 만곡도(彎曲度)가 큰 날개 윗면을 통과할 때는 유속(流速)이 증가하고 만곡이 작은 날개아랫면에서는 유속이 감소한다. 베르누이의 정리에 따르면 유속이 증가하면 압력이 내려가고, 유속이 감소하면 압력이 올라간다.

이 때문에 날개 윗면의 압력은 대기압보다 작아서 음압(陰壓)에 의해 날개를 빨아올리고 아랫면의 압력은 대기압보다 커서 양압(陽壓)이 됨으로써 날개를 밀어올려 양쪽의 작용이 하나가 되어 위를 향하는 양력이 생긴다. 비행기가 일정한 속도로 수평으로 날고 있을 때는 날개의 양력이 기체(機體)의 무게(기체에 작용하는 중력)와 평형을 이루고 있다.

비행기의 무게를 날개넓이로 나눈 값을 익면하중(翼面荷重)이라 하는데, 이는 날개에서 발생하는 1m橈당 양력의 값이 다. 경비행기의 익면하중 값은 50∼100㎏/m橈, 제트수송기는 300∼750㎏/m橈 정도이다.

⑵ 양력과 받음각〔迎角〕의 관계:날개에 양력을 발생시키려면 비행기는 어느 정도의 속도로 공기 속을 전진해야만 한다. 날개에 작용하는 양력의 크기는 속도의 제곱에 비례하고, 날개의 기류에 대한 받음각의 크기에도 비례한다. 〔그림 2〕는 어떤 날개가 여러 가지 받음각으로 공기 속을 날 때의 빠르기와 양력의 관계이다.

비행기는 양력이 무게와 같아진 상태에서 수평비행하므로, 〔그림 2〕의 보기에서는, 560㎞/h로 나는 데는 받음각을 3°로 유지하고 350㎞/h로 나는 데는 날개의 받음각을 9°로 유지할 필요가 있음을 알 수 있다. 일반적으로 빨리 날 때는 받음각을 작게 하고 느리게 날 때는 받음각을 크게 하는데, 이와 같은 받음각의 크기는 승강키 또는 수평안정판을 조작하여 조정한다.

⑶ 실속(失速):받음각을 크게 하면 양력은 거의 비례하여 커지나, 받음각이 어떤 한도를 넘으면 공기의 흐름이 날개 윗면에서 떨어져 날개 뒤쪽에 소용돌이를 만들게 된다〔그림 3〕. 그리고 받음각이 어느 각도를 넘으면, 그 이상 받음각을 늘려도 양력은 오히려 감소하면서 공기의 소용돌이가 심해져 날개로서의 작용을 잃어버린다. 이 상태를 실속이라 한다. 받음각을 실속각 이상으로 크게 해도 양력은 증가하지 않으므로 실속각에서의 속도(실속속도) 이하에서는 이미 기체의 무게를 지탱할 만큼의 양력을 낼 수 없다.

즉 실속속도는 비행기가 날 수 있는 최소속도이다. 자동차나 배 등 보통의 교통기관은 어떤 속도로도 달릴 수 있으나 비행기는 최소속도 이하로는 날 수 없다. 일반적으로 익면하중이 큰 비행기는 최소속도가 크고 익면하중이 작은 비행기는 최소속도도 작다.

⑷ 고양력장치(高揚力裝置):날개의 양력을 늘리는 대표적인 장치로서는 플랩을 들 수가 있는데, 오늘날의 비행기에는 거의 모두 장착되어 있다. 플랩을 내리면 날개단면의 만곡도가 늘어나 큰 양력을 얻을 수 있으므로 낮은 속도로 기체의 무게를 지지할 수 있다〔그림 4〕.

따라서 같은 익면하중이라도 최소속도를 줄일 수 있다. 반대로 최소속도를 같은 값으로 고정시키더라도 플랩을 사용하여 익면하중을 크게 함으로써 고속비행을 할 수 있다. 플랩을 내렸을 때 날개 뒷부분과 플랩 앞부분 사이에 틈이 벌어지게 한 것을 슬롯플랩이라 하며, 플랩효과가 한층 높아진다. 플랩이 몇 개로 나뉘어 2개 또는 3개의 틈이 있는 것도 있다. 날개의 뒷부분만이 아니라 앞부분에도 플랩을 장착하여 앞쪽 플랩과 뒤쪽 플랩을 병용하면 아주 크게 양력을 늘리는 효과를 낼 수 있다.

<항력(抗力)과 추력>

날개에 양력을 발생시키기 위해 어떤 속도로 공기 속을 진행하면 날개 및 비행기 전체에 공기저항(항력)이 작용한다.

⑴ 항력과 양항비(揚抗比):항력의 값은 양력과 마찬가지로 속도의 제곱에 비례한다. 양력과 항력의 비를 양항비라 하는데 동일한 받음각을 유지하며 날 경우 양력과 항력 모두 속도의 제곱에 비례하므로 양항비는 받음각만 일정하면 속도와 무관하게 일정하다. 이와 반대로 비행선의 경우에는 양력이 가스주머니의 정부력(靜浮力)이므로 속도에 무관하게 일정하고, 항력은 속도의 제곱에 비례하여 증가한다. 따라서 비행선의 양항비는 속도가 증가함에 따라 점차 저하한다. 비행선이 고속교통기관으로 적합하지 않은 것은 이 때문이다.

⑵ 추력:비행기가 전진하는 데는 항력을 극복하기 위해 프로펠러나 제트기관 등의 추력으로 비행기를 추진해야만 한다. 비행기가 수평정상비행을 하고 있을 때는 양력이 중력과 평형을 이루고 추력이 항력과 평형을 이룬다〔그림 5〕. 비행기에 작용하는 모든 힘이 평형을 이루므로 뉴턴의 운동법칙에 따라 그 상태가 계속 유지된다.

속도가 빨라지면 항력이 증가하므로 엔진의 스로틀 레버(throttle lever;자동차의 액셀러레이터에 해당)를 열어 추력을 늘려야 한다. 그러나 받음각을 그대로 두면 양력이 속도의 제곱에 비례하여 증가함으로써 중력보다 커져 균형이 깨지게 된다. 따라서 승강키 또는 수평안정판을 조작하여 받음각을 줄여 양력이 중력과 같아지도록 조정해야 한다. 자동차의 경우 주행속도를 조절하는 데는 액셀러레이터만을 조작하면 되나, 비행기의 경우에는 스로틀 레버와 받음각을 조정하기 위한 조종간을 동시에 조작해야 한다.

<이착륙 속도와 거리>

어떤 비행기에도 각각 최소속도가 정해져 있어 앞서 말했듯이 그 속도이하로는 날 수 없다. 따라서 이륙할 때는 정지상태에서 엔진의 스로틀 레버를 전부 열어 활주를 개시한 뒤 점차 이륙에 안전한 속도가 되면 기수(機首)를 일으켜 세워 날개의 받음각을 늘림으로써 지면에서 떨어져 뜨게 된다.

이륙에 안전한 속도는 보통 최소속도의 1.15∼1.2배이다. 익면하중이 큰 비행기는 일반적으로 최소속도(이륙속도)가 크므로 그만큼 오래 활주해야 한다. 비행기가 활주를 시작한 지점에서 지면을 떠나, 고도 15m(터빈수송기는 10.5m)까지 이르는 데 필요한 거리를 이륙거리라 한다. 착륙할 때는 최소속도의 1.3배 정도의 속도로 진입하여 기수를 일으켜 세우고 감속하여 안전한 착륙속도로 접지한다. 이때 착륙속도는 당연히 최소속도보다 커야 하며 보통은 최소속도의 1.1∼1.2배이다.

접지하고 나서 바퀴의 브레이크, 날개의 스포일러 등을 사용해서 감속하나, 정지하기까지 어느 정도의 거리를 활주해야 한다. 이륙 때와 반대로 고도 15m를 통과하면서부터 접지·지상활주를 하여 정지하기까지의 거리를 착륙거리라고 한다〔그림 6〕. 익면하중이 큰 비행기는 착륙거리가 길다.

<주요 조종장치>

비행기에는 승강키·도움날개·방향키 등 3개의 주요한 키가 있다.

⑴ 승강키:승강키는 수평안정판의 뒷부분에 힌지(hinge)를 이용하여 설비되어 있으며, 조종석에서 조종간을 앞으로 당기면 올라가고 밀면 내려간다. 승강키가 올라가면 수평꼬리날개에 아래로 향하는 힘이 발생하므로 기수가 올라감으로써 날개의 받음각이 커진다. 반대로 승강키를 내리면 날개의 받음각이 작아진다. 조종간을 앞으로 당겨 날개의 받음각을 크게 하는 것을 상승키, 그 반대를 하강키라고 한다〔그림7― ①〕.

상승키라는 말이 주는 느낌으로 인해 상승키만 잡으면 비행기는 언제까지나 상승할 수 있을 것이라고 생각하기 쉽지만 비행기가 상승하는 데는 여유추력(같은 속도로 수평비행할 때에 대한 추력의 여유)으로 비행기를 끌어올려 줄 필요가 있다. 상승하는 데 필요한 절대조건은 여유추력이다. 반대로 비행기를 하강시키기 위해서는 스로틀 레버를 닫아 엔진의 추력을 줄인다.

추력이 수평비행에 필요한 값보다도 작아지면 비행기는 수평비행을 할 수 없게 되어 하강한다. 급강하폭격기 등은 별도로 하고 민간기가 하강하는 경우에는 속도를 떨어뜨리는 쪽이 안전하므로 추력을 줄이고 상승키를 잡아당겨 날개의 받음각을 크게 한다. 상승키·하강키는 날개의 받음각을 크게 하거나 작게 하는 키로서, 비행기의 상승·하강과 직접 결부되지는 않는다는 점에 주의해야 한다. 상승키 또는 하강키를 당긴 결과 비행기가 상승하는가 하강하는가는 스로틀 레버의 가감으로 결정된다. 승강키 대신 수평안정판의 각도가 변해도 상승키·하강키와 같은 효과를 낼 수 있다.

⑵ 도움날개:도움날개는 좌우의 주날개 끝쪽 뒷가장자리에 힌지로 부착된 키 면으로서 좌우 어느 한 쪽을 올리면 다른 쪽이 내려가도록 연결되어 있다. 왼쪽 도움날개를 데리고 오른쪽 도움날개를 올리면 왼쪽 날개 끝부분은 만곡이 큰 단면이 되므로 양력이 증가하고, 오른쪽 날개 끝부분은 양력이 감소하므로 왼쪽 날개가 올라가고 오른쪽 날개는 내려가는 모멘트가 생긴다. 따라서 도움날개를 조작함으로써 기체를 좌우로 기울이거나 기운 것을 회복시킨다.

⑶ 방향키:방향키는 수직안정판의 뒷가장자리에 힌지로 부착되어 있다. 방향키를 오른쪽으로 굽히면 수직꼬리날개에 왼쪽으로 향하는 힘이 발생하여 기수는 오른쪽으로 향하고 왼쪽으로 굽히면 왼쪽으로 향한다. 방향키는 보통 발로 페달을 밟아 조작한다. 오른쪽 페달을 밟으면 기수는 오른쪽으로 향하고 왼쪽을 밟으면 왼쪽으로 향하는 모멘트가 생긴다〔그림 7― ②〕.

⑷ 조종법:조종자는 앞에서 기술한 3개의 키와스로틀 레버를 조작하여 그 작용의 조합으로 비행기의 속도·자세·비행상태 등을 자유로이 변화시킬 수 있다. 배나 자동차에 비해 비행기의 운동은 3차원이어서 복잡하므로 키의 조작도 훨씬 복잡하다. 우회전 때 배는 키를 오른쪽으로 굽히기만 하면 되지만 비행기의 경우에는 도움날개로 기체를 오른쪽으로 기울게 하면서 방향키를 오른쪽으로 굽혀 기체에 작용하는 양력·중력·원심력 모멘트가 평형을 이루도록 해야 한다〔그림 8〕.

이러한 평형이 잘 유지되지 않으면 기체는 선회할 때 안 또는 밖으로 횡활(橫滑)한다. 선회반지름을 작게 하려면 원심력이 커지므로, 여기에 대항하기 위해 기체의 경사각(bankangle)을 크게 하고 양력의 수평성분을 크게 해야 한다. 선회할 때 지름이 작은 군용기 등에서는 경사각을 60∼90°까지로 하는 경우가 있다. 이것을 수직선회라 한다.

급격한 선회를 하는 자동차에 타고 있으면 좌우방향의 관성력을 느껴 불쾌한데, 비행기의 경우 어떠한 급선회를 해도 경사각을 바로 잡으면 원심력(관성력)과 중력의 합력이 좌석에 대해 수직인 곳에 있으므로 타고 있는 사람은 횡관성력(橫慣性力)을 전혀 느끼지 못한다.

⑸ 수평꼬리날개 및 수직꼬리날개:비행기에 작용하는 힘이 평형을 이룬 상태로 비행하고 있을 때 돌풍 등에 의하여 균형을 잃으면 조종사가 균형을 바로잡기 위한 조작을 하지 않아도 비행기 스스로 원래의 균형상태로 돌아가는 것이 바람직하다. 이러한 성질을 비행기의 안정성이라고 하는데, 안정성은 보통 세로안정〔縱安定〕·가로안정〔橫安定〕·방향안정(方向安定)의 3가지로 분류한다.

세로안정은 수평꼬리날개가 담당하는데, 예를 들어 일정한 받음각으로 날고 있던 비행기가 돌풍을 만나 받음각이 커지면 수평꼬리날개의 받음각도 커지므로 수평꼬리날개에 위로 향하는 힘이 발생하여 기수를 내리려는 모멘트가 작용하고 비행기는 원래의 자세로 돌아가게 된다. 마찬가지로 방향안정은 수직꼬리날개가 맡는데, 진행방향에 대해 기수의 방향이 평형상태에서 왼쪽 또는 오른쪽으로 진동하면 수직꼬리날개의 작용으로 원래의 평형상태로 돌아가게 된다.

⑹ 날개의 쳐든각(dihedralangle):비행기가 가로로 기우는 것은 주로 날개의 쳐든각에 의해 자동적으로 수정된다〔그림 9〕. 기체는 좌우 중 어느 한쪽으로 기울어지면 기운 방향으로 횡활을 시작한다. 기체에 쳐든각이 있으면 내려온 쪽 날개는 가로로 바람을 맞게 되므로 기체의 기울기를 수평으로 하려는 모멘트가 작용한다. 수직꼬리날개도 가로안정에 도움이 된다. 기체가 왼쪽 또는 오른쪽으로 기울어 그 방향으로 활주하면 수직꼬리날개는 가로바람을 받아 기울기를 회복하려는 모멘트가 발생한다.

[각부 구조]

비행기의 각부 명칭은 일반적으로〔그림 10〕과 같다. 엔진·연료탱크 및 그 부속장치·배관 등을 통틀어 동력장치라 한다. 그리고 조종장치·계기류·항법통신장치·전기계통·유압계통(油壓系統)·여압장치 등을 통틀어 장비라 한다. 비행기에서 동력장치와 장비를 제외한 것이 기체인데, 이것은 주날개·동체·꼬리날개·착륙장치 등으로 되어 있다.

<기체(機體)>

기체는 다양한 상태에서 비행기에 작용하는 하중을 견뎌낼 수 있도록 튼튼하면서도 가벼운 구조이어야 한다.

⑴ 기체의 강도와 재료:기체의 각 부분이 어느 정도의 강도를 필요로 하는가는 기종에 따라 다르며 나라마다 내공성(耐空性) 기준이 정해져있다. 수송기를 예로 들면 보통보다 3.75배의 하중이 작용해도 기체가 파괴되지 않는 것으로 정해져 있으나, 곡예용 비행기의 경우에는 운동이 격렬하므로 하중배수가 9.0배로서 수송기보다 훨씬 튼튼하게 만든다.

수송기도 곡예용비행기와 같이 강하게 만들면 좋다고 생각할 수도 있으나 구조를 튼튼하게 할수록 그 무게가 커져 승객·화물·연료 등을 싣는 능력이 떨어지므로 합리적으로 결정해야 한다. 가볍고 튼튼한 기체의 구조방식으로 현재 널리 이용되는 것은 알루미늄합금을 사용한 응력외피구조(應力外皮構造)이다. 이것은 알루미늄합금의 얇은 판으로 외형을 이루고 그 안에 강도부재(强度部材)나 보강재를 부착한 세미모노코크 구조이다.

최근의 고속기·대형기 등에는 그 일부에 알루미늄합금 대신 강도가 크고 내열성이 뛰어난 티탄합금을 사용하는 것도 있다. 특히 마하 2.5 정도를 넘는 초음속기에서는 공력가열(空力加熱) 현상으로 기체표면의 온도가 200℃ 이상까지 올라가므로 여기에 견딜 수 있도록 기체전체를 티탄합금으로 만들 필요가 있다.

공력가열이란 비행기가 고속으로 공기 속을 날 때 공기와 기체의 충돌 및 마찰로 발열하는 현상이며 비행기가 성층권을 날 때 기체 중 가장 고온이 되는 부분의 온도는 마하 2에서 117℃, 마하 2.5에서 215℃, 마하 3에서 333℃, 마하 4에서 637℃, 마하 5에서 1027℃로 점점 높아진다. 최근에는 기체재료로 가늘고 강한 보론섬유나 탄소섬유를 에폭시수지 등으로 굳힌 복합재료가 각광을 받고 있다.

⑵ 후퇴날개형식:음속에 매우 가깝거나(遷音速)음속 이상인(超音速) 고속영역에서는 날개의 윗면과 아랫면에서 발생하는 충격파의 피해를 줄이기 위해 날개에 후퇴각을 주는 것이 유효하다. 후퇴각의 값은 속도(마하 수)가 증가할수록 커지며, 일반적으로 천음속기에서 35° 이하, 마하 1.4에서 45°, 마하 2에서 60° 정도가 표준이다.

후퇴각이 큰 경우에는 대부분 뒷가장자리를 직선으로 이어 삼각날개로 만든다. SST인 콩코드의 경우에는 동체에 붙이는 밑부분의 후퇴각이 75°에 이르는 특수한 삼각날개를 채택하고 있다. 후퇴각이 큰 후퇴날개는 고속일 때는 공기저항이 작아 유리하나, 저속일 때는 발생하는 양력의 값이, 후퇴각이 없는 직선날개에 비해 낮아 불리하다. 따라서 고속으로 날 때는 후퇴날개, 저속으로 날 때는 직선날개에 가까워지도록 비행중에 후퇴각을 자유롭게 변화시킬 수 있는 가변(可變)후퇴날개도 일부 군용기에 사용한다.

⑶ 주날개:주날개는 연료탱크나 접는 다리의 수납장소로도 이용되며 날개구조의 일부를 기름이 새지 않는 구조로 만들어 그대로 연료탱크로 사용하기도 한다. 이것을 인티그럴탱크라 한다. 주날개에는 플랩과 도움날개가 장착되어 있으며 윗면에 스포일러가 장착된 것이 있다.

스포일러를 세우면 그 뒤쪽에 소용돌이가 생겨 날개의 양력이 감속하고 공기저항이 뚜렷하게 증가하므로 착륙활주 때 감속하는 브레이크로서 유효하다. 그리고 기체의 활공각은 양력과 항력의 비로 결정되므로 스포일러를 세워 양력을 줄이고 항력을 늘리면 활공각, 즉 강하각이 커지므로 착륙진입할 때 강하각을 가감하는 데 효과가 있다.

⑷ 꼬리날개:꼬리날개는 주날개와 같은 구조이며 기체를 조종하거나 평형·안정을 유지하는데 이용된다. 보통 수평꼬리날개와 수직꼬리날개로 되어 있는데, 수평꼬리날개에 30° 정도의 쳐든각을 가지게 하면 수직꼬리날개의 역할도 겸할 수 있게 된다. 이것을 V형꼬리날개라 한다. 제트엔진을 동체 꼬리부분에 장비하는 이른바 리어엔진형에서는 수평꼬리날개를 보통의 위치보다 높게 할 필요가 있으며, 아주 높게 하여 수직꼬리날개 위에 T형으로 실은 것이 대부분이다. 이것을 T형꼬리날개라 한다.

⑸ 동체:동체의 내부에는 조종실·객실·화물실 등이 배치되며, 각종 장비품의 수납장소로도 이용된다. 제트기나 터보프롭기는 일반적으로 공기밀도가 낮은 고공에서 고성능을 발휘하므로 산소부족이나 기온·기압의 급격한 변화로부터 승무원이나 승객을 보호하기 위해 동체 내의 압력을 높여 여압동체(與壓胴體)로 만들 필요가 있다. 이것은 제트엔진에서 직접 고압공기를 분기(分岐)하거나 다른 압축기로 공기를 압축하여 얻은 외기(外氣)보다 압력과 온도가 높은 공기를, 온도를 조정하여 실내에 순환시키는 것인데 아무리 고도로 날아도 실내의 기압은 고도 2400m에 상당하는 값보다 떨어지지 않도록 조절하는 것이 일반적이다.

⑹ 착륙장치:착륙장치는 타이어 바퀴와 유압완충장치를 조합한 다리로 이루어지며, 주바퀴(maingear)의 앞에 앞바퀴가 있는 앞바퀴형(nosegeartype)과 주바퀴의 뒤에 뒷바퀴가 있는 뒷바퀴형(tailgear type)이 있다. 오늘날에는 지상정지 때 기체의 자세가 비행 때와 큰 차이가 없고 지상활주중의 안정이 좋은 이유 등으로 앞바퀴형이 많다. 비행중의 공기저항을 줄이기 위해 다리를 날개·나셀·동체 속으로 넣을 수 있게 만든 것을 접개들이 장치라 한다. 주다리의 바퀴에는 브레이크가 붙어 있다.

<엔진의 장비>

제트엔진의 장비법(裝備法)은 초기에는 많은 종류가 있었으나 오늘날에는 민간기와 군용기로 각각 표준형이 있다. 민간제트기는 쌍발 이상이 많고, 일반적으로 2∼3개의 콘 볼트(conebolt)와 트러니언 마운트(trunnionmount)에 의해 고정되는 포드 마운트(podmount) 방법을 사용하는 리어엔진형이 표준이 되었다.

리어엔진형은 프랑스의 카라벨수송기에 처음으로 이용된 형식이며 엔진 위치가 높아서 지상의 이물(異物)을 흡입할 염려가 적고 엔진에서 생기는 소리의 일부가 날개에서 반사되어 지상에 이르지 않으므로 소음이 적으며, 날개의 영향으로 엔진흡입구의 기류의 방향변화가 적은 등의 이점이 있다. 그러나 꼬리부분에 중량물(重量物)이 장착되므로 기체 앞뒤의 균형을 잡기가 힘들고, 엔진 정비가 힘드는 등의 결점이 있어. 오늘날에는 중·소형기에 흔히 이용된다.

<각종 장비품>

비행기가 고성능화·대형화됨에 따라 근대적인 비행기에는 각종 장비품이 적재되며, 비행기 전체 중에서 장비품이 차지하는 가격·무게의 비율은 증가하고 있다. 즉 과거에는 인간의 감각이나 운동신경·체력에 의지하여 비행기를 운항해 왔으나 점차 인간 자체의 힘으로는 운항이 불가능하게 되어 그 대리 또는 보조역할을 할 장비품을 필요로 하게 된 것이다.

먼저 비행기의 현재의 상태 또는 환경에 대한 올바른 정보를 승무원에게 알려주는 것이 계기류·항법장치·통신장치이다. 계기류는 비행기의 속도·고도·상승률 등의 성능, 비행기의 자세, 엔진·프로펠러의 상태 등을 지시하는 것이 대부분이며, 앞쪽의 계기판에 장착되어 있다.

항법장치는 지상의 각종 시설에서 전송된 전파를 받아들이거나 기상(機上)의 레이더를 사용하여 기체의 현재위치·방위·대지속도(對地速度) 등을 알려준다. 통신장치는 지상 또는 다른 비행기와 교신을 하는 것으로, 항공교통관제소에서 보낸 지시나 기상통보 등을 전달한다.

승무원은 각 장치에서 얻은 정보에 바탕을 두고 비행기를 운항하나, 최근의 비행기에는 3키의 조종, 다리나 플랩의 내림과 올림 등 인력으로는 무리한 것이 많으므로 인간의 능력을 보충하기 위하여 유압장치와 전기장치가 장비되고 있다. 이들 장치의 유압펌프와 발전기는 엔진의 보기구동부(補機驅動部)로 구동된다. 또한 조건에 따라서는 인간 이상의 정확한 작동을 하는 자동조종장치(오토파일럿)도 사용함으로써 인간의 능력을 보충하면서 동시에 노동력도 절감한다.

[현상과 장래]

<대형화·고속화>

비행기 중에서 수송기는 과거에 비해 대형화되고 있다. 이것은 세계적으로 ① 항공여객과 항공화물이 해마다 계속 증가하고 있다는 점 ② 수송기의 운항경비 중에서 운항승무원의 비용 등이 대형기와 소형기가 비슷하게 들기 때문에 대형기일수록 승객 1인당(또는 화물1t당) 운항비용이 낮아지는 점 등에 의한 것이다.

또한 군용기의 경우에는 긴급한 대량수송을 위해 대형화가 추진되었다. 과거에 거인기라 불렸던 수송기는 매우 비실용적이었으나 오늘날의 거인기는 엔진과 구조설계의 진보로 주력실용기(主力實用機)로서도 성공한 것이 커다란 진보라 할 수 있다.

현재의 최신기술을 이용하면 보잉747보다도 우수한 대형기를 만들어낼 수 있으나 실제로 개발하는 데는 거액의 비용이 들어 경제성이 문제된다. 한편 대형화와 함께 고속화도 중요한 과제중의 하나이다. 오늘날의 제트수송기의 대부분은 마하 0.8 전후의 속도로 비행하는데, 이것은 1950년대 초기의 제트수송기와 거의 변함이 없다.

그 이유는 속도가 음속에 가까워지면 공기저항이 급속히 증가하므로 음속 직전의 속도로 나는 것이 가장 경제적이기 때문이다. 이보다 큰 경제적인 속도는 마하 2 이상이다. 이 속도로 비행하는 SST와 같이 장거리를 계속 초음속으로 순항하는 데는 엔진과 기체의 공력적(空力的)인 형태를 초음속에서의 연료소비가 적게 되도록 고안해야 한다. 또한 재료도 공력가열에 견딜 수 있어야 한다.

<공해와 그 대책>

비행기 공해는 이착륙 때의 소음이 가장 크며 그 밖에 초음속 비행 때의 소닉붐이 있다. 또한 배기가스도 있는데, 배기가스가 전체대기오염에서 차지하는 비율은 작다.

⑴ 소음:비행기에서 소음이 발생하는 근원은 주로 엔진이며, 프로펠러기시대에는 문제가 되지 않았을 뿐 아니라 오히려 매력의 하나로 생각되던 시대도 있었다. 그 뒤 제트기가 나온 후 소음이 크게 문제되었다. 제트엔진은 가스를 뒤쪽으로 분출하고 그 반동으로 추력이 발생하는데, 이 경우 특히 초기의 제트기에 많았던 갠이 없는 제트엔진인 경우에는 가스의 분출속도가 매우 크므로 그것이 주위의 공기와 섞일 때 발생하는 격렬한 공기의 혼란이 제트소음이 된다.

제트기가 대형화하여 엔진의 출력에너지가 증대하면서 소음도 점점 커져 공항 주변에 공해를 일으키게 되었다. 이에 따라 1969년 미국의 연방항공국(FAA)은 새로 개발하는 수송기에 대해 소음의 최저기준을 정하고 이것을 충족시키지 못하면 형식증명을 교부하지 않았다. 이어서 1970년 국제민간항공기구(ICAO)도 거의 같은 기준을 채택하였다.

1977년에는 더 낮은 소음을 요구하는 새로운 소음 기준도 만들어 그뒤 세계 어느 곳에서나 새로 개발되는 수송기는 이 기준 이하의 소음특성을 가지게 되었다. 제트엔진의 소음은 배기가스에 의한 제트소음과 터보팬에서 나는 팬소음이 가장 크다.

제트소음을 줄이는 방법으로는 ① 터보팬의 바이패스비를 될 수 있는 한 크게 하여 배기 전체의 속도를 줄이거나 ② 엔진의 뒷부분에 제트배기와 팬 후류(後流)를 섞는 믹서를 장착하는 것 등이 있다. 팬소음을 적게 하는 데는 ① 팬의 움직날개와 고정날개의 공력간섭을 줄이거나 ② 엔진의 덕트 내, 그 밖의 부분에 흡음재(吸音材)를 붙이는 방법 등이 있다.

이와 같은 방법으로 오늘날의 높은 바이패스비의 터보팬엔진을 장착한 수송기는 초기의 제트수송기보다 소음이 20d B 정도나 낮다. 지상에 미치는 소음을 줄이기 위해 이륙 때의 상승각과 착륙진입 때의 하강각을 크게 하면 저고도를 나는 일이 적어지므로 지상의 소음은 그만큼 적어진다.

⑵ 소닉붐:비행기가 음속 이상의 속도로 비행하면 동체 앞쪽 끝과 주날개 앞가장자리 등에서 충격파가 발생한다. 충격파는 공기의 압력이 일순간 조금 상승하는 파로서, 지상에 도달하면 폭발음처럼 들리는데 이 현상을 소닉붐이라 한다. 그 압력상승이 클 경우에는 건물의 유리에 금이 가거나 그 밖에 여러 가지 피해를 준다.

일반적으로 압력상승이 0.5/1000 기압 이내라면 전혀 문제가 되지 않지만 2/1000 기압을 초과하면 피해가 크다. 소닉붐의 피해를 줄이는 데는 비행고도를 높이는 것이 가장 유력한 수단이다. 고도가 높아질수록 비행기에서 발생한 충격파는 공기 중으로 전달되는 동안에 감소하여 지상에 도달할 즈음 약해지기 때문이다.

<안전성>

항공의 안전은 비행기 자체 외에 그것을 다루는 승무원, 지상에서 지원하는 사람과 설비 등의 협력으로 유지된다. 비행기의 안전성을 위해서는 우선 닥쳐올 기상환경에 대하여 기체의 강도를 대부분의 난기류에 견딜 수 있게 하고, 낙뢰(落雷)에 대비하여 기체 각부의 전기적인 접속을 완전하게 하고, 착빙(着氷)을 방지하기 위해 제빙장치(除水裝置;deicer)를 갖춘다.

기체의 파손과 고장을 철저히 방지하고, 파손되었을 경우에도 안전하게 비행을 계속할 수 있도록 기체구조에 손상허용성을 갖게 하거나, 장비가 고장나면 자동적으로 다른 장비로 교체되도록 되어 있다.

그리고 조종사가 최소작업량으로 조종할 수 있도록 눈과 손을 되도록 적게 움직이게 하고, 조종석 주위를 보기 쉽고 조작하기 쉽게 설계한다. 비행기의 상승력이나 비행성은 한쪽 엔진이 정지해도 안전하게 날 수 있도록 여유를 갖게 한다. 화재에 대비해서도 필요한 장소에 방화벽이나 화재탐지경보장치·소화장치를 부착하여 내화성을 높인다.

그리고 사고 뒤의 안전을 위해서는 비상착륙 때 객석이 9G의 감속도에도 견딜 수 있게 하고, 정지한 뒤 화재가 나면 확산되기 전에 전원이 90초 이내에 탈출할 수 있도록 비상탈출구의 수나 탈출용슬라이드(자동팽창식 미끄럼대), 비상용 기내조명에 관심을 기울여야 한다.

이와 같이 비행기 안전에 필요한 것은 각국 정부가 내공성기준(耐空性基準)으로 정하고 있다. 비행기를 개발할 때는 내공성기준에 맞는 설계임을 여러 가지 시험과 계산을 통해 증명하여 정부의 형식증명(型式證明)을 받아야 한다. 그리고 비행기 1대마다 형식증명과 같은 안전성이 유지된다는 정부의 내공증명(耐空證明)이 필요하며, 이것이 없으면 비행할 수 없다.

내공성기준은 때때로 개정되어 안전성에 대한 요구가 점차 높아짐으로써 새로 개발하는 비행기일수록 이 강화된 요구에 맞추고 있다. 그리고 필요할 경우에는 이미 운항중인 비행기에도 안전성을 높이기 위한 개조를 지시한다.

<새로운 기술>

비행기는 여러 가지 기술을 종합하여 제작되나, 전자공학이 진보함에 따라 새로운 기술이 개발, 도입되었다.

⑴ CCV(control configured vehicle):<조종장치가 기체의 형태를 결정하는 항공기>의 뜻이나 일반적으로 운동능력향상기로 번역된다. 과거 비행기의 조종장치는 조종간·방향키페달과 키면을 줄·막대로 연결하여 사람이 직접 움직이는 방식이 사용되어 왔다. 그 뒤 비행기가 대형·고속화 됨으로써 사람의 힘으로는 키를 움직이기 어렵게 되자 유압을 사용한 기력조종장치, 전선·컴퓨터를 통한 조종장치(FBW;flyby wire) 등이 새로운 비행기에 장착되었다.

FBW식의 조종장치는 컴퓨터로 키를 자동적으로 움직임으로써 비행기의 안전성을 높이고 기체 구조에 작용하는 힘을 줄일 수도 있다. 이러한 키의 자동조작으로 기체의 안전성이나 강도를 보충하는 방법을 ACT(active control technology)라 한다. ACT를 이용하면 종래보다작은 꼬리날개로 충분한 안전성을 유지하거나 약한 기체구조라도 비행중 작용하는 힘에 안전하게 견딜 수 있으므로, 기체의 공기저항과 무게를 줄일 수 있다.

처음부터 ACT를 사용하는 것을 전제로 전체를 설계한 비행기를 CCV라 한다. CCV는 소형고성능 컴퓨터와 전기식조종장치를 이용하여 어떻게 하면 기체의 안전성을 유지할 수 있는가를 순간적으로 계산, 그 결과를 전기신호로 바꾸어 도움날개나 방향키를 움직여 자동적으로 조절한다. 이렇게 함으로써 기체의 자세를 바꾸지 않고 상하좌우로 이동할 수 있는 등 종래에 할 수 없었던 공중기동이 가능하다.

CCV의 전투기가 출현하면 공중전에서 재래식 전투기에 비해 압도적으로 유리하고 대지(對地) 공격능력도 향상된다. 미국은 F―16전투기를 개조한 CCV실험기를 만들어 시험비행을 한 바 있으며, 영국·프랑스·독일 등에서도 개발, 실용화를 서두르고 있다.

⑵ STOL과 VTOL:STOL기는 짧은 활주로에서 이착륙이 가능하도록, VTOL기는 수직이착륙이 가능하도록 고안된 비행기이다. 소형·저속(低速)의 STOL기는 다양하게 실용화되었다. 그러나 본격적인 파워드 리프트(프로펠러의 후류나 제트배기 등 기체의 동력을 이용하여 양력을 높인다)의 중·대형 STOL기는 지금까지 시험기가 여러 가지로 제작되었으나 실용화된 것은 일본의 신묘와〔新明和〕 PS―1 대잠비행정(對潛飛行艇)과 그 개조형인 US―1 구난기(救難機) 정도였다.

그러나 1980년대 중기에 소련의 안토노프 An―74수송기가 실제로 운용되기 시작하였고 미국에서는 대형 STOL수송기 맥도널 더글러스 C―17의 개발을 추진하는 등 군용기를 주체로 점차 용도가 다양해졌다.

한편 VTOL을 실용화한 것은 영국의 BAc해리어전투공격기와 미국에서 생산한 맥도널 더글러스 AV―8, 소련의 야코블레프Yak―36전투기 뿐이었다. 그러나 최근 적의 공격으로 활주로의 일부가 파괴되어도 군용기로서 행동을 계속할 수 있는 V―STOL전투기 연구도 활발하다.

⑶ 복합재료:비행기는 1930년 무렵부터 알루미늄합금을 주재료로 이용하였다. 그러나 60년대 무렵부터 더욱 가볍고 강한 복합재료를 기체구조에 응용하는 연구가 시작되어 목재·금속에 이어 제3의 주재료로서 주목되고 있다. 항공기용의 복합재료로는 먼저 1940년대부터 유리섬유를 합성수지로 굳힌 FRP(섬유강화플라스틱)를 사용하기 시작하였다.

유리FRP는 지금까지도 레이돔(radome;레이더안테나의 덮개)이나 키면 등에 널리 사용되고 있으나 가볍고 강한 반면에 힘이 작용하였을 때 변형이 약간 커서 글라이더나 경비행기를 제외하면 날개나 동체의 주재료로는 거의 사용되지 않았다.

그러나 1960년 무렵부터 연구하기 시작한 복합재료는 탄소섬유·보론섬유·알라미드섬유 등을 에폭시 수지 등으로 굳힌 것으로 지금까지 주재료였던 알루미늄합금보다 가볍고 튼튼하며 힘을 주었을 때 변형도 적다. 기체 구조에 사용하면 알루미늄합금보다 25% 정도 무게를 줄일 수 있으므로 앞으로도 발전이 기대된다.

보잉767의 키면, 에어버스A320의 꼬리날개 등 민간기의 구조에 확산되어 비치크래프트 스타십 등의 전복합재(全複合材) 기체도 개발되었다. 그리고 섬유를 에폭시 등의 합성수지가 아니라 알루미늄합금 등의 금속 속에 넣은 금속복합재도 있으며, 비행기에 응용하는 연구도 진행중이다.

⑷ 전자식 디스플레이:비행기의 조종석에는 많은 계기와 표시등(表示燈)이 있으며, 대형 수송기의 경우에는 특히 그 수가 늘어났다. 이것은 비행기 진보의 상징으로 생각된 일도 있었으나, 조종사로서는 안전상 이것이 많다는 것은 결코 좋은 일이 아니다. 따라서 많은 계기들을 몇 개의 CRT(브라운관)로 대신하고 여기에 컴퓨터에서 보내온 화상이나 문자를 나타나게 하는 방식으로 발전하였다.

이러한 전자식 디스플레이방식에서는 비행중 시시각각 변하는 상황에 대응하여 조종사에게 필요한 정보만을 선택하여 내보내므로, 조종사는 불필요한 정보에 신경쓰는 일이 없어져 보다 안전하게 조종할 수 있게 된다. 그리고 표시 방법도 화상이나 문자 또는 지금까지의 계기와 동일한 패턴 등 여러 가지 방법으로 바꿀 수 있어 상황에 따른 최적의 표시를 이용할 수 있다. 그리고 운항에 필요한 각종 체크 리스트나, 비행기에 이상이 생겼을 때의 처치 메뉴얼 등도 표시할 수 있어 조종사와 컴퓨터와의 대화도 가능하다. 그 밖에 최근에는 CRT보다 전력소비가 적고 가벼우며 신뢰성도 높은 각종 평형 전자식 디스플레이도 연구하고 있다.

[한국의 비행기]

조선시대 발명가 정평구(鄭平九)가 바람을 타고 공중을 날아다니는 수레인 비거(飛車)를 만들어, 1592년(선조 25) 임진왜란 때 진주(晉州)싸움에서 이것으로 외부와 연락을 하는 한편, 영남의 어느 고성(孤城)에 갇혀 있던 성주를 30리 밖으로 탈출시켰다고 하나, 그 형태와 구조에 대해서는 자세한 기록이 없으므로 이해할 길이 없다.

국내 최초의 비행기 비행은 1913년 용산연병장에서 일본해군중위 나라하라〔奈良原〕가 떴다가 내린 것이 처음이었고, 다음해 1914년 일본 민간비행사 타카소우〔高左右〕가 미국 커티스 겹날개비행기로 용산∼남대문을 비행했으며, 1917년에는 미국인 스미스가 여의도비행장에서 곡예비행을 하였다.

한국인 최초의 비행사(1921년 5월 면허 취득) 안창남(安昌男)은 1922년 12월에 뉴포트 15형 영국 육군기(80마력 엔진의 1인승 단발 겹날개비행기) <금강호>로 여의도비행장에서 고국방문비행을 하였다.

1926년 이기인(李基寅)이 최초로 경성항공사업사를 설립했으나, 다음해 비행사고로 사망하여 무산되었다. 1930년 신용욱(愼鏞頊)이 조선비행학교를 설립, 또 36년 조선항공사업사를 설립하여 서울과 이리·광주간을 운항하였다. 1944년에 조선항공공업주식회사(부산, 신용욱과 일본해군 합작)와 조선비행기공업주식회사(안양, 朴興植이 일본육군의 도움으로 세움)가 설립되었으나 광복으로 곧 폐쇄되었다.

광복 후 한국공군은 1949년 미군으로부터 10대의 L―4연락기를 인수해 최초의 군용항공기를 보유하게 되었다. 6·25가 일어나자 공군은 1950년 7월 미공군으로부더 F―51전투기 10대를 인수해 사용했고, 1954년 3월 폐기 항공기 부품을 활용해 <부활호>라는 경비행기를 제작했으나 실용화되지 못했다.

1955년 6월 이후 F―86F전투기·F―33제트연습기·F―4D팬텀 전투기·C―123항공기 등을 외국으로부터 도입했고, 1980년 이후에는 비행기의 자체생산이 가능해져 1982년 국산전투기 제공호 F―5F를 생산하였다. 순수 우리 기술진이 설계 제작하여 1991년 11월 첫 시험비행을 한 다목적 소형항공기 <창공 91호>는 동체길이 7.7m, 폭 10.2m, 무게 780㎏, 최고비행속도 242㎞/h, 항속거리 1500㎞(1990년《제인연감》)로서, 한국 항공산업의 새 이정표가 되었다. 한편, 광복 이후 현재까지의 민간항공사로는 대한항공과 아시아나항공이 있다.

출전 : [한메디지탈세계대백과 밀레니엄], 한메소프트, 1999
   
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