항공우주학 비행기무게와 속도

비행기 타는 횟수가 늘어나면서 문득 궁금한것이 생겨났다. 비행기는 어떻게 해서 하늘로 날아오를 수 있는지 궁금했다. 항공기의 크기가 늘어나고 무게가 무거워짐에 따라 속도가 빨라져야 한다. 항공기가 날아오르려면 어떠한 방법을 쓰던지 상관없이 충분히 빨라야 하기 때문이다.

 

항공기를 가볍게 할 수 있는 방법

처음에 항공기가 발명되었을때 나무와 천을 이용해서 만들어졌다. 하지만, 시간이 지나면서 속도가 빨라지고 항공기의 크기가 커지면서 무거워지다보니 구조재로 쓰이는 물질들의 강도가 충분하지 않았다. 그래서 1930대에 전체를 금속으로 만든 항공기가 나오기 시작했다. 여기서 쓰인 금속은 알루미늄으로 강도가 충분하여 항공기에 사용하기에 적당하였고, 철보다는 가벼웠으며, 붉은녹이 안슬어서 관리하기도 용이했기 때문이다.

하지만 알루미늄이 붉은녹이 안슨다고 하여도 습기에 산화되었고, 더욱 강한 내구성을 필요로 하는 부분도 있기 때문에 주재료로 쓰기에는 부족한 부분이 있다. 항공기는 가벼울수록 연비가 좋아지는데 알루미늄은 철보다는 가볍기는 해도 금속이기때문에 기본적인 무게가 무겁다.

 

그래서 만들어진 CFRP [carbon fiber reinforced plastics]는 탄소섬유를 강화재로 하는 플라스틱계 복합재인 신소재로 항공기에 매우 적합한 소재이다. 비록 만드는데 금액이 많이 들어가기는 하지만 철보다는 1/4이 가벼우면서 강도는 10배가 좋다. 또한 플라스틱이기에 원하는 틀에 맞춰서 크기나 모양의 제약이 없이 찍어내는게 가능하다.

이말은 곧 항공기의 동체나 날개를 통째로 찍어낼 수 있다는 것이다. 전체적으로 곡면으로 이루어진 항공기는 그만큼 부품도 복잡했었는데 CFRP가 만들어지면서 더욱 우수한 항공기를 만들수 있게 되었다.

 

 

 

비행방법에 따른 고도높이

비행기가 무거울수록 활주로에서 더욱 빨리 달려야 하늘로 날아오르는게 가능하다. 충분한 속력을 얻기 위해서는 활주로의 거리가 충분해야 하는데 항공모함의 활주로 같은 경우네는 거리가 너무 짧다보니 캐터펄트라는 특수 장비를 이용한다. 캐터펄트는 항공기를 짧은 거리에서도 시속 250km 이상으로 발사시키는게 가능한 장비이다.

 

이렇게 활주로를 지나서 이륙한 항공기는 고도를 높여서 비행한다. 높이 올라갈수록 공기가 줄어들고 그만큼 저항도 줄어들기 때문에 항공기의 속력이 빨라진다.  비행방법에 따라 권장하는 고도가 다르다. 헬리콥터는 약 3,000m 프로펠러기 약7,500m, 제트기 약 15,500m이다.

 

항공기는 압축한 공기와 연료를 섞어 폭발하는 힘을 사용하는 제트엔진으로 나는데 너무 높이 올라가면 공기가 없어져서 그 힘을 제대로 사용할 수가 없다. 그러므로 비행방법에 따라서 최적화된 고도가 다 다르다고 볼 수 있다.

 

마하는 유체속에서 움직이는 물체의 속력을 나타내는 단위이며 기호로는 M이다. 마하를 넘어서는 항공기는 주로 전투기로 이루어져있으며, 이 비행체가 마하1을 넘는 초음속으로 비행을 하면 주위의 공기에는 충격파가 생성된다. 보통 전투기는 시속 약2,400km/h의 마하2의 속도로 비행을 하는데 이런 전투기가 빠른 이유는 그만큼 공기로부터 저항이 적은 외형 디자인과 엔진때문이다.

 

1962년 영국과 프랑스가 공동으로 개발한 콩코드는 마하2의 속력을 내고 실제운항을 하였다. 콩코드기의 대서양횡단 비행시간은 2시간 52분이고 평균 속도는 2,000km/h이다. 하지만, 비싼유류비에 따른 과도한 금액과 운항구간이 한정되다 보니 이용이 점차 줄어들었고, 결국 2003년 운항이 중지되었다.