비행기는 어떻게 날까?

양력은 무엇일까?

비행기의 역사

[객원 에디터 기자 5기 / 황시후 기자] 하늘을 나는 것은 인류의 오래된 꿈이었다. 열기구, 비행선, 헬리콥터 등등, 그 꿈을 실현해 주는 다양한 항공기들이 있는데, 오늘은 가장 대중적인 이동수단인 비행기에 대해서 알아보겠다. 

세계 최초로 실질적인 비행에 성공한 비행기는 미국의 라이트 형제(The Wright brothers)가 만든 ‘플라이어 호’이다. 1903년 12월 17일, 동생인 오빌(Orville Wright)이 직접 만든 비행기를 조종하여 12초 동안 36m를 비행하였다. 그러나 인류는 이보다 앞서 여러 형태의 항공기로 하늘을 나는 데 성공하였다.

15세기 레오나르도 다빈치가 공중으로 뜨는 힘과 공기저항을 연구하는 것부터 시작해, 1783년 10월 프랑스 P. 로지에는 발명한 열기구와 비슷한 가벼운 기체를 이용하는 기구를 타고 인간으로서는 최초로 비행했으며, 19세기 후반부터는 추진장치 (기관과 프로펠러)가 비행선에 장착되어 1891년 독일에서는 날개의 양력을 이용하는 글라이더를 만드는 데 성공했다. 그 후 드디어 라이트 형제의 동력 비행기에 의해 인류의 꿈은 실현되었다. 

1900년도 초에만 해도 날개, 엔진 등의 데이터는 비행기를 만들기에 충분히 발전했었지만, 라이트 형제는 기대했던 만큼 충분한 양력을 얻을 수는 없었다. 그래서 라이트 형제는 독자적으로 ‘풍동’을 제작해 베르누이의 정리를 활용할 수 있게 되었다. 풍동이라는 인공 기류를 일으키는 터널형 장치는 라이트 형제가 정확한 양력 데이터를 수집할 수 있게 했고, 그 결과 라이트 형제는 비행에 성공했다.

비행기에는 양력, 양력에 반대되는 중력, 앞으로 가는 힘인 추진력, 이에 반대되는 힘인 저항력이 복합적으로 작용한다. 더불어 라이트 형제의 동력비행기는 베르누이의 정리에 기초한다. 이 정리는 유체가 관을 따라 이동할 때 압력과 속도는 반비례한다는 것이고, 단면적 넓이가 큰 부분에서 상대적으로 작은 부분으로 이동할 때, 속도는 높아지고 압력은 낮아진다는 것이다. 이때 중요한 점은, 총에너지는 보존되어, 압력으로 존재하던 힘이 속도로 바뀐다. 

공기가 날개의 단면을 보여주는 밑 이미지 왼쪽에서 오른쪽으로 분다고 할 때, 날개 위쪽에서 공기가 더 빠르게 움직인다는 것을 볼 수 있다. 자연스레 날개 밑쪽은 공기흐름이 느려지면서, 속도가 변하게 된다. 베르누이의 정리에 의해 속도가 높아진 날개 윗면에선 압력이 낮아지고, 밑면에서는 압력이 높아진다. 압력은 높은 곳에서 낮은 곳으로 적용되기 때문에, 위로 밀어 올리는 힘이 만들어진다. 이 힘, 즉 양력으로 인해 비행기는 위로 뜨는 것이다.

라이트 형제 이후 1차 세계대전을 겪으면서 비행기 제작 기술은 급격히 발전했다. 1915년 최초의 금속 비행기가 출연한 뒤 1942년에는 Me-262라는 최초의 제트기가 나왔고, 그로부터 5년 뒤인 1947년 소리의 속도보다 빠른 초음속 비행기가 개발되었다. 최근에는 적의 레이더에 잡히지 않는 ‘스텔스기’의 무인 버전이 개발되고 있는데, 사람이 타지 않기 때문에 빠른 속도로 비행할 수 있다는 것이 장점이다. 

한국 또한, 1991년 국내기술로 처음 개발한 창공-91부터 지금은 사람이 타지 않는 무인 비행기로써 지능형 자율비행과 수직 이착륙을 할 수 있는 스마트 무인비행기의 개발이 진행 중이다.