'날개'에 해당되는 글 2건

  1. 2009.09.23 날고 싶다면 날개를 꺾어라! (3)
  2. 2008.08.25 프로펠러와 날개가 만나다
 
모형 비행기의 날개를 꺾어버리면 어떻게 될까? 엄마한테 혼날 게 틀림없다. 아이의 장난감을 부러뜨린 아빠라면 아이의 울음을 견뎌내야 한다. 하지만 항공기를 개발하기 위해서는 종종 날개를 꺾기도 해야 한다.

비행기의 날개를 ‘꺾는다’는 표현이 조금 이상하게 들리겠지만 비행기의 날개 모양을 살펴보면 대부분 앞뒤로 조금씩 ‘꺾인 형태’인 것을 알 수 있다. 속도를 빨리 내기 위해서는 비행기의 날개를 뒤로 젖히는 모양을 가지는 것이 유리하기 때문이다.

비행기가 처음 나왔을 때 날개 모양은 위에서 봤을 때 직사각형이었다. 직사각형 날개는 공기 역학적인 구조로는 비효율적인 부분이 많지만 제작이 쉽고 비용이 많이 들지 않기 때문에 오늘날에도 초경량 비행기나 저속 항공기 등에 많이 사용되고 있다.

비행기의 속도가 빨라지면서 점차 타원형 날개, 긴 사다리꼴 모양의 테이퍼 날개, 삼각 날개(Delta Wing) 등이 등장하였다. 이후 음속을 돌파하기 적합한 형태인 뒤로 젖힌 날개 ‘후퇴익’과 앞으로 젖힌 날개 ‘전직익’이 탄생하는 등 다양한 날개로 발전되었다.

<다양한 날개의 모습>

고속비행에 적합한 새로운 날개 형태는 제트기의 등장과 함께 나타났다. 날개가 뒤로 꺾어진 형태의 후퇴익이었는데, 이는 가급적이면 충격파가 덜 생기면서도 음속에 가깝게 날기 위해서 날개를 젖히는 아이디어였다. 후퇴익은 날개가 곧게 펴진 직선형태의 날개보다 공기의 압력을 적게 받고, 압축된 공기를 날개의 길이 방향으로 흘러가게 했기 때문에 고속비행에 적합했던 것이다.

비행기가 날고 있을 때 공기의 흐름은 날개 위에서 계속 빨라지게 되는데, 비행기가 음속에 가까워지면 날개 위에 음속보다 빠른 공기의 흐름이 생길 수 있다. 따라서 날개 위에 공기가 불안정한 지점이 나타나고, 이 때 충격파가 생기면 비행기가 잘 날 수 없는 상태에 빠질 수 있다.

또 비행기가 음속에 가깝게 빨라지면 공기가 압축되어 날개에 부딪히게 되는데, 이 때 비행기의 입장에서 보면 비행기 몸체가 공기의 벽을 뚫고 지나는 형태가 된다. 따라서 비행기 날개는 공기의 압력을 견딜 수 있을 만큼 강하게 제작돼야 하며 공기의 저항을 효과적으로 줄일 수 있는 형태가 필요하다.

그러나 후퇴익은 저속에서 오히려 비행기를 뜨게 하는 힘(양력)을 손해 보게 만드는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 고속 비행 때 후퇴익이었다가 이착륙 때의 저속에서는 직사각형 날개에 가까운 형태가 되는 새로운 형태의 날개가 개발됐다. 뒤로 꺾였다 펴졌다 하며 모양이 변한다고 해서 ‘가변익기’라 한다.

<가변익 모델(왼쪽)과 F-111 전투기의 실제 가변익 모습. 사진 제공. 한국항공우주연구원>

후퇴익 이외에도 비행기의 날개를 아래, 위, 양쪽 옆 등 다양한 방향으로 젖힌 모양도 이미 만들어져 활용되고 있다. 아래위로 날개를 꺾는 ‘상반각(Dihedral)’과 날개 길이 방향으로 비트는 ‘비틀림각(Twist Angle)’ 등이 그것이다. 이들은 비행기 조종석에 앉았을 때 시계 방향이나 반시계 방향으로 비행기가 흔들리는 것을 막아주는 효과가 있다.

앞으로 꺾는 ‘전진익(Swept Forward Wing)’은 특히 고속에서 빠른 기동을 가능하게 해 준다. 전직익기는 우주전쟁 영화에 나올 법하게 멋있게 생겼지만 구조적으로 만들기가 어렵고 조종하기도 까다로워 그 동안 시험적으로만 제작돼 왔다. 최근 복합재료 등 신소재 개발과 컴퓨터 발달로 머지않아 좀 더 많은 전진익기를 볼 수 있을 것으로 기대된다.

최근에는 날개에서만 양력을 얻을게 아니라, 동체에서도 양력을 얻으면 어떨까하는 생각에서 플라잉 윙(Flying Wing)이나 블랜디드 윙 바디(Blended Wing Body) 같은 비행기도 생겨났다.

<왼쪽부터 ①일반적인 항공기, ②블랜디드 윙 바디, ③하이브리드 플라잉 윙, ④플라잉 윙>

비행기 날개를 만들기 위해 우리의 상상력이 많이 적용된다. 다만 하나가 좋아지면 뭔가 손해를 보게 되는데, 가장 적게 손해 보면서 많은 이익을 추구하고자 비행기를 설계하는 과학자들은 오늘도 컴퓨터와 씨름하고 실험실에서 밤을 지샌다.

글 : 안석민 한국항공우주연구원 항공연구본부 공력구조팀장


ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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여름을 생각할 때 머릿속에 가장 먼저 그려지는 풍경은 뜨거운 태양 아래 끝없이 펼쳐진 넓은 바다이다. 그리고 이 그림에 배를 하나 추가해 보자. 어릴 적 초등학교 운동장에서 그리던 돛단배보다 훨씬 크게. 자, 여러분은 운동장만한 배 정도면 충분하다고 생각할지 모르겠지만 이제부터 소개할 선박의 크기는 상상을 초월한다. 이 선박들은 길이가 보통 300m 이상인데 실감이 잘 나지 않으면 63빌딩(높이 약 250m)을 물 위에 누인 것보다 더 크다고 보면 된다. 생각만 해도 입이 떡 벌어지는 이런 대형 선박들이 바로 우리나라에서 생산되고 있다는 사실!

커다란 덩치의 대형 선박들이 물 위에 떠 있는 것도 신기하지만 배 끝에 달려 있는 프로펠러 한두 개의 추진력으로 대양을 누빈다는 점도 참 신기하다. 사실 거친 파도를 뚫고 빠르게 움직이는 배를 만들기 위해서 각 조선소는 물의 저항을 최소로 받게 하는 부드러운 유선형의 배 디자인과 큰 추진력을 낼 수 있는 최적의 프로펠러를 개발하는 데 끊임없는 노력을 기울이고 있다.

프로펠러의 주기능은 회전운동을 직선운동으로 바꾸어 주는 것이다. 이러한 원리는 선풍기 날개를 생각하면 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 선풍기 날개는 모터에 의해서 회전을 하지만, 선풍기 날개들은 회전면에 경사가 져서 붙어 있기 때문에 회전을 하면서 앞으로 바람을 밀어주는 직선운동을 일으킨다. 배에 달린 프로펠러는 공기가 아닌 물을 밀어주고 이 힘에 대한 반작용으로 배는 앞으로 나아가게 된다. 하지만 프로펠러 전후의 물의 흐름은 완전한 직선방향의 흐름이 되지 못하고 프로펠러 회전에 의해 소용돌이 같은 회전류가 생긴다.

프로펠러가 회전을 하면 회전축을 중심으로 완전한 대칭이 되는 흐름이 생기는 것이 이상적이지만 현실은 그렇지 않다. 즉, 이론상으로는 프로펠러를 회전할 때는 전진방향으로 밀어주는 방향의 힘과 회전하는 힘만 발생해야 하는데 프로펠러의 상하 압력 비대칭에 의해서 옆으로 밀어주는 힘도 발생하게 된다.

이러한 비대칭의 힘이 상당히 커서 프로펠러를 하나만 설치한 배는 이론과 달리 똑바로 나아가지는 못하고 한쪽으로 조금씩 선회를 하게 된다. 따라서 실제로는 배를 똑바로 앞으로 직진시키고 싶을 때는 오히려 방향타를 약간 틀어주어야 한다. 같은 이유로 프로펠러를 두 개 설치한 배는 두 개의 프로펠러를 서로 반대 방향으로 회전시켜서 옆으로 밀어주는 힘이 상쇄되어 배의 직진성능을 높여준다.

또한 프로펠러가 회전류를 일으킨다는 것은 전진방향의 물의 흐름을 만들어서 배를 앞으로 밀어주는 데 써야 할 에너지가 회전하는 흐름을 만드는 데 낭비되었다는 것이며 이는 결국 프로펠러의 추진효율이 떨어지는 것을 의미한다.

최근에 국내 조선소들이 프로펠러의 단점을 극복하는 새로운 기술로 높은 추진효율을 갖는 배를 건조했다는 기쁜 소식이 잇따라 들리고 있다.

프로펠러 앞부분에 잔류고정날개를 설치한 D 조선업체는 최근에 대형 유조선의 실제 테스트를 성공적으로 끝냈다. 일반적으로 프로펠러는 배의 뒷부분에 설치되기 때문에 프로펠러에 들어오는 물의 흐름은 균일하게 들어오지 못하고 배를 스쳐 지나오면서 복잡하게 된다. 그런데 프로펠러 앞부분에 설치된 전류고정날개는 배에 의해 발생되는 불균일한 물의 흐름을 보다 균일하게 흐르도록 함으로써 프로펠러 하류로 빠져나가는 물의 회전운동 에너지를 최소화하여 효율을 높여주는 데 성공하였다. 실제로 이 업체 32만 톤급의 초대형 유조선에 전류고정날개를 설치해서 테스트를 한 결과 약 5%의 연료절감 효과를 얻었다. 현재 건조 중인 초대형유조선과 컨테이너선에도 이 장치를 탑재할 계획이라고 한다.

프로펠러 뒤의 방향타 앞에 추력날개를 설치한 H 조선업체는 프로펠러 뒤의 회전류를 정류시켜 회전에너지의 손실을 줄여 주면서 동시에 프로펠러 뒤로 발생하는 회전류에 의해 추가적인 양력이 발생하도록 설계하였다. 이 업체는 4~6%의 연료절감 효과가 있는 추력날개를 이미 대형컨테이너선에 적용해서 인도하였고 앞으로도 동급 컨테이너선에 추력날개를 설치할 계획이라고 한다.

사실 회전하면서 추력을 얻는 프로펠러 주위에 회전하는 흐름이 생기는 것은 당연한 현상이다. 하지만 이런 현상들을 하나씩 개선해 나가고자 하는 노력이 오늘날 국내 조선소들이 전 세계 조선업의 기술개발을 선도하고 대한민국이 명실상부한 조선 최강국의 자리를 유지하는 원동력이 되었을 것이다. 앞으로 우리나라 조선소들이 저 커다란 배를 또 어떻게 조금씩 변신시켜 나갈지 기대가 된다.

글 : 유병용 (‘과학으로 만드는 배’ 저자)


ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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