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

아빠, 하늘 오래 나는 종이비행기 하나 만들어 주세요.”
“종이비행기? 아니 갑자기 웬 종이비행기?” 퇴근해서 집에 들어오자마자 양과장의 바지를 잡고 말하는 현민이를 보고 놀란 양과장이 되물었다.
“친구들이 만든 종이비행기는 멀리 잘 날아가는데 내가 만든 종이비행기는 자꾸 땅에 헤딩만 해요.” 풀이 죽어 말하는 현민이에게 양과장은 평범한 종이비행기보다 좀 더 오래 날고 안정적으로 잘 날아가는 종이비행기를 만들어 주기로 마음먹었다.

저녁밥을 먹은 뒤 양과장은 현민이를 불렀다.
“현민아, 우리 아주 멀리 날아가는 종이비행기 한번 만들어 볼까?”
“네~ 아빠 빨리 만들어 주세요!”
“그래~ 우리 같이 만들어 보자.”
양과장과 함께 종이비행기를 만들던 현민이가 문득,
“그런데 아빠, 비행기는 어떻게 하늘을 나는 거에요?”라며 궁금해했다.
“아빠가 비행기가 나는 원리를 설명해 줄게. 비행기는 크게 4가지 힘으로 하늘을 난단다. 그것은 바로 추력, 항력, 양력, 중력인데, 이 4개의 힘은 각각 비행기의 앞, 뒤 그리고 위, 아래로 작용을 하지.”

“그럼 그 추력은 무엇을 말하는 거에요?”
“요 녀석 급하기는…. 우선 추력은 비행기에 달린 제트엔진이나 프로펠러 엔진을 통해 앞의 공기를 끌어당겨 뒤로 보내면서 비행기를 앞으로 나아가게 하는 힘을 말해. 그리고 항력은 이에 대한 반대의 힘으로 비행기가 앞으로 나아가지 못하게 하는 힘이지. 이를테면 공기의 저항이 바로 항력이라 말할 수 있어. 그리고 공기의 힘으로 비행기를 위로 떠올리는 힘을 양력이라 한다면 비행기를 지상으로 잡아당기는 힘을 중력이라고 한단다. 이 4가지 힘은 서로 주거니 받거니 하면서 비행기를 위로 올리기도 하고 내리기도 하고 앞으로 나아가게 만들기도 해.”

“아웅~ 이해가 잘 안 돼요. 좀 더 쉽게 설명해 주세요.”
“알았다. 그럼 예를 들어 설명해 줄게. 일단 비행기 앞의 프로펠러가 돌면서 공기를 밀어내면 비행기는 앞으로 나아가려는 추력이 생겨. 하지만 앞으로 나아갈 뿐이지 위로 뜰 수는 없단다. 이 추력 때문에 비행기 날개 주위로 공기의 흐름이 빨라지게 되는데, 이때 비행기의 날개에서 양력이 생겨 하늘로 뜰 수 있지. 이 양력은 베르누이 법칙에 의해서 비행기가 뜰 수 있는 힘을 얻게 되는 거고.”
“베르누이 법칙이요?”

“응. 베르누이 법칙이란 유체에 작용하는 압력이 유체가 빨리 흐르면 작아지고, 유체가 느리게 흐르면 그 압력이 커진다는 법칙이야. 비행기 날개에 이 법칙을 적용해 보면 어떻게 비행기가 뜰 수 있는지 알 수 있지. 현민아! 전에 우리가 공항에서 본 비행기 날개는 어떻게 생겼었는지 기억하니?”
“네~ 비행기 날개 윗면은 유선형의 둥근 모습이고 아랫면은 평평했어요.”
“그래, 잘 봤다. 추력으로 밀어낸 공기의 흐름이 이 날개를 지나면서 비행기가 하늘로 붕 뜨는 마술이 일어난단다. 그 이유는 날개 위로 올라 이동하는 공기는 속도가 빨라지고 아래로 지나가는 공기는 위의 공기보다 상대적으로 낮은 속도로 이동하기 때문이야. 이때 베르누이 법칙에 의해 날개 위의 압력은 낮아지고 아랫부분의 압력은 커져. 바로 이런 압력의 차이 때문에 날개가 위로 들려 올려지게 되고 비행기가 뜰 수 있게 되는 것이지.”

“정말 그런 공기의 힘으로 그렇게 무거운 비행기가 뜰 수 있는 거예요?”
“그럼~ 실제로 대형 비행기가 하늘을 날기 위해서는 추력과 날개의 양력 그리고 날개 끝 부분에서 위아래로 움직이는 플랩이라고 말하는 보조 날개 등이 복잡하게 작용해야 가능하지만 기본 원리는 앞서 말한 추력과 양력으로 나는 거라 볼 수 있단다.”
“와! 정말 신기해요. 그럼 아빠, 우리가 만든 종이비행기도 정말 잘 날 수 있겠죠?”
“공기의 흐름을 잘 제어할 수 있는 비행기를 만든다면 아주 멀리 잘 날 수 있을 거야.”
“빨리 만들어서 날려봐요. 어서요.”
“알았어. 이 녀석아 하하~”


[실험방법]
준비물 :
- 1번 비행기 : A4지 1장, 스카치테이프
- 2번 비행기 : 좀 두껍고 빳빳한 종이 2장(잡지 커버 정도 두께), 빨대 2개, 스카치테이프

[진행순서 - 1번 종이비행기]
1. 4A지 종이를 넓은 면을 위아래로 둔 다음 밑 부분을 약 3cm 정도로 접는다.
2. 3cm로 접은 부분을 다시 위로 접어 A4지의 중간 부분까지 갈 정도로 계속 접는다.
3. 접힌 방향을 위로 한 상태에서 원통이 되도록 종이 양 끝 부분을 스카치테이프로 붙인다.
4. 이렇게 제작된 종이비행기를 날린다.
(그냥 날리게 되면 잘 날아가지 않는다. 던질 때 비행기가 회전할 수 있도록 부드러운 손목 스냅으로 회전을 주면 안정적으로 날아간다. 던지는 요령이 필요하다.)

[진행순서 - 2번 종이비행기]
1. 두꺼운 종이를 길게 자른다.
- 한 장은 세로 7cm 가 되도록 자르고 한 장은 세로가 4cm 정도 되도록 자른다.
2. 이렇게 자른 종이를 각각 끝 부분을 붙여 2개의 원통이 되게 한다.
3. 원통의 윗부분과 아랫부분을 표시한 뒤 빨대를 이용해 두 개의 원통을 연결한다.
(이때 빨대의 위치가 정확하게 원통의 윗부분과 아랫부분(180도)에 연결 될 수 있도록 한다. 만약 빨대의 길이나 위치가 차이가 나면 종이비행기가 똑바로 날지 못하고 한쪽으로 휘게 된다. 이때 종이비행기 앞부분에 클립을 끼우면 좀 더 안정적인 비행이 가능하다.)
4. 이렇게 제작된 종이비행기를 날린다.


[실험 Tip]
- 기본 종이비행기의 경우 날개는 넓지만 날개가 움직이지 않도록 버텨주는 힘이 없기 때문에 공기의 양력을 유지하기 어렵다. 하지만 이렇게 제작된 종이비행기의 경우 비행기를 앞으로 날려 보내는 추력으로 인해 발생한 공기의 흐름을 원통 모양의 날개가 안정적으로 유지해 주기 때문에 양력을 유지하는데 유리하다.

글 : 양길식 과학칼럼리스트



 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >