비행기는 어떻게 뜨나요? (고정익 편)

비행기 자체는 매우 오래된 개념이다. 인류가 동력비행에 성공한 것은 얼마 되지 않았으나, 새를 관찰하고 글라이더를 만든 것은 그보다 훨씬 앞선 시기이다. 말하자면, 날개가 양력을 만든다는 사실 자체는 널리 알려져 있는 사실이라는 것이다. 그러나 날개가 왜 양력을 만드는지에 관해서는 잘 알려져 있지 않다.

 

현대의 비행기는 크게 두 가지 종류로 나누어져 있다. 고정익기와 회전익기가 그것이다. 고정익기는 날개가 고정되어 움직이지 않는 비행기들을 말하며, 회전익기는 헬리콥터와 같은 비행기를 의미한다. 우리가 일반적으로 만나는 것은 고정익기로, 보통 동체 중간 즈음에 좌우로 주익이 뻗어 있고, 후방에 수평미익과 수직미익이 장착되어 있다. 이 글에서는 이러한 고정익 항공기가 어떻게 나는지에 관해 알아보겠다.

 

Mikoyan MiG-29

 

기본적으로 비행기를 나는 힘, 추력을 제공하는 부분은 동력부이다. 프로펠러 또는 제트 기관으로 만든 엔진이다. 그러나 동력부에서 만들어낸 힘은 전방으로 가는 방향이기에 날개가 없다면 비행기는 추락한다. 반대로, 아무리 날개가 크더라도 속력이 없다면 추락한다. 따라서 우리는 이렇게 말할 수 있다. 날개는 비행기가 앞으로 가는 속력 일부를 이용해 위로 뜨는 힘, 양력을 만드는 부품이다.

 

우리는 이제 질문을 ‘비행기가 왜 뜨나요?’에서 ‘날개가 어떻게 양력을 만드나요?’로 좁혔다. 그러나 공기의 흐름을 볼 수 없는 우리에게 이 질문은 쉽지 않다. 이 질문에 답하는 대표적인 답 중 하나는, 비행기의 윗날개가 더 길고, 공기 분자는 위아래가 다시 만나야 하므로 위쪽에서 더 빠르게 흘러 압력의 차이를 만든다고 설명하는 것이다. 그러나 다시 생각해 보면 무언가 잘못되었다는 것을 느낄 수 있다. 먼저, 위쪽과 아래쪽을 지나온 공기가 왜 다시 만나야 하는지 이유가 없다. 실제로 실험해보면 위쪽 공기가 아래쪽 공기보다 더 빨리 지나가는 일도 있다. 결정적으로, 종이비행기를 보면 위아래 면적이 정확히 같지만 잘 난다. 심지어 일부 비행기는 위아래가 뒤집힌 상태로 비행할 수 있다. (물론 전투기들이나 가능한 기동이다)

 

비행기가 나는 원리는 조금 더 간단하게 설명할 수 있다. 바로 뉴턴의 운동 법칙이다. 날개 아래쪽에 접촉한 공기 입자들은 날개에 충동한 후 아래 방향으로 편향된다. 이 과정에서 운동량의 변화가 생기고, 그 충격은 날개에 전달되어 비행기를 위로 띄운다. 하지만 이는 반쪽짜리 설명이다. 비행기의 아랫면에 닿은 공기 입자가 날개를 밀어내는 것 이외에도 날개 위쪽을 통과한 입자들을 고려해야 한다. 공기 입자가 비행기 날개 표면에 닿았을 때, 입자는 날개에 붙으려는 성질을 보인다. 일반적으로 비행기의 날개는 위쪽이 볼록하므로 그 선을 따라 움직인 공기 입자는 아래쪽으로 편향된다. 이 또한 날개에 위쪽 힘을 만들어낸다.

 

결론적으로, 비행기의 양력은 아래쪽에서 미는 공기와 위쪽에서 당기는 공기 모두에 의해 발생한다. 그러나 이로써 설명을 끝내면 안 된다. 이 모든 것은 공기 입자가 아래쪽에서 다가와야 성립하기 때문이다. 그렇기에 받음각(AOA)에 대한 설명이 필요하다. 분야에 따라 받음각의 정의가 조금씩 다르기는 하지만, 받음각은 보통 날개의 시위선과 유체의 운동 방향 사이의 각을 의미한다. 즉 비행기가 기수를 들면 받음각이 커지는 것이다. 이 받음각이 0도라면, 아래쪽과 위쪽을 통과한 공기 입자가 모두 그대로 통과하므로 양력이 생기지 않는다. 그러나 이 받음각을 조금 키우면, 날개 아래를 통과하려던 입자들은 충돌하며 양력을 만들고, 위쪽을 통과하려던 입자들은 날개에 붙어 가는 과정에서 아래쪽으로 편향되어 양력을 만든다. 일부 비행기들은 날개 자체의 각도가 변하기도 하지만, 보통 플랩을 아래로 내려 받음각을 올린 효과를 낸다. 종이비행기가 왜 나는지 궁금한 사람들도 있을 것이다. 종이비행기는 플랩도 없지 않은가? 이것은 우리가 종이비행기를 접을 때 아래쪽, 뒤쪽이 무겁기 때문이다. 그렇기에 종이비행기는 자동으로 양의 받음각을 형성하게 되고, 양력을 받을 수 있게 된다. 물론 이 받음각을 만들었다고 해서 곧바로 양력을 받는 것은 아니다. 와서 충돌할 공기 입자, 즉 속도가 필요하다. 비행기가 이륙을 위해 활주로를 질주하는 이유다. 참고로, 받음각 또한 클수록 좋은 것은 아니다. 일반적인 비행기는 10도 내외에서 최고의 양력을 얻으며, 전투기는 그보다 더 큰 30도 부근까지 큰 양력을 얻을 수 있다. 만약 그 이상으로 기수를 들 경우 양력을 급격하게 잃어 조종이 불가능해지는 실속에 빠질 수 있다.

 

지금까지 설명한 내용은 비행기가 날개를 통해 나는 방법이다. 그렇다고 양력을 얻는 방법이 전부는 아니다. 대표적인 것이 추력 편향 노즐(TVC)이다. TVC는 제트나 로켓 엔진을 비행기 또는 미사일에서 이용되는 것으로, 엔진 후방의 분출 방향 자체를 바꿔 추력의 방향을 바꾸는 것이다. 이를 통해 더 급격한 기동을 할 수 있기에 전투기나 미사일, 또는 공기가 희박하거나 없는 곳에서 작동하는 비행체에 이용한다. 하지만 기본적으로 날개가 달린 비행 물체들이 나는 원리는 같다. 날개의 받음각 조정을 통해 공기를 아래쪽으로 편향시켜 얻는 힘으로 양력을 얻는 것이다. 이를 위해서는 초기에 속도가 필요하고, 이것이 비행기에 활주로가 필요한 이유다. 앞으로는 ‘위쪽 공기와 아래쪽 공기가 만나야 한다.’와 같은 설명을 바로잡고, 비행기가 나는 원리를 잘 설명할 수 있기를 기대한다.