보잉 B777 항공기에 윙렛 (Winglet)이 없는 이유는?

[GT허리케인JJ]

몇일전, 윙렛 (Winglet) 사진을 비행기 사진첩에 올렸습니다. 사진밑 한줄 코멘트에 윙렛의 목적에 대하여 쓰었고, 덧글에 베이더님께서 "뽀대용"도 된다는 말씀에 맞는 말이라고 생각하였습니다. 그리고 나서, 오늘 보잉 ANA 소속 보잉 777-300 (ER) 항공기 사진을 올리고 생각해보니 B777 항공기가 윙렛을 장착한 사진을 한번도 본적이 없다는 사실을 깨달았습니다. 윙렛이 저항을 줄여, 항공기 기름 소비를 효과적으로 줄이고, 항속거리를 늘리는 도움을 주는데, 왜 최신형 B777 항공기에는 이 윙렛이 없을까 궁금해졌습니다.

그래서 오늘 아침 일어나자 마자부터, 나름대로 여러가지 외국 항공 포럼과 현직 아메리칸 에어라인 기장 블로그에 들려서 읽어본 다양한 글들을 종합해 제 나름대로의 이유를 만들었습니다. (포럼과 블로그에는 다양한 의견이 너무 많아서, 무엇이 진짜고 가짜인지 알기 힘들기 때문에, 결론을 내리기 힘들었습니다. 그러므로인해, 지금 제가 내리는 결론에도 오류가 있음을 미리 밝혀둡니다, 틀린점 너그럽게 이해해주세요)

우선, 윙렛에 대해서 짧게 설명하겠습니다. 윙렛 (Winglet)이란 무엇인가? 위 보잉 737 항공기 사진을 보시면, 동체에서 나온 날개가 계속 가다가, 날개 끝부분이 계속 똑바로 가지않고, 수직으로 솟아 올라온 모습을 보실수 있습니다. 이것을 윙렛이라고 하고, 이것은 저항 (Induced Drag)을 감소시키기 위해 항공기 제작사에서 만들어논 장치입니다. 몇몇 항공기들은 이 윙렛이 옵션 (Option) 사항이라, 주문을 할때, 추가 할수 있고, 또 몇몇 항공기는 필수 사항이고, 아예 윙렛이 옵션으로 없는 항공기들도 있습니다.

 

일단, 항공기가 양력을 만들어 내는 원리부터 살펴보면, 날개를 따라 흐르는 공기가 날개의 모양으로 인해, 날개위에는 빠르게 흐르게 되고, 날개밑에는 상대적으로 천천히 공기가 흐르게됩니다. 그결과, 속도가 빠른 날개위는 저기압 (Low)이 될것이고, 속도가 느린 날개밑은 고기압 (High)이 될것입니다. (베르누이) 기압은 항상 고기압에서 저기압으로 흐르려 하기 때문에, 고기압인 날개밑에서 저기압인 날개위로 흐르려는 힘이 발생하고 이것을 우리가 흔히 말하는 하늘을 나는힘, 양력이라고 부릅니다.

 

제일 첫번째 그림의 "+"는 고기압을 나타내고, "-"는 저기압을, 날개밑에서 솟아오르는 화살표는 양력을 나타냅니다. 그리고 양옆 화살표는 앙력이 만들어질때 생기는 부산물인 Wing Tip Vorticies 모습입니다.

 

항공기 저항은 크게 두가지로 나뉘지는데 (블로그 Pilot Knowledge 섹션, 한서대 문답 참조), 양력이 발생하면서 생기는 저항을 Induced Drag라고 합니다. 이 저항은 앙력 발생과 동시에 생기기 때문에, 이것을 항공기 제작사에서는 최소화 하려고 노력하고 있습니다.

 

윗 두번째 그림을 보면, 날개끝에는 공기가 부드럽게 흐르지 못하고, 터뷸런스로 변하는 모습을 보실수 있습니다. 마지막 그림을 보시면, 고기압 날개 밑에서 나온 공기가, 저기압인 날개 위로 올라와 날개를 내리 누르는 힘이 발생됩니다. 이처럼 날개끝에는 Vortices가 발생되어, Induced Drag가 증가하게 됩니다.

 

항공기를 효과적으로 운항하기 위해서는, 양력의 부산물인 Induced Drag를 줄여야한다는 점을 깨달은, 미 항공 우주국 (NASA) 소속 Richard Whitcomb 박사가 1970 중반, 윙렛에 대한 연구를 시작하여, 세계 최초로 보잉 707 항공기에 윙렛을 장착하여, 날개의 효율을 끌어올리는데 성공하게 됩니다.

 

(윙렛 더보기 -> http://www.soaridaho.com/Schreder/Technical/Winglets/Masak.htm)

 

이처럼 날개끝에서 발생되는 Vortices가 날개끝을 꺽어 만든 윙렛이라는 장치로 인하여 없어지거나 줄어들기 때문에, 항공기는 저항을 덜 받게 되고, 그 결과 기름소비가 적어지고, 항속거리가 늘어나는 장점이 생기게 됩니다. 이 윙렛이라는 장치는 한쪽당 (기종별) 대략 우리돈 1억에서 5억정도 한다고 합니다.

 

 

자, 그럼 다시 본론으로 들어가서 이처럼 훌륭한 윙렛 (Winglet)이라는것이 보잉 최신형 기종인 777에는 없을까? 위에 멋지게 착륙하는 대한항공 777 사진을 보시면, 날개가 동체에서 나와 그냥 밋밋하게 끝나는 모습을 보실수 있습니다. 이렇게 윙렛이 없이 깔끔하게 끝나는 날개를 흔히 clean-sheet이라고 부릅니다.

앞에서도 말했듯이, 보잉 트리플세븐 (777)기종은 보잉사의 최신형 기종중 하나입니다. 보잉사가 777을 디자인을 할때 세계 최초로 모든 디자인을 100% 컴퓨터를 이용해서 하였다고 합니다. 그결과, 모든 aerodynamic 계산을 컴퓨터가 하여, 최소의 저항, 최고의 효율등을 치밀하게 계산하여 탄생한 기종입니다.

날개도 마찬가지로 최고의 효율성을 가진 날개를 만들려 노력하였습니다. 보잉사 디자이너들은 항공기의 효율을 위하여 윙렛을 달려하였지만, 윙렛이 않고 있는 단점이 눈에 띄었습니다. 윙렛을 장착하면 저항은 줄어들지만, 윙렛 자체가 또다른 항공기의 추가무게가 되기 때문에, 중량이 늘게 됩니다. 또한, 날개끝에 수직으로 장착해야하기 때문에, 견고해야하는 날개 구조가 윙렛으로 인하여, 복잡해지고 그 결과, 날개의 견고성이 떨어진다는 단점들을 발견하고 다른 방법을 찾으려 노력하였습니다.

 

여러가지 연구와 실험을 하면서, 보잉사 엔진니어와 디자이너들은 새로운것을 알게 됩니다. 그들은 보잉 747 항공기를 가지고 여러가지 실험을 하던중, 보잉 747 항공기에 장착되어 있는 윙렛의 4/5 길이 만큼 날개 길이를 늘리면, 윙렛과 같은 비슷한 저항 감소와 효율 증가가 있다는 사실을 발견하게 됩니다.

 

 

항공기 날개의 효율을 이야기할때, 사람들은 흔히 Aspect Ratio를 사용합니다. 이것은 날개의 좌우 총길이를 앞뒤 총길이로 나눈 비율을 이야기 하는것인데, 만약 이 비율이 높다면, 굉장히 효율이 좋은 날개고 (예를 들어, 글라이더) 비율이 낮은 날개는 별로 효율적이지 못한 날개입니다.

 

위에서 언급했듯이, 보잉 777 항공기 날개는 윙렛 길이의 4/5만큼 길어졌고, 그결과 Aspect Ratio가 좋아지는 결과를 가지게 됩니다. 그러므로 인해, 윙렛을 달지도 않고, 윙렛을 달았을때와 같은 효율을 내는 날개가 탄생되었고, 윙렛이 않고 있는 문제점도 단번에 해결을 하게 됩니다.

그럼 여기서 한가지 질문이 생깁니다.  현재 최신형 보잉 737-800,900 항공기와 점보 보잉 747-400등 항공기는 윙렛을 여전히 달고 다니는데, 이들도 마찬가지로 날개 길이를 늘려 윙렛을 없애면 되지 않나?

세계적으로 인정받는 유명한 프랑스 항공기 디자이너인 Marcel Dassault은 이렇게 말했습니다.

"제대로 디자인된 항공기 날개는 윙렛이 필요없다. 이것은, 예전 기술이고 항공기 날개의 단점을 보완하는것이다. 이들이 윙렛을 다는 이유는, 날개를 새롭게 디자인해서 통째로 바꾸는것보다 윙렛을 디자인해 날개끝에 다는것이 쉽고, 비용이 적게 들기 때문이다, 결국 자신들이 예전 실수를 보완하는 장치인것이다"

"그렇다고해서 윙렛이 쓸모없다는 말은 아니다. 오래전 디자인된 날개의 단점을 훌륭하게 보완해주는 기구이기 때문에, 친창받아야 마땅하다. 하지만, 윙렛은 반듯히 항공기 효율만을 생각해야한다. 요즘 보면, 작은 터보프롭부터 시작해, 자기가 직접만든 초경량 비행기까지, 윙렛을 단다. 좁은 공간에 그걸 왜 다나?"

"몇일전, 최신형 비지니스 제트인 걸프스트림을 산 Joe Clark씨에게 물었다. 왜, 윙렛을 옵션으로 달아서 항공기를 주문하였냐고 물었더니,"look like the newer Gulfstreams", 순간 할말이 없었다"

많은 항공기들이 윙렛을 사용하는것은 사실이고, 윗 내용은 오직 보잉사의 생각을 쓴것이고, 에어버스의 생각과는 다르기 때문에, 최신 기종에 윙렛과, 윙펜스 (사진처럼 최신 초대형 기종인 A380 항공기는 윙렛이 아닌 윙펜스를 달아 저항을 줄인다)를 다는 에어버스가 최신 기술을 가지지 못했다는것은 아닙니다.

 

보잉 777 뿐만 아니라 보잉 767 항공기도 윙렛이 있는 기종을 보기가 힘든데, 최신 보잉 767-400과 최신 777 기종은 윙렛과 비슷한 개념이지만, 다른 장치인 "Raked Wingtips"를 만들어 저항을 줄입니다. 위 사진에서 보시면, 예전 보잉 762 기종은 날개가 밋밋하게 끝나지만, 최신 764 기종을 보시면, 날개끝이 자체 SweepBack (후퇴각) 구조를 가진것을 보실수 있습니다. (밑 ANA 777 날개끝 참조)

 

 

사람들은 비행기를 말할때, 흔히 "과학의 결정체"란 말을 많이 합니다. 이처럼, 비행기에는 우리가 모르는 세세부분까지 최첨단 과학이 숨어있습니다. 오늘도 세계의 많은 항공기 제작사 엔지니어와 디자이너들은 이러한 최첨단 과학을 이용, 더 안전하고 효율적인 항공기를 만들려고 노력하고 있습니다. 이렇게 항공기의 발전에 힘을 쓰고 있는 모든 분들을 위해 감사해야하는 마음을 가져야 될것입니다.

There are lots of ways of achieving the same gains by redesigning the wing. Often winglets are used when the aircraft manufacturer wants to squeeze additional efficiencies out of an existing wing design rather than go for a clean design.

However, usually you would have to make the wing longer in order to achieve the same effect without winglets. In many cases this is not desirable or practical. The 747-400 got winglets because Boeing wanted to keep the wing short enough to be usable in all existing airports. I believe the A330/340 had similar considerations. They didn't want to exclude the aircraft from many airports or gates by extending the wings.

The downside is that it's another piece of equipment attached to the airplane, requiring inspection, maintenance, etc. Japan Airlines specifically ordered a number of 747-400s without the winglets, for use on short-haul flights. They determined that the small efficiency gains would not be significant on short haul flights at lower altitudes.

The 777 was designed without winglets. Boeing determined that they could get all the performance and efficiency they needed from the wing while still permitting it to fit into existing gate areas for an aircraft of that size.

[당근이지]

허리케인님,,대단해요~~윙렛에 대한 세로운 이해가됍니다,,좋은자료감솨,,~~

[진영이]

참고로 Aspect ratio 는 항공기의 목적 및 용도에 따라서 달라집니다. Aspect ratio 가 커지면 양항비가 좋아지기때문에 효율은 좋아지지만 퍼포먼스라는 측면에서는 오히려 손해입니다. 커진 면적만큼 많은 항력을 받기때문이지요. 일반 민항기나 글라이더의 날개가 길고 큰 이유는 이러한 속도측면이(급가속이나 감속등) 중요한 요소가 아니기 때문입니다. 민항기에서는 비행시간과 비행거리가 더 중요한 문제이지요. 하지만 군용기에서는 이러한 항공기의 퍼포먼스가 더 중요한 문제가 됩니다. 효율은 그 뒷전이죠. 그래서 군용기의 경우는 Aspect ratio가 민항기에 비해 월등히 작습니다. 연료효율을 포기하는 대신에 고성능을 얻는것이죠.

[June]

좋은정보 감사합니다. 다만, 사진이 안나오는게 아쉽습니다.

[도레미]

정말 좋은 글이네요 잘 봤습니다.^^