(강석진)자유탐구-비행기의 이륙원리

[강석진]

[비행기]
 
* 추진장치를 갖추고 고정날개에 생기는 양력(揚力)을 이용해 비행하는 항공기의 총칭.
 
[비행기의 원리]
 

비행기의 중량을 공중에서 지탱하는 것은 날개(주날개)에 작용하는 양력이다. 비행기가 공기 속을 어떤 속도로 전진하면 그 속도와 같은 바람(공기의 흐름)이 날개에 닿는다. 이 공기의 흐름은 만곡(彎曲)이 큰 날개의 윗면을 통과할 때는 유속(流速)이 빨라지고, 만곡이 작은 아랫면에서는 유속이 느려진다. 베르누이의 정리에 따르면 유속이 증가하면 유체의 압력이 감소되고, 반대로 유속이 감소되면 압력은 증가된다. 그러므로 날개의 윗면에서는 부압(負壓:negative pressure)이 생겨서 날개를 빨아올리고, 아랫면에는 정압(正壓:positive pressure)이 생겨서 날개를 위로 밀어올려, 이 상하면의 작용이 합쳐져서 날개에는 상향(上向)하는 양력이 생긴다. 비행기가 일정한 속도로 수평비행을 할 때에는 날개의 양력이 기체(機體)의 중량과 균형을 잡는다.

날개에 양력을 발생시키기 위해서는 비행기를 어떤 속도로 공기 속을 전진시켜야 한다. 날개의 양력의 크기는 속도의 제곱에 비례하며, 또 날개의 기류에 대한 받음각[迎角:angle of acttack]이 커질수록 양력도 대략 그것에 비례해서 커진다. 비행기는 양력이 중량과 같아진 상태에서 수평비행을 하므로 빨리 비행할 때는 받음각을 작게 하고, 느리게 비행할 때는 받음각을 크게 해야 한다. 이와 같이 받음각을 크게 하면 양력은 대략 그것에 비례해서 커지지만, 받음각이 어느 한도를 넘으면 날개 윗면의 공기의 흐름이 표면의 점에서 벗어나 그 뒤의 기류가 흐트러진다. 그리하여 어떤 받음각을 넘으면 그 이상의 받음각을 증가해도 양력은 오히려 감소되고, 더구나 흐트러짐이 심해져서 날개로서의 기능이 나빠진다. 이러한 상태를 실속(失速)이라고 하며, 이때의 비행기 속도를 실속속도라고 한다.

받음각을 실속점 이상으로 크게 해도 양력은 증가되지 않으므로, 실속속도 이하의 속도에서는 이미 기체의 중량을 지탱할 만한 양력을 낼 수가 없다. 즉, 실속속도는 비행기가 수평비행을 할 수 있는 최소속도이다. 일반적으로 지상 또는 수면 위에서 움직이는 타고 다닐 수 있는 물체는 어떤 느린 속도로도 달릴 수 있으나 비행기는 한정된 최소속도 이하에서는 비행할 수 없다. 비행기의 총중량을 날개의 면적으로 나눈 값을 날개하중(wing load)이라고 한다. 이것은 날개의 1 m2의 면적당 몇 kg의 양력을 내는가의 값을 나타낸다. 고속의 제트 수송기는 1m2당 600kg 정도이지만, 경비행기는 50~100kg 정도이다. 비행기가 일정한 속도로 수평비행을 하고 있을 때는 추력과 항력(抗力)이 균형이 잡혀 있다.

추력이 항력보다 클 때 비행기는 상승하고 추력이 항력보다 작을 때는 이 힘의 부족을 보충하려고 비행기는 하강한다. 어떤 비행기든지 각기 최소속도가 정해져 있어 그 속도 이하에서는 비행할 수 없으므로, 지면으로부터 이륙할 때는 그 최소속도 이상이 될 때까지 지상을 활주하여 가속에 의해 필요한 양력을 얻어야 한다. 또 착륙할 때도 최소속도 이상의 속도로 접지(接地)하므로 정지할 때까지 지상을 활주하여 그 사이에 감속해야 한다. 보통의 비행기가 이착륙할 때 지상활주가 불가피한 것은 이 때문이다.