비행기 역학 교과서(비행기 교과서 시리즈)

비행기는 어떻게 하늘로 날아오르는가

인문지식인을 위한 항공 역학 메커니즘 해설



비행기에 탑승해서 창문 밖을 바라보는 순간, 활주하고 떠오르는 항공기가 보인다. 그 모습을 보고 있으면 호기심이 생기곤 한다. 비행기는 왜 둥그런 모양일까? 날개는 왜 뒤에도 달려 있는 걸까? 몇백 톤이나 되는 거대한 기체를 날게 하는 힘은 무엇일까?

수많은 질문이 생겨도 '항공 역학'이라는 단어를 접하는 순간, 과학은 어렵다는 생각에 답을 찾는 일을 포기해버린다. 하지만 항공 역학은 생각보다 단순하다. 쉽게 말해 비행기를 움직이고 날게 하는 힘을 알아가는 과정이다. 《비행기 역학 교과서》는 항공 역학을 처음 접하는 사람이라도 쉽게 이해할 수 있다. 비행기 설계부터 조종까지 항공 역학이 적용되는 모든 부분을 해설하고, 실제 비행기 도면과 다양한 그래프와 실험으로 이해를 돕는다.



비행 원리를 알면 모든 항공기의 움직임이 이해된다!

글라이더 / 제트 전투기 / 곡예비행기



라이트 형제가 세계 최초로 사람을 태운 동력 비행에 성공한 이후로 백여 년이 흘렀다. 그동안 비행기는 공기 저항을 줄이는 착륙 장치와 주날개를 뒤로 젖히는 방식으로 훨씬 빨라졌고, 기체의 꼬리에 날개를 더해 안정성까지 높아졌다. 한 사람만 태울 수 있던 비행기는 이제 오백 명이 넘는 사람들을 태우고 더 멀리 더 빠르게 이동한다.

이렇게 비행기의 형태와 성능은 발전하고 다양해졌지만, 움직이고 날아오르는 과학적 원리는 모두 동일하다. 프로펠러로 힘을 내는 비행기나 제트 엔진을 달고 나는 비행기, 속도가 마하 2를 넘는 제트 전투기와 상공에서 위험천만하게 회전하는 곡예비행기도 마찬가지다. 따라서 글라이더의 비행 원리를 알면, 여객기부터 곡예비행기까지 모든 비행기가 움직이는 힘과 날아오르는 힘을 이해할 수 있다.

이 책에서는 처음 접하는 단어도, 실험으로 이해하도록 돕는다. 비행기를 떠오르게 하는 힘인 '양력'도 간단한 실험을 통해 설명한다. 도화지 한 장을 손가락 두 개로 들어 올리고 입으로 바람을 불어보자. 바람 방향과 종이 면이 평행하면 종이는 거의 휘지 않는다. 하지만 종이를 바람이 불어오는 방향에 맞서 올리면, 손가락으로 잡고 있지 않은 부분이 위로 휘어진다. 손가락으로 잡은 부분에서도 위로 향하는 힘을 느낄 수 있는데, 그 힘이 바로 '양력'이다.

《비행기 역학 교과서》는 항공 역학을 쉽게 설명하면서 내용도 깊이 있게 담았다. 엔진으로 '동력'을 얻어 앞으로 나아가는 '추력'을 가지고 '항력'을 거슬러 나아가는 기본 원리는 물론이고, 원을 그리며 비행하다 곧바로 균형을 잡는 원리까지 살펴본다. 비행기의 형태나 날아오르는 원리가 궁금했지만 복잡한 수식과 이론 때문에 매번 포기했다면, 이 책이 '항공 역학'을 머릿속에 명확하게 떠오르게 해줄 것이다.



'항공 역학'으로 비행기의 모든 것을 설명한다

비행기 설계부터 제작 과정, 조종법까지



《비행기 역학 교과서》는 항공 역학이 적용되는 모든 부분을 상세히 풀어낸다. 먼저 비행기가 커다란 주날개 한 장, 세바퀴식 착륙 장치, 제트 엔진 두 개가 달린 오늘날의 형태로 나아오기까지의 역사를 살핀다. 기체 스스로 균형을 잡도록 돕는 꼬리날개나 비행기의 안전한 이착륙을 가능하게 만드는 플랩 등이 어떻게 탄생했는지를 알 수 있다. 비행기 형태가 발전해온 역사를 통해 다양한 장치는 왜 존재하는지, 어떤 기능을 하는지 이해될 것이다.

장치가 존재하는 이유와 기능을 알면, 기체의 각 부분에 작용하는 다양한 힘도 파악할 수 있다. 앙력, 중력, 추력, 항력 등 비행기가 떠오르는 데 필요한 힘과 이겨내야 하는 힘을 소개한다. 또한 네 가지 힘 이외에 실제로 비행할 때 난기류 등으로 기체가 상하나 좌우로 흔들리는 이유를 해설한다. 흔들리는 상황에서 비행기 스스로 자세를 안정적으로 유지하는 방법을 알 수 있다. 비행기가 고유한 힘으로 안정을 찾지 못하거나 방향을 틀기 위해 조종사가 활용하는 조종법도 소개해서 비행 원리를 더욱 명확하게 보여준다.

비행기를 제작하는 방법을 통해서도 비행 원리를 확실히 이해할 수 있다. 모형비행기로 설계, 제작, 조정으로 제작 과정을 세세히 알아보자. 비행기 설계 시 기체 무게나 날개 면적의 결정부터 무게중심 위치를 정하는 법까지 알 수 있다. 형태, 설계, 조종 등 '항공 역학'이 실제로 쓰이는 과정과 방법을 보며, 실제 여객기나 전투기의 형태와 구조가 이해되는 즐거움을 느낄 것이다.

머리말 비행기를 날게 하는 힘은 무엇인가 4



Chapter 1 비행기의 모양은 어떻게 결정하는가

: 비행기의 형태



비행기가 날기 위해 필요한 요소 14

다양한 비행기의 형태 17

라이트 형제 이전의 비행기 20

인류 최초의 유인 동력 비행에 성공한 이유 23

오늘날 비행기 형태의 탄생 27

제1차 세계대전을 거치며 실용화된 비행기 30

황금시대를 거치며 한 단계 더 발전한 비행기 35

한계에 도달한 프로펠러 비행기의 성능 40

초음속 비행에 도전한 비행기의 진화 43

비행 원리를 알면 보이는 비행기의 목적 46



Chapter 2 비행기는 어떻게 날 수 있는가

: 비행기의 비행 원리



비행기가 뜨기 위해 필요한 힘 50

양력의 크기를 결정하는 요소 51

무거운 비행기가 떠오르는 원리 55

비행기의 성능을 결정하는 익형 58

날개 표면에서 일어나는 일들 62

이착륙에 필요한 고양력 장치 66

주날개 평면형의 결정 70

비행기가 움직이면 발생하는 공기 저항 76

추력이 없으면 날 수 없는 비행기 82

기체 무게의 일부로 비행하는 글라이더 84

주날개가 제대로 작용하려면 필요한 것들 87



Chapter 3 비행기는 어떻게 안정된 자세를 유지하는가

: 비행기의 비행 자세



비행 자세를 이해하기 위한 세 가지 방향과 축 90

모형 비행기로 알아보는 비행기의 운동 92

작용점과 균형 잡기 96

승강키로 잡는 피칭 균형 100

요잉과 롤링 균형 104

방향키만으로 바꿀 수 없는 비행기 방향 107

언제라도 깨질 수 있는 비행기의 균형 110

수평꼬리날개와 수직꼬리날개의 고유 안정성 111

상반각으로 얻는 롤링 안정 114

주날개 위치에 따른 롤링 안정 효과 120

후퇴각에 존재하는 롤링 안정 효과 124

더치롤이 발생하는 이유 128

안정적으로 모형 비행기 날리기 130



Chapter 4 비행기는 어떻게 조종하는가

: 비행기의 조종법



조종사가 활용하는 비행기 조종과 조정 134

비행기가 이륙하는 방법 140

비행기의 상승 조작 142

비행기의 수평 비행 조작 144

세 가지 키를 사용하는 선회 비행 146

역요와 나선 강하 150

하강과 착륙 조작 방법 154

곡예비행도 가능한 모형 비행기 157

무게중심 위치 선정과 수평꼬리날개 결정 200

수직꼬리날개 형태 결정과 측면도 및 정면도 완성 206

비행기 구조 설계 208

제작할 때 주의해야 할 주요 사항 212

시험 비행을 진행하는 방법 215

직진 활공 220

선회 활공 225

하강률을 최소화하는 조정법 228

높게, 더 높게 상승시키는 방법 231

모형 비행기의 설계 사례 237

세계 대회에 등장한 다양한 비행기 형태 244



Chapter 5 비행기는 어떤 힘을 견뎌야 하는가

: 비행기의 강도



가벼우면서도 튼튼해야 하는 기체 160

비행기에 가해지는 G의 정체 163

정상 비행 상태에 작용하는 하중 165

기수를 들어 올리면 증가하는 하중 168

돌풍이 발생하면 커지는 G 170

최대 비행 속도를 제한하는 이유 172

착륙할 때의 하중 173

주날개에 가해지는 하중 174

동체에 가해지는 하중 176

비행기 종류마다 정해진 하중 배수 178

비행기를 설계할 때의 안전율 180

'페일 세이프'의 개념 182

전투기보다 튼튼한 모형 비행기 184



Chapter 6 항공 역학을 적용한 모형 비행기의 설계와 비행

: 모형 비행기 제작



설계 단계에서 목적 설정하기 188

모형 비행기를 제작하는 순서 190

설계는 아이디어 스케치부터 193

주날개의 평면형 결정하기 197



찾아보기 249

참고자료 254

고바야시 아키오 도쿄대학교 공학부 항공공학과를 졸업했다. 토요타자동차 기술연구소 소장을 역임했으며, 트럭 및 버스용 디젤 엔진의 연구 개발과 제품 기획을 담당했다. 엔진을 연구하면서 얻은 방대한 지식과 항공 역학을 바탕으로 멀리 나는 종이비행기를 개발해, 미국 시애틀에서 개최한 '제2회 세계 종이비행기 대회'에서 우승을 차지했다. 현재 글라이더 연구에 매진하고 있으며, 종이비행기 제작 과정을 강습 프로그램으로 개발해 항공 역학을 쉽게 전하는 일에 힘쓰고 있다. 지은 책으로는 《도해 비행기는 어떻게 나는 것일까?》가 있다.