방구석 파일럿들을 위해 써보는 전투기가 나는 원리(쉬움)

보통 양력이라고 하면 베르누이의 법칙이니 뭐니 하면서 유체의 속도가 빨라지면 압력이 감소하고- 등등의 이야기들이 나오지만,

‘비행기가 어떻게 하늘을 나는 것이냐’를 이해하는 데에는 그렇게 깊게 들어갈 필요가 없음

양력이 발생하는 이유는, 날개가 공기를 아래로 밀어냈기(deflected) 때문에 그 반작용으로 날개가 위로 상승하는 것인데,

베르누이의 법칙 같은 건 날개가 ‘어떻게 공개를 아래로 밀어내느냐’에 관한 이야기라서, 직접 항공기 디자인을 할 게 아닌 이상 거기까지 알 필요는 없음

(만약 위의 설명이 마음에 안 든다면 ‘공기의 흐름이 아래로 휘어진다’고 이해해도 괜찮음. 여기서 베르누이의 법칙과 작용-반작용은 같은 현상에 대한 두 설명일 뿐임)

그게 납득이 가지 않는다면, 날개와 날개 주변을 가리고 보면 됨

저 블랙박스 안에서 일어난 일은 모르지만 결과적으로 공기의 흐름이 아래로 밀려났잖음?

그러면 그 반작용으로는 당연히 블랙박스 안의 무언가가 위로 올라가야 하는 거임.

‘날개 위쪽이 볼록해서 공기가 더 먼 길을 지나가야 하고 그럼 공기의 속도가 빨라져서 날개 윗면의 양력이 낮아지는데’ 같은 설명은 굳이 신경쓸 필요가 없음

저 논리대로면 배면비행하는 전투기나, 납작한 날개를 가진 종이비행기는 날 수 없는 거임

아무튼 작용-반작용의 법칙으로 인해 공기를 아래로 밀어낸 만큼 날개가 양력을 받는다는 걸 납득했으면,

날기 위해서 만들어진 ‘날개’가 어떻게 그 양력을 효율적으로 만들어내는지를 얘기할 차례임

우선 글라이더를 예로 들어보자

글라이더가 활공을 할 때, 글라이더는 위치에너지를 운동에너지로 바꾸고, 그 운동에너지를 소모해서 양력을 얻는다고 볼 수 있음

글라이더는 공기를 통과하면서 정지해있던 공기를 아래로 밀어내게 되는데, 이때 공기를 아래로 밀어내면서 작용-반작용의 법칙에 따라 양력을 받게 됨

중요한 부분은 여기인데, 여기서 글라이더가 작용-반작용의 법칙, 즉 운동량 보존의 법칙에 따라 받는 힘은 공기의 운동량 변화로 인해 받는 거임.

그런데 운동량의 계산식은 질량*속도인데 반해, 운동에너지의 계산식은 1/2*질량*속도^2라는 부분이 문제가 됨

운동량과 운동에너지는 둘 다 질량에 비례하지만, 운동량은 속도에 비례하는 반면 운동에너지는 속도의 제곱에 비례함

즉, 1의 공기가 10의 속도로 움직일 때의 운동량은 10이고 운동에너지는 50이지만,

2의 공기가 5의 속도로 움직일 때는 운동량은 똑같이 10인데 운동에너지는 그 절반인 25라는 거임

그러니까 다른 말로 표현하면, ‘적은 양의 공기를 빠르게 밀어내서 양력을 얻는 것’보다, ‘많은 양의 공기를 천천히 밀어내서 양력을 얻는 것’이 더 효율적이라는 얘기임

바로 저걸 위해서 글라이더는 굉장히 큰 날개를 가짐.

다른 건 다 똑같지만 길이만 차이가 나는 두 날개가 동일한 속도로 비행할 때,

큰 날개는 많은 공기를 낮은 속도로 밀어내서 적은 운동에너지를 소모하고도 충분한 양력을 얻는 반면에

작은 날개는 밀어낼 수 있는 공기가 적은 만큼 이를 빠르게 밀어내야 충분한 양력을 얻을 수 있고, 이를 위해선 운동에너지의 소모가 커지는 거임

여기서 공기를 빠른 속도로 밀어내려면 날개의 받음각을 늘리는 방법이 있고, 운동에너지는 항력이 커지는 등의 방식으로 소모가 됨

날개는 아니지만, 저 원리를 그대로 이용한 게 바로 터보팬 엔진임

기존 제트엔진은 적은 양의 공기를 빠르게 배출해서 추력을 얻었지만, 터보팬 엔진은 엔진의 힘으로 전방의 팬을 돌려서 더 많은 양의 공기를 천천히 밀어냄으로서 효율을 늘림

저 밀어내는 공기의 양의 비율은 바이패스비라고 하는데, 팬을 통해 밀어내는 공기가 늘어날수록, 즉 바이패스비가 늘어날수록 엔진의 효율이 늘어나지만 고속에서의 성능이 떨어짐

날개의 경우에는, 헬리콥터가 저 원리를 이용했다고 할 수 있음

헬리콥터, 즉 회전익기의 날개는 위에서 빙빙 돌아가는 저 블레이드인데 굉장히 크지?

한정된 엔진 힘으로 헬리콥터가 이륙하기에 충분한 양력을 얻으려면, 커다란 날개를 써서 많은 양의 공기를 밀어내야 한다는 얘기임

다시 고정익 항공기로 돌아가서, 저런 프롭기는 헬리콥터처럼 수직비행을 하지는 못하지만 대신 수평비행을 통해 비행하기에 충분히 큰 양력을 생성할 수 있음

헬리콥터는 커다란 날개를 제자리에서 빙글빙글 돌리면서 많은 양의 공기를 아래로 밀어내는 반면,

고정익 항공기는 고정된 날개를 가지고 공기를 빠르게 가르면서 많은 양의 공기를 아래로 밀어낸다는 얘기임

어떤 면에선 이게 헬기보다 훨씬 효율적이지. 헬기는 기름 퍼먹는 엔진으로 로터를 제자리에서 마구 돌려대야 간신히 호버링이 가능한데, 고정익기는 그냥 비행을 하면서 자연스럽게 수평 방향으로의 이동도 하게 되니까 말이야

아무튼 바로 이 때문에 고정익 항공기가 이륙을 하려면 먼저 충분한 속도를 쌓아야 하는 거임.

그래야 짧은 순간에 많은 양의 공기를 가르고 지나가면서 양력을 효율적으로 만들 수 있으니까

날개가 어떻게 효율적으로 양력을 만드냐에 대한 답이 나왔으면, 비행기마다 날개의 형상이 다른 이유도 짐작할 수 있음

위에선 설명의 편의를 위해 다른 얘기들을 싹 뺐지만, 비행기의 속도가 빠를 수록 받는 항력도 늘어나는데 큰 날개는 큰 양력을 만들 수 있지만 큰 항력을 만드는 원인이기도 하거든

요즘에는 컴퓨터로, 옛날에는 무수히 많은 종이와 연필과 계산자를 가지고 비행기의 용도에 따른 최적의 날개 형상과 크기를 결정함

공기가 희박한 고고도에서 최대한 효율적으로 양력을 만들어야 하는 U-2는 길고 커다란 날개를,

요격을 위해 초음속으로 빠르게 비행하게 될 F-104 같은 경우에는 작은 날개를 다는 식임.

흔히 말하는 ‘익면하중’이 이걸 간단하게 나타냄.

익면하중이 낮다는 건 무게에 비해 큰 날개를 가졌다는 거고, 이는 즉 느린 속도 혹은 적은 받음각으로도 무게를 버틸 수 있는 양력을 얻을 수 있다는 얘기임

반대로 익면하중이 높다면, 속도를 올리거나 높은 받음각을 가져야 기체를 띄우기에 충분한 양력을 얻을 수 있겠지? 대신 날개가 작으니까 고속에서의 항력은 줄어들거고.

드디어 전투기 얘기로 좀 돌아가는 것 같은데, 워 썬더 같은 뱅기 게임을 해본 사람들이라면 한번쯤 생각해봤을 ‘왜 슈퍼프롭들은 선회력이 옛날 전투기보다 구릴까?’라는 의문에 대한 답도 여기서 나옴.

날개란 흔히 양력을 만드는 장치라고 말하지만, 좀 더 정확히 말하자면 ‘익면 상방으로의 힘을 발생시키는 장치’라고 표현하는 게 나는 옳다고 봄(그 힘을 양력이라고 부르지만).

비행기는 자동차랑 다르게 발 디딜 곳 없는 공중을 날아다니는 물건이고, 이는 즉 방향을 전환하려면 몸뚱이 방향만 돌리는 게 아니라 실제 진행 방향도 그쪽으로 돌려야 한다는 뜻임(사실 자동차도 시속 300km로 밟다가 갑자기 핸들 꺾으면 진행 방향으로 미끄러지긴 함)

그러면, 전방으로 잘 날던 기체를 한쪽으로 돌리려면 어떻게 힘을 줘야 할까? 기수를 90도로 돌린 다음 엔진 힘으로 돌려야 할까?

답은 바로 ‘날개’임, 수직 방향으로 작용하는 힘을 만들어서 중력을 극복하고 날 수 있는 게 날개라면, 그걸 살짝 기울이면 당연히 그 힘이 수평 방향으로도 작용할 수 있겠지?

이걸 흔히 ‘뱅크각’이라고 표현하고, 비행기는 저런 식으로 기체를 기울여서 방향 전환을 함.

다른 방식으로 방향 전환이 불가능한 건 아니지만, 기체의 운동에너지를 최대한 보존하면서 할 수 있는 가장 효율적인 방향 전환이 저 방식이라는 얘기지.

그렇기 때문에, 높은 선회력을 가진 비행기는 (중량에 비해)큰 날개를 가지고 있음.

날개가 크다는 건 즉 더 많은 양력을 효율적으로 발생시킬 수 있다는 얘기고, 날개가 작은 비행기에 비해서 더 선회를 잘, 그리고 지속적으로 할 수 있다는 얘기임

초기의 전투기들은 선회전이 주였기 때문에 중량에 비해 큰 날개를 가지게 되었고, 이를 극단적으로 늘린 게 1차대전 시기의 복엽기, 삼엽기들임.

하지만 큰 날개 때문에 항력이 늘어났고, 저속에서의 선회력은 좋을지언정 고속 성능은 기대할 수가 없게 되었음

반대로, 2차대전때 주로 사용한 기종은 단엽기인데, 엔진 힘이 갈수록 늘어나면서 선회전보다는 속도를 활용한 에너지 파이팅이 주가 되었기 때문에 고속에서의 성능을 보장할 수 있는 단엽기로 추세가 변하게 됨

이걸 간단하게 표현하자면, 

초기형 스핏파이어와 후기형 스핏파이어는 익면적은 비슷하지만 무게는 2톤에서 3.2톤으로 대폭 늘어났고, 엔진 출력도 1천마력에서 2천마력으로 배는 늘어남.

암만 엔진 힘이 두배라도 익면하중이 50% 이상 늘어났으니 최초의 선회 두어 번은 초기형 스핏파이어가 압도적으로 잘 할 수밖에 없는 거임

반대로 최고 속도는 580kph에서 730kph로 대폭 늘어나고, 상승력도 11m/s에서 21m/s로 대폭 늘어난 덕에 동등한 실력의 두 파일럿이 싸운다면 후기형을 탄 파일럿이 넘쳐나는 에너지를 통해 압도적으로 승리를 거둘 수 있고.

아무튼, 글이 괜히 길어졌는데, 흔히 비행기 양력 관해서 얘기가 나올 때 ‘어째서 프롭기는 수평으로는 비행이 가능하면서 수직으로 수직이착륙은 불가능한가? 똑같은 엔진으로 똑같은 추력을 내는 게 아닌가?’라는 질문에 대한 답을 찾기가 힘들어서 그 부분을 중점적으로 써봤음

사실 전투기 전투기동 관련된 글을 쓰고 싶었는데 기초부터 쓰려다 보니 이렇게 되버렸네 ㅠㅠ