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[슝~~ 비행기 탐구] 뜨게 하는 주날개, 중심 잡는 꼬리날개… 엔진은 앞으로 나아가는 힘 만들지
장조원 한국항공대학교 교수입력 : 2021.02.15 06:00

1804년 영국 과학자 조지 케일리는 인류 최초로 하늘을 나는 글라이더를 만들었다. 그로부터 100년 후, 라이트 형제는 동력(動力)장치를 단 비행기를 만들었다. 뒤이어 미국을 비롯한 프랑스, 영국, 독일 등 여러 나라들이 지금과 같은 비행기 초기 모델 개발에 성공했다. 제1차 세계대전이 끝나고 1920~1930년대를 지나면서 비행기는 속도가 빨라지고 크기도 커졌다. 제2차 세계대전이 끝날 무렵 제트엔진*이 개발되고 초음속(超音速)*비행기까지 탄생했다.

비행기는 ▲사람이 탈 수 있는 공간인 동체(몸통) ▲양력(揚力·뜨는 힘)을 발생시키는 주(主)날개 ▲안정적으로 날 수 있게 하는 꼬리날개 ▲앞으로 나아가는 힘을 만드는 엔진 등으로 구성돼 있다<그림① 참조>.
날개 면적, 엔진 성능 발달로 갈수록 줄어들어
기체 무게 가벼워져- 연료 덜 쓰고 환경 지켜
주날개와 꼬리날개가 붙어 있는 동체는 물고기와 같은 유선형(앞부분은 곡선, 뒷부분으로 갈수록 뾰족한 모양)으로 돼 있다. 이는 공기 저항을 줄이기 위해서다. 양력을 발생시키는 날개도 유선형으로 제작됐다.

초창기 비행기는 속도가 느려서 양력을 얻기 위해 날개 면적을 크게 만들었다. 엔진 성능이 개선돼 속도가 빨라지면서 날개 면적은 점차 줄어들었다. 제트엔진이 비행기에 장착된 이후 날개 두께는 훨씬 얇아졌다.

비행기는 사용 목적에 따라 날개 모양이 다르다. 전투기는 속도가 빠르고 전투 기동(機動)을 해야 하므로 날개 면적이 작고 후퇴각(날개를 뒤로 젖힌 각도)이 크다. 하늘을 날던 새가 먹이를 잡으러 내려올 때 속도를 높이려 날개를 뒤로 접는 장면을 상상하면 이해하기 쉽다. 반면 사람을 실어나르는 무거운 여객기는 날개 면적이 크고 후퇴각이 작다. 속도가 느린 글라이더는 면적이 아주 크고 후퇴각이 아예 없다.

기본적으로 비행기는 하늘을 날기 위해 만들어졌다. 효율적으로 비행하기 위해서는 기체가 가벼워야 한다. 외부에서 가해지는 힘도 버텨야 한다. 최종적으로 사람의 생명을 보호할 수 있어야 한다. 비행기의 안전은 재료와 밀접한 관계에 있다.

비행 중인 기체(機體)는 동체·주날개·꼬리날개·착륙장치 등에 작용하는 힘이 각각 다르다. 날개에는 위로 양력이, 아래로 날개 구조물·연료·엔진 등의 무게가 작용한다<그림② 참조>. 비행기가 선회(旋回)하거나 돌풍을 만날 때는 기체에 더 큰 힘이 가해진다. 이때 날개가 부러지지 않고 잘 버틸 수 있어야 한다.

비행기를 처음 개발할 때는 목재를 많이 사용했다. 세계적 항공기 제작사인 보잉사(社)의 공장은 미국 시애틀에 있는데, 이 도시는 원래 목재산업이 발달한 곳이었다.

1920년대부터 목재 대신 알루미늄 합금(두랄루민)을 사용했다. 두랄루민은 철만큼 강하면서도 무게는 3분의 1 정도다. 요즘에는 두랄루민보다 복합재료를 많이 사용한다. 복합재료는 철보다 강하고 무게는 6분의 1에 불과하다. 에어버스 A350과 보잉 B787기는 항공기 전체의 50% 이상을 복합재료로 만든다.

항공 기술 전문가들은 오랫동안 비행기 무게를 줄이려 노력해왔다. 연료 소모량을 줄이면서 환경오염 문제도 해소하기 위해서였다. 어린이 여러분이 장차 어른이 되어 최첨단 항공 기술을 개발한다면, 인류의 행복을 드높이고 지구 환경을 보호하는 결과를 가져오는 것이 된다.

* 제트엔진:내부에서 연소시킨 뜨거운 가스를 분출할 때 생기는 반동을 추진력으로 사용하는 기관.
* 초음속:소리보다 빠른 속도. 공기 중 음속은 1초당 331.5m(0도· 1기압 기준).

▲한국항공대학교 항공운항학과 교수 ▲공군사관학교 명예교수 ▲저서 ‘하늘에 도전하다’ ‘비행의 시대’ ‘하늘의 과학’ 등