항공기

역사

개요

'aviation'(항공) 및 'aviator'(비행사)라는 용어의 어원(語原)은 프랑스어이며, 1880년대 중반 문헌에 처음으로 사용되었다.

그러나 그 이후부터 제1차 세계대전 때까지 사용되지 않았다. C. 돌피와 H. 부셰는 그들의 한 저서에서, 항공사의 시작은 라이트 형제(오일 라이트, 윌버 라이트)가 세계 최초로 중항공기(重航空機)로 동력비행에 성공한 1903년 12월 17일이라고 주장했다. 항공이라는 용어는 일반적으로 중항공기의 비행에 대해 사용되고 있다. 제2차 세계대전 이래로 항공기에 관한 기술은 경이로운 진보를 계속했다. 그리고 전후(戰後)에는 그 기술의 실용화가 진전되어 항공사는 새로운 비약기로 접어들었는데, 그 주요요인은 제트 기관의 개발 및 실용화였다.

이로 인해 군용 및 민간 항공기는 우리가 예전에 상상조차 못할 정도로 고속화되었다. 군용기에 제트 기관이 장착됨에 따라 군의 전략체제와 전투형태는 크게 변화되었다. 제트 여객기는 전자장치를 이용한 항법의 사용으로 안전성이 높아져 육상·해상 교통기관과 마찬가지로 상용(常用) 교통수단이 되었다.

비행에 대한 환상

예로부터 인간은 항상 하늘에 대한 동경심을 지니고 있어, 신의 축복은 하늘에서 내려오고 죽은 자의 영혼은 하늘로 올라간다고 생각했다.

여러 고대 종교에서 천인(天人)은 새와 같은 형태의 날개를 갖고 있다고 생각했으므로, 인간은 하늘을 나는 꿈을 현실화하기 위해 새의 비행에 대한 연구를 시작했다. 그러나 이 꿈은 쉽게 실현되지 않았다. 15세기말 레오나르도 다 빈치는 새와 닮은 모형을 설계했으며, 그후 여러 사람들이 이것에 대해 연구하고 실험했으나 결국 모두 실패했다.

탐구시대(1783~1903)

1783년 프랑스의 몽골피에 형제는 종이로 만든 기구(氣球)에 뜨거운 공기를 넣어 팽창시켰다.

그 기구는 지상으로 약 1.8km까지 떠올랐다. 같은 해 10월 장 필라트르 드 로제에는 그들이 제작한 기구 중 하나에 탑승해 비행한 인류 최초의 인간이 되었다. 기구 제작자들은 단지 바람을 따라 부유하는 기구 대신 조정이 가능한 기구로 관심을 돌리게 되었다. 프랑스의 H. 지파르는 무게 160kg, 3HP(마력)의 증기구동 비행선(프로펠러 장착)을 제작하여 비행했다. 그 비행선은 바람이 부는 방향으로 거슬러 비행하지 않았고 다시 출발지점으로 귀환하지도 않았으나, 그 날은 인간이 최초로 실질적인 비행을 시작한 날로서 기록된다.

1800년대 후반 A. 산투스 두몬트는 가벼운 소형 공냉식 기관을 동력으로 한 16대의 소형 비행선을 제작했다. 오랫동안 여러 사람들은 인간이 비행을 할 수 있는 유일한 길은 기구 또는 비행선을 사용하는 것이라는 믿음을 가져왔으나, 몇몇 사람들은 고정날개를 가진 항공기로도 비행이 가능하다고 생각하고 이것에 대해 끊임없이 연구했다. 진정한 현대적 비행기의 발명가는 1799~1810년 최초로 공기역학의 기초를 세운 영국의 G. 케일리인데, 그는 1804~53년 모형 글라이더와 사상 최초의 유인 글라이더(1852~53)를 제작하여 비행기의 기본형상을 확립했다.

독일의 O. 릴리엔탈과 G. 릴리엔탈은 항공학에 크게 공헌했다. 그들은 인공으로 만든 언덕에서 자신들이 제작한 글라이더로 활공비행을 했다. 오토는 1896년 죽기 전까지 2,000회의 활공비행을 했다.

세계 최초의 동력비행은 라이트 형제에 의해 실현되었다(오빌 라이트, 윌버 라이트). 초기에 그들은 3대의 복엽(複葉) 글라이더를 제작하여 실험했으나 실패했다.

그러나 그들은 공기역학에 대한 더욱 광범위한 연구와 실험을 거쳐 3호기를 개조하여 약 1,000번의 활공비행을 시도했고, 마침내 성공을 거두었다. 1902년 라이트 형제는 '플라이어'라 불리는 세계 최초의 동력비행기 제작에 착수했는데, 그당시에는 그 비행기에 맞는 적당한 기관이 없었고 프로펠러에 대한 지식이 없어 한동안 작업이 중단되기도 했으나, 라이트 형제의 뛰어난 탐구력과 C. 테일러의 도움으로 결국 12HP의 발동기를 개발했다. 1903년 12월 17일 키티호크에서 동생인 오빌이 조종하여 12초 동안 36m를 비행했다.

이것은 사상 최초로 동력비행기의 지속적인 조정이 가능한 비행이었고, 이 성공을 기점으로 하여 중항공기 시대가 열렸다.

시행착오시대(1903~14)

라이트 형제의 비행은 제대로 전해지지 않아 그들의 위업들은 소수의 사람들 외에는 알 수 없었다.

1905년 라이트 형제는 사상 최초의 실용비행기인 플라이어 3호를 완성했다. 한편 그당시 유럽은 일반적으로 항공에 대한 관심이 거의 없었으나 라이트 형제의 친구인 O. 샤누트가 파리를 방문하여 라이트 형제가 활공비행하는 모습을 담은 사진을 보이고 설명함으로써 관심이 고조되기 시작했다. 그후 여러 프랑스인이 라이트식 글라이더를 제작했으나 모두 실패했다. 1905년 부아쟁은 아르슈데콩과 블레리오의 도움을 받아 2대의 복엽 수상 글라이더를 제작하여 센 강에서 비행을 시도했으나 실패했다.

그러나 이후 이 글라이더는 유럽의 복엽기 가운데 하나의 기본적인 형식이 되었다. 1906년 A. 산투스 두몬트는 커나드형(carnard : 선미익 비행기 또는 오리형 비행기라고 불리는 것으로 꼬리날개에 해당하는 것과 추진기관이 주날개 앞에 붙었던 초기 비행기) 복엽기를 제작하여 여러 차례 단거리 비행에서 성공을 거두어 유럽 최초의 동력비행으로 공인받았다.

1908년 윌버 라이트가 유럽에서 최초의 공개비행을 한 후 그곳의 비행에 대한 열의가 높아졌다. 1908년말까지 유럽에서 100번 이상의 비행을 가진 윌버는 2시간 20분의 체공기록을 세워 그때까지의 모든 기록을 갱신했다. 그곳에서 그의 여러 업적은 그후 유럽의 항공을 발전시켰다.

1909년 8월 랭스에서 세계 최초의 항공집회가 개최되었다.

그당시 유럽의 항공기술은 이미 높은 수준에 도달하여 2가지 기본형태의 고성능 비행기가 등장했다. 하나는 회전식 기관과 대형 보조날개를 갖춘 복엽기였고 다른 하나는 라이트식 단엽기였다. 1909년 7월 25일 L. 블레리오는 소형의 블레리오 2호로 영국해협 횡단비행경기에서 우승했다. 칼레 부근에서 도버까지의 이 역사적 비행은 사람들에게 비행기에 대한 깊은 인상을 심어주었을 뿐만 아니라 국가 주도의 강력한 신형 항공기의 급속한 개발을 촉진시키는 계기가 되었다.

1908년 7월 미국 항공계도 항공실험협회에서 제작한 것 중 가장 우수한 준버그호로 국내 최초로 1km이상의 공개비행에 성공했다.

이것으로 미국과학상을 수상한 G.H. 커티스는 라이트 형제 이래 가장 특출한 미국의 비행기 설계자 겸 조종사로 인정받았다. 1910년 11월 에리는 커티스 복엽기로 미국의 버밍햄호의 선상에서의 비행에 성공했다. 1911년 커티스는 최초의 실용형 수상 비행기로 비행에 성공하여 최초의 콜리어상을 수상했다. 제1차 세계대전이 시작되기 전의 2년 사이에 비행기는 급속히 발달했으나 기본적으로는 시행착오의 단계를 벗어나지 못했다.

군부는 제1차 세계대전이 발발하기 수년 전부터 비행기를 전쟁에 이용할 수 있는 가능성에 대해 검토하기 시작했다.

1905년까지 비행기는 적군의 위치와 목적을 정찰하는 수단으로 사용되었으나, 1915년부터는 적기와 아군기 사이의 공중전에 사용되었다. 그리고 비행기의 장거리 비행의 가능성은 1914년에 독일의 한 조종사가 베를린 상공에서 24시간 이상을 체공하여 입증되었다. 미국에서도 같은 해에 커티스가 대서양 횡단비행을 위해서 삼발비행정(三發飛行艇)을 개발했다.

그런데 이 비행정의 실험비행계획은 전쟁의 발발로 무산되었다.

실용개발시대(1914~40)

1914년 제1차 세계대전과 더불어 다양한 항공기의 실용개발시대가 막을 올리게 되었다.

전시에 사용되었던 항공기의 발달에 의해 종전후 대서양 횡단비행에 대한 관심은 급속히 고조되었다. 그 분위기에 힘입어 최초로 미국 해군은 중항공기를 사용하여 대서양 횡단에 성공했는데, 커티스가 개발한 대형 다발(多發) 비행정 NC-4가 1919년 5월 미국에서 뉴펀들랜드, 아조레스 제도, 포르투갈을 경유하여 영국에 도착했다. 같은 해 6월에는 영국장교 J. 올콕과 A. 브라운이 비커스 쌍발 복엽폭격기 비미호로 뉴펀들랜드에서 아일랜드까지 무착륙비행에 성공했다.

1919년 5월 뉴욕-파리간 무착륙 비행에서 미국의 우편비행사 C.A. 린드버그가 스피리트 오브 세인트 루이스호로 우승했다. 이 비행은 약 5,800km를 33시간 39분에 비행한 무착륙비행이었다. 그후 3년 동안 주목할 만한 여러 대서양 횡단비행이 행해졌는데, 이들 비행의 방향은 모두 동쪽이었다. 이는 편서풍 때문에 서쪽 방향으로의 비행은 힘들고 위험했기 때문이었다.

그러나 1928년 4월에 독일 비행사들을 태운 융커스 단엽기인 브레먼호가 아일랜드에서 뉴펀들랜드까지 최초로 서행(西行)에 성공했다. 이들의 목표는 서서히 대서양 횡단보다 매력적인 태평양 횡단으로 옮겨갔으며, 1927년 6월에는 미국 캘리포니아-하와이 간 비행에 성공했다.

그후 여러 사람의 도전이 있었으나 하와이에 도착한 비행기는 겨우 2대뿐이었다. 그후 아프리카의 북에서 남, 동에서 서로, 북극의 만년빙 상공까지의 비행이 행해졌다. 이러한 비행은 모두 이륙 전에 연료를 충분히 공급받은 비행기에 의한 행해진 것이었으나, 1920년대 중반에는 공중급유가 실현되어 초장시간 체공의 비행이 실현되었다. 미국 육군은 이 기술로 로스앤젤레스 상공에서 150시간 체공에 성공했고, 1924년 4~9월에는 지구일주 비행에 성공했다.

실용개발시기에 항공은 새로운 획기적인 발전의 단계에 접어들었다.

1920년대 중반의 비행기는 보통 수냉식 기관을 갖고 있었으나, 각국의 선진적인 설계자들이 새롭게 공냉식 기관을 개발하여 보편화시켰다. 공냉식 기관의 보급은 비행기의 역학과 외형의 연구를 촉진시켰다. 노출된 기관의 항력은 카울링으로 제어되었고 접개식 다리가 설계되었다. 1940년대초 공기역학적으로 개량된 결과 비행기의 외관은 크게 변했다. 1930, 1940년대 항공사의 특징은 너무 빠른 기술개발로 인하여 새로 개발된 여러 장치들이 채 사용되기도 전에 쓸모없게 되어 버렸다는 점과, 비행기 성능의 향상으로 많은 비행 신기록이 수립되었다는 점이다.

1930년대초 자가용 비행기가 점차 증가했지만 안전성이나 경제성의 문제로 대중화되지는 못했다. 공공사업회사는 직업조종사를 고용하여 기계나 목재를 수송했고, 석유회사는 송유관을 관리하기 위해 점차 비행기를 사용하기 시작했다.

비행에 대한 초기의 생각은 수평으로 회전하는 프로펠러가 달린 헬리콥터였다. 1900년 이전의 여러 발명가들도 이런 생각을 가졌었지만, 당시에는 헬리콥터의 중량을 감당할 수 있는 기관이 없었다. 1907년 프랑스의 코르뉴는 초보적인 형태의 헬리콥터를 제작해 최초로 수직 상승시켰고, 1907년 러시아에서의 I. 시코르스키는 헬리콥터를 제작하여 수직 상승시켰으나 조종사를 태우지는 않았다.

그후 1940년 그는 헬리콥터의 원형을 제작했다. 1920년대초 외관은 헬리콥터와 상당히 닮았지만 본질적으로 다른 원리로 작동하는 항공기인 오토자이로가 출현하여 1940년까지 급속히 발달했다. 오토자이로는 비행중에 로터가 기관에 의해 회전하지 않고 공기역학적 작용으로 스스로 회전하는 날개라는 점에서 헬리콥터와 구분된다.

이 자전(自轉)의 기본원리는 스페인의 발명가 후안 데 라 시에르바가 최초로 전개한 것이었다. 영국·프랑스·미국 등지에서 많은 오토자이로가 설계되었지만 본질적인 제약과 헬리콥터에 대한 관심의 부활 등으로 결국에는 제작자로부터 관심 밖이 되어 버렸다.

제1차 세계대전과 제2차 세계대전 사이의 경항공기의 주된 개발은 1차 세계대전 때 체펠린이 개발한 대형 경식(硬式) 비행선 분야에서 이루어졌다. 1902년~12년 반경식(半硬式) 비행선이 몇 명의 설계자에게 주목을 받게 되어 여러 나라에서 수차례에 걸쳐 설계·제작되었다.

제1차 세계대전중 독일은 체펠린형 경식 비행선을 이용한 장거리 폭격작전에 성공했다. 1919년 7월 영국의 R-34는 스코틀랜드를 이륙하여 대서양 횡단비행에 성공했고, 그후 8년 후에는 R-100과 R-101이 제작되어 대서양 횡단왕복비행을 했으나 R-101이 프랑스 상공에서 폭발한 후 영국은 경식 비행선의 제작을 중단했다. 이 기간중 독일은 경식비행선의 개발을 최고도로 진전시켰고, 1926년 체펠린사는 순수한 상업비행기 LZ-127의 제작에 착수하여 에케너 선장의 지휘로 세계 각국을 비행했다.

이 업적을 발판으로 독일은 LZ-129를 제작하여 1936년 10번의 대서양 왕복비행에 성공했으나, 1937년 미국의 레이크허스트 해군기지에 착륙하던 중 폭발했다. LZ-129는 다른 독일제 비행선과 마찬가지로 부양 가스로 수소를 사용했다.

근대시대

1924년부터 실용화된 항공기는 1940년대에 들어와 급속한 발전을 거듭하여 근대시대로 넘어가게 되었다.

이때부터 접개식 다리, 플랩, 가변각 프로펠러, 제트 기관, 전자항법장치 등이 실용화되면서 항공기의 성능은 완벽해져 육상·해상 교통수단과 마찬가지로 상용되기 시작했다. 1939년 최초의 제트기인 하인켈 HE-178이 등장했으며, 제2차 세계대전말에는 영국 최초의 제트 전투기인 글로스터와 독일 최초의 제트 전투기인 메서슈미트가 전선에 투입되었다. 1944년에는 최초의 로켓 전투기인 메서 슈미트 ME-163가 처녀비행을 가졌다.

1947년 후퇴각을 가진 날개를 최초로 실용화한 소련의 제트 전투기 미그 15가 첫 비행을 가졌고, 미국의 벨 X-1이 인간을 탑승한 항공기로서는 최초로 1,220km/h의 속도로 음속을 돌파했다. 1948년 세계 최초의 터보프롭 여객기인 비커스바이카운트가 첫 비행을 가졌다. 1949년 세계 최초의 터보제트기인 영국의 DH 코멧 1이 처녀비행을 가졌고, 미국의 보잉 B-52가 공중급유를 받으며 세계 최초의 무착륙 세계일주에 성공했다.

1957년 세계 최초의 제트 여객기인 미국의 보잉 707이 첫 비행을 가졌다. 1958년 미국의 제트 전투기인 록히드 F-104A가 2,259km/h로 마하 2의 속도벽을 무너뜨렸으며, 그로부터 3년 후인 1962년에는 록히드 A-11이 마하 3의 속도로 첫 비행을 가졌다. 1968년 세계 최초의 초음속 여객기인 소련의 투폴레프 Tu-144가 등장했다. 1969년 영국에서 최초의 실용 수직이착륙기로 이루어진 편대가 조직되었고, 영국의 초음속 여객기인 콩코드가 처녀비행을 가졌다.

설계 및 작동 원리

항공역학

평판에 정면으로 불어오는 기류는 그 판의 속도에 비례하는 동압력(動壓力)을 미친다.

이 현상은 달리고 있는 자동차의 창 밖으로 손을 내밀고 있으면 쉽게 증명된다. 손을 기울이면 손을 기울린 각도와 자동차 속도에 비례하는 상승 또는 하강하는 힘을 느낄 수 있다. 평판(또는 손)은 공기역학면에서 비효율적인 형상, 즉 공기가 주위를 부드럽게 흐르는 유선형(流線型)이 아니다. 이런 이유로 균일하지 못한 압력과 소용돌이가 뒷부분에 난류(亂流)를 형성하는데, 이 난류는 상당한 에너지를 흡수하여 항력(抗力)을 생성시킨다.

① 날개의 형상 : 모서리가 바람이 불어오는 방향을 향하는 평판에 곡률을 주면 양력을 향상시킬 수 있다. 일정 범위의 영각(迎角)에서는 기류가 부드럽게 흘러 난류는 작고 양력은 증가하여 양력 대 항력의 비가 향상된다.

그러나 어떤 한도를 넘으면 부드럽게 흐르던 기류가 흩어져 양력 대 항력비는 급속히 악화된다. 항공기의 총항력은 공기저항 및 그 결과로 생기는 난류와 날개에 의해 생기는 양력의 수평성분의 합이다. 일찍이 풍동에서 행해진 공기역학실험을 통해 평판의 앞 모서리를 둥글고 두껍게 만들고 곡률을 주면서 뒤로 갈수록 점차 얇게 만들면 양력은 증가하고 항력은 줄어 양력 대 항력비가 증가한다는 사실이 밝혀졌다(풍동, 날개꼴). 두께와 외형이 다른 여러 형태의 날개 모형이 실험되었고, 영각에 따른 양력과 항력이 기록되었다.

이런 실험들을 기초로 하여 만들어진 일람표는 항공기의 날개·프로펠러·로터 등에 관한 설계 데이터를 마련했다.

모든 조건을 만족시키는 최상의 형태의 날개는 존재하지 않는다. 항공기의 종류에 따라 원하는 공기역학적 성능을 얻기 위한 적절한 형상은 상세한 분석을 통해 선택된다. 초기에 양력은 연에서처럼 날개 아랫면에 직접 작용하는 기류의 압력에서 나오는 것으로 생각되었다. 이러한 이유로 초기 비행기에서는 날개의 아랫면만을 천 외피로 덮었고 구조 골재의 상부는 그대로 노출시켰다. 그러나 곧 연구를 통해 양력의 약 2/3이 날개의 윗면에 작용하는 부압(負壓)으로부터 발생되고 약 1/3이 아랫면에 작용하는 정압(正壓)으로부터 발생된다는 사실이 밝혀졌다.

날개 길이에 따른 압력분포는 익현(翼弦)의 평균길이에 대한 날개 길이의 비인 종횡비(縱橫比), 날개 테이퍼 비(taper ratio), 날개 끝의 모양 등에 따라 각각 다르다. 일반적으로 짧은 길이, 큰 테이퍼 비, 저종횡비(4~5)를 가진 날개는 고속이며 기동성이 높은 항공기에 사용된다. 그리고 긴 길이, 고종횡비(12~15)의 날개는 비교적 느리고 고공(高空)에서 사용되는 항공기나 세일플레인(sailplane) 등에 사용된다.

② 안정성 : 항공공학자는 항공기가 안정성과 제어성을 갖도록 설계한다. 비행기가 만약 수평·직선 경로로 비행하고 있다면 조정사가 별 주의를 기울이지 않더라도 안정하다. 중립상태로 제어된 비행기에 돌풍이 불어와 불안정하게 만든다고 하더라도 자체적으로 안정화된다. 비행기는 가로축(주날개를 중심으로)·세로축(동체를 중심으로)·수직축의 세 축을 중심으로 회전한다.

모든 축은 항공기의 중력중심을 지나며 서로 수직하다. 비행기는 가로축을 중심으로 기수(機首)나 기미(機尾)가 상하로 움직이는 피칭(pitching) 운동, 수직축을 중심으로 기수나 기미가 좌우로 움직이는 요잉(yawing) 운동, 세로축을 중심으로 날개 한쪽을 위에서에서 아래로 움직이는(다른 쪽 날개는 아래에서 위로 움직임) 롤링(roaling) 운동을 한다.

주날개와 꼬리날개는 이러한 축을 중심으로 안정성을 제공한다. 수평꼬리날개는 피칭 운동을, 수직꼬리날개는 요잉 운동을, 주날개는 롤링 운동과 측하방(側下方) 궤도이탈을 방지한다. 주날개의 상반각(上反角 : 비행기가 수평비행할 경우 양쪽 주날개가 수평선과 이루는 각)과 후퇴각 또한 안정성을 높인다.

항공기 설계가가 관심을 가지고 있는 대부분의 날개 형태는 피칭 운동이 불안정하다. 그 결과 발생하는 상향(上向) 압력은 중력 중심을 벗어난 약간 뒤쪽에 작용하므로, 음의 모멘트가 생겨 항공기의 기수를 하향(下向)시키는 경향이 있다. 이러한 힘을 상쇄하기 위해서는 특정 지점에 같은 크기의 양의 모멘트를 가해야 한다. 보통 항공기에서는 기체의 끝에 달린 작은 수평꼬리날개가 양의 모멘트를 가해 이러한 음의 모멘트를 상쇄시킨다. 피칭 운동의 제어는 수평꼬리날개의 뒷전에 경첩으로 연결된 가동성 플랩(flap)인 승강타에 의해 조절된다.

③ 날개형태의 개량 : 날개의 형태와 상관없이 최대 영각에서는 날개의 상부에서 부드럽게 흐르는 기류는 흩어져 난류가 발생한다. 대부분의 경우 부드럽게 흐르는 기류에서 난류로의 천이(遷移)는 급격히 발생한다. 항력이 급격히 증가하고 양력이 갑자기 없어진다. 이러한 현상을 날개에 의한 실속(失速)이라고 하는데, 실속이 일어나게 되면 항공기는 제어가 불가능하게 되고 급격히 하강하며(보통 혼란스러운 회전운동과 함께), 날개 주위의 정상적인 기류와 조종면을 복구하지 못하면 추락하게 된다.

이러한 현상을 꼬리 스핀(tailspin)이라고 하는데, 이것의 발생원인이 밝혀지고, 자세를 원상태로 복구하는 효과적인 기술이 개발되기 전까지 치명적인 사고의 원인이 되어왔다.

날개 슬롯(slot)을 사용하면 날개 실속을 방지할 수 있고 비행속도범위도 연장시킬 수 있다. 날개의 앞 모서리에 나 있는 좁은 구멍인 슬롯은 날개 아랫면의 고압의 기류가 윗면으로 흐르도록 한다. 이렇게 위로 흐르는 기류는 경계층에서 기류가 흩어지는 현상을 방지하여 난류의 발생을 저지시킨다.

양력은 또한 날개의 곡률을 늘려 증가시킬 수 있다. 새의 날개와 같은 유연성 날개는 기계적으로 실현이 불가능하기 때문에, 날개 뒷전에 경첩 이음으로 연결된 플랩을 사용하여 새의 날개보다는 불완전하지만 꽤 효과적으로 곡률을 조정할 수 있다. 플랩을 하향시켜 양력을 증가시킬 수 있으나, 난류와 항력이 증가하고 세로 안정도도 악화된다. 가장 효과적인 방법은 날개 앞전에 있는 날개 슬롯과 뒷전에 있는 플랩을 함께 혼용(混用)하는 것이다. 이로 인해 날개의 유효곡률은 최적의 슬롯과 조화를 이루어 비행기는 특정 비행속도범위에 걸쳐 큰 양력을 유지할 수 있다.

추가적인 개량법에는 플랩 자체에 슬롯을 만들어 부분적으로 기류가 원활히 흐르도록 하는 방법이 있다. 항공기 자세의 심한 변화가 없이 급하강하거나 착륙중 비행기가 심한 바람에 의해 떠오르거나 파손되는 일을 방지하기 위하여 가끔 빠르고 효과적으로 날개 양력을 감소시켜야 할 경우가 있다(이륙). 이러한 목적을 위해 스포일러(spoiler: 비행기 날개와 표면기류를 교류시켜 속도를 떨어뜨려 하강을 돕는 장치)라고 불리는 장치가 날개 뒷전에 분할형 플랩(하나는 위로 움직이고 다른 하나는 아래로 움직임)의 형태나 날개 앞전에 설치되어 아래 위로 움직일 수 있는 좁은 단일 플랩의 형태로 설치되어 난류를 형성시켜 양력을 감소시킨다.

④ 착빙(着氷)문제 : 양력은 자연적인 원인에 의해 감소하기도 한다. 맑고 건조한 때를 제외한 모든 날씨에 비행하는 항공기는 날개나 그밖의 조정면에 눈·얼음 등이 쌓여 위험해질 수 있다. 단지 소량일지라도 조정면의 단면형태를 변화시켜 비행성능을 악화시킨다. 겨울에는 이륙 전에 철저한 청소가 필요하다. 가볍게 쌓여 있는 눈조차도 문제를 일으킬 수 있다. 영하의 날씨에서 항공기가 비행시 진눈깨비, 비, 심지어 짙은 구름을 만나면 급격히 착빙된다.

날개 앞전과 그밖의 조정면에 형성된 두꺼운 얼음층은 공기역학적 성능에 손상을 가져올 뿐만 아니라 기체의 무게를 증대시켜 제어가 불가능해지며 심지어 추락하기도 한다. 초기에는 화학약품을 날개에 바르는 등의 착빙 방지책을 사용했으나 후에 아무런 효과가 없음이 증명되었다. 그후 날개 앞전에 팽창성의 고무 덮개를 씌워 정기적으로 이것을 팽창·수축시켜 얼음에 금이 가게 하여 착빙되자마자 빠르게 떨어뜨리는 좀더 효과적인 방법이 개발되었다.

그러나 이 장치는 상당히 무거울 뿐 아니라 기계적으로 복잡했다. 현대에는 대부분의 전천후 항공기는 크기에 상관없이 열을 이용해 착빙을 방지한다. 기관배기 가열기 또는 독립적인 가열기로부터 배출되는 고온의 공기는 날개 앞전에 설치된 도관(導管)으로 유입되어 날개 끝에서 배출된다. 이 장치는 비교적 소량의 열량으로써 어떤 날씨에서도 착빙을 방지할 수 있다.

추진장치

모든 재래식 항공기는 추진장치가 지면효과와 총공기저항 효과가 합해진 힘보다 큰 추력을 발생시켜 이륙·상승한다(추진력). 항공기의 전진운동은 기류를 날개로 유도하는데, 이렇게 되면 날개의 단면 모양과 경사로 인해 항공기의 중력을 능가하는 힘이 발생된다.

항공기가 일단 평면상태에서 일정한 속도로 비행하면 수평력인 항력과 추력은 서로 같고 반대방향으로 작용하며 수직력인 양력과 중력 또한 평형상태에 도달하게 된다.

수직이착륙(vertical take-off and landing/VTOL) 항공기나 단거리이착륙(short take-off and landing/STOL) 항공기와 같은 비(非)재래식 항공기는 수직추력장치를 사용하여 이륙과 동시에 지면과 급경사 또는 수직을 이루며 상승하게 된다(단거리이착륙기, 수직이착륙기). 일단 이륙하여 장애물이 없는 고도에 이르면 재래식 항공기와 같은 원리로 작동한다.

이들 항공기가 급경사 또는 수직으로 상승을 할 수 있는 것은 프로펠러 기류나 제트의 일부분을 편향시킬 수 있는 구조 때문이다. 이 편향은 슬롯과 플랩의 이용, 동력장치의 수직회전, 심지어는 날개 전체의 회전 등으로부터 얻어진다. VTOL기는 수직으로 이륙하므로 어떤 활주로도 필요없는데, 이러한 이륙형태는 제트 배기관에 설치된 일련의 날개로 강력한 제트를 아래로 편향시키거나 제트 기관을 수직으로 회전시켜 얻어진다.

고체 또는 액체 연료 로켓 추진장치를 제외한 항공기의 모든 추진장치는 대기를 전진 또는 상승 속도보다 더 빠른 속도로 가속한 후 뒤나 아래로 배출시켜 추력을 얻는다.

추진을 위해 공기를 가속하는 데 사용되는 방식에는 피스톤 기관이나 터빈으로 구동되는 프로펠러(또는 헬리콥터의 로터)를 사용하는 방식과 가스 터빈이 생성시키는 제트를 사용하는 2가지 방식이 있다.

제어장치

가동성 조정면(보조날개·방향타·승강타·플랩)에 작용하는 기류는 재래식 항공기의 비행자세를 바꾸는 데 필요한 힘을 제공한다.

승강타와 방향타는 보통 꼬리 날개에 달려 있다(키). 승강타는 비행기의 피칭 운동을 제어하며, 방향타는 선박의 키와 마찬가지로 기수의 방향, 즉 요잉 운동을 제어한다. 보조날개는 항공기의 롤링 운동을 제어하고, 보조날개보다 기체(機體)에 가까운 곳에 위치한 플랩은 동시에 아래로 움직여 양력과 항력을 크게 증가시키며, 주로 이륙을 돕거나 착륙시 감속하는 데 사용된다.

비행속도의 제어는 보통 기관으로 들어가는 연료의 흐름을 조정하여 얻어진다. 최대 추력은 이륙과 상승시 가해지고, 자유비행에 이르면 항력이 감소함에 따라 추력도 감소한다. 역추력은 프로펠러의 날개의 각을 양에서 음으로 변화시키거나 제트 기관에 반전(反轉) 날개를 끼워 얻어지는데, 지면에서 감속하거나 착륙후 활주거리를 줄이기 위해 사용된다.

매우 고속으로 착륙하는 항공기는 착륙 후 활주거리를 줄이기 위해 동체의 꼬리 부분에 '드로그'(drogue)라고 불리는 소형 낙하산을 사용한다.

비행사가 항공기를 제어하기 위해 필요한 기본장비에는 비행제어를 위한 조정간과 방향타 막대, 기관 제어를 위한 점화 스위치와 스로틀(throttle) 등이 있다. 조정간을 가로로 움직이면 승강타가 아래위로 움직여 피칭 운동을 제어한다. 세로로 움직이면 보조날개의 위치를 변화시켜 기체의 롤링 운동을 제어한다.

소형 항공기에서 막대형 조정간을 사용하는 반면, 대형 항공기에서는 바퀴형 조정간을 사용한다. 이 바퀴는 막대 위에 달려 있는데, 만약 막대를 가로로 움직이면 조정간과 마찬가지로 승강타를 움직인다. 그러나 롤링 운동은 바퀴의 좌우 회전으로 제어된다. 대부분의 비재래식 항공기(헬리콥터는 제외) 또한 공기역학적 제어를 사용한다. 헬리콥터는 양력·추력·안정성·제어 등을 날개와 로터의 각을 조정하여 얻는다.

계기·보안장치

항공계기는 비행계기·항법계기·기관계기로 구분할 수 있다(계기화). 비행계기는 항공기의 바람직한 자세를 유지하면서 조종사를 보조하는 장치이며, 속도계·승강계·선회경사계(施回傾斜計)·자이로스코프 등으로 구성되어 있다.

비행계기의 도움을 받아 조종사는 시계가 영(零)인 상황에서도 항공기를 조종할 수 있다. 항법계기는 선박용과 유사하지만, 한 가지 다른 점은 고도계가 있다는 것이다. 이 고도계는 조종사가 적절한 고도를 유지하면서 비행할 수 있게 하며 다른 항공기와 적당한 거리를 유지할 수 있도록 해준다.

항법계기는 나침반·속도계 등을 비롯해 각종 전파방위탐지기 등으로 구성되어 있다.

기관계기는 자동차에 사용되는 것과 마찬가지로 연료량·유압·기관온도 등을 지시하는 것이다. 비행의 안전을 유지하기 위해 장착되는 항공기의 외부 보안장비에는 제빙장비·방전(放電)장비 등이 있으며, 내부 보안장비에는 방화장비와 거주장비 등이 있다.

종류

분류

항공기는 구조에 따라 경항공기(輕航空機 lighter-than-air aircraft)와 중항공기(重航空機, heavier-than-air aircraft)로 대별된다.

경항공기는 기구나 비행선과 같은 공기보다 비중이 가벼운 수소나 헬륨 등과 같은 기체의 정부력(靜浮力)을 이용하는 것이고, 중항공기는 날개에 작용하는 양력(揚力)을 이용하는 것이다. 또한 경항공기는 동력장치가 없는 기구와 동력장치를 가진 비행선으로 분류할 수 있으며, 중항공기도 동력장치의 유무(有無)를 기준으로 나눌 수 있다.

동력장치가 없는 중항공기는 글라이더 또는 활공기(滑空機)이다. 동력장치가 달린 중항공기는 고정날개 중항공기(일반 비행기)와 회전날개 중항공기(예를 들면 헬리콥터)로 나눌 수 있다.

용도에 의해 분류하면 크게 군용기(軍用機)와 민간기(民間機)로 분류되는데, 군용기는 다시 용도에 따라서 전투기·공격기·폭격기·정찰기·초계기(哨戒機)·연락기·수송기·연습기 등으로 나누어지고, 민간기도 용도에 따라 수송기·자가용기·작업기·연습기 등으로 나누어진다.

작업기는 농업용·어업용·감시용·항공사진용으로 분류되며, 자가용기는 사업용·통근용으로 나누어진다. 기관(→ 제트기관)의 종류에 따라 따라 보편적으로 피스톤 기관 항공기, 제트 항공기, 터보프롭 항공기 등으로 나누어진다.

그밖에 부착된 주날개의 수에 따라 날개가 1개인 단엽기(單葉機), 날개를 2개 갖는 복엽기(複葉機)로 나눌 수 있고, 부착된 기관의 수에 따라 단발기(單發機)·쌍발기(雙發機)·삼발기(三發機)·사발기(四發機) 등으로 분류된다.

또 날개의 부착위치에 따라 크게 고익(高翼) 항공기, 중익(中翼) 항공기, 저익(低翼) 항공기 등으로 분류된다. 육상에서 이착륙하는 항공기를 육상기(陸上機)라고 하며 수상에서 이착륙하는 것을 수상기(水上機)라고 한다. 그리고 동체가 선박형태를 가진 것을 비행정(飛行艇)이라고 한다. 수상기 또는 비행정에 육상기의 바퀴를 부착시켜 수상과 육상에서 모두 이착륙이 가능한 항공기를 수륙양용기(水陸兩用機)라고 한다.

여기에서는 용도에 따른 분류인 군용기와 민간기에 대해 상세히 살펴보기로 한다.

군용기

제1차 세계대전의 중반까지 군용기의 제1 자격조건은 비행이 가능하다는 것뿐이었다.

그후 많은 발전을 거듭하여 용도별로 군용기의 다양화가 이루어졌다. 자기방어를 위해 비행기를 무장할 필요로부터 전투기가 생기고, 이어서 전문화된 기종이 특정의 임무수행을 위해 개발되기 시작했다. 일반적으로 육해공군을 불문하고 모든 군용기는 다음 분야 중 1가지씩을 임무로 하고 있다. 공대공의 전투(전투기), 지상원조(공격기), 공대지의 전투(폭격기), 감시(정찰기·사령부기), 병력원조(수송기·화물기), 훈련(연습기), 기타(연구를 포함한 특정 임무) 등의 분류가 가능하다.

① 전투기 : 전투기의 주요임무는 영공에 침입해오는 적기를 공격하여 파괴하는 것이다. 대부분의 경우 적기는 고성능의 전투기가 고공에서 고성능으로 비행하는 폭격기이므로 전투기는 이것들을 파괴하기 위한 성능만을 갖고 있으며, 강력한 무기로 무장되어 있다.

② 공격기 : 공격기는 전투기와 유사하지만 소형 폭탄이나 공대지 미사일을 날개의 밑에 장착하고 저공비행하여 지상의 목표물을 공격한다. 일반적으로 공격기는 전투기보다 크고 더 많은 기관이 장착되어 있으며 저공에서 기동성이 뛰어나다.

근래에는 공격기와 전투기의 기능을 합한 전투공격기도 등장했다.

③ 폭격기 : 보통 폭격기는 고공에서 핵폭탄이나 보통 폭탄을 투하하여 지상의 목표를 공격한다. 핵무기의 개발 이전에 폭격기는 비교적 대형의 것이 보편적이었으며 주위에서 고속 전투기가 적기의 공격으로부터 엄호해주어야 했다.

그러나 제2차 세계대전 후에는 강력한 제트 기관이 개발된 것과 발맞추어 고성능 전투기와 같은 성능을 갖는 장거리 폭격기의 설계가 가능해졌다. 소련과 미국이 보유하고 있는 마하 2를 넘는 초음속 폭격기가 한 예이다.

④ 정찰기 : 적의 소재나 병력을 파악한다는 것은 전장에서 상당히 중요시 되는 일이다. 공중정찰로 카메라를 이용하여 지상의 사진을 촬영한다는 것은 옛날부터 행해온 것이지만, 이 기술은 제2차 세계대전 중 고도로 발전했다.

어떤 지역의 사진을 일정한 간격으로 중복촬영하는 상당히 정밀한 사진측량기술에 의해 군대의 시설 또는 군대의 종류나 성격을 상세히 알 수 있게 되었다. 오늘날에는 고해상도의 카메라가 개발되어 사진에 의한 정찰의 정밀도가 놀랍도록 진보했다. 그후 레이더에 의한 정찰이나 지상목표로부터의 적외선이나 전파의 탐지에 의한 정찰기술이 개발되었다.

⑤ 초계기 : 초계기는 추적이 어려운 잠항중의 잠수함을 발견하는 상당히 어려운 임무를 수행한다.

요즘의 초계기는 대잠수함 탐지장비로서 레이더뿐만 아니라 잠수함이 발신하는 전파를 탐지하는 장치, 기관 배기를 탐지하는 적외선 탐지장치 등을 갖고 있으며, 몇 가지의 공격무기도 갖추고 있다. 그밖에 헬리콥터도 초계기로서 많이 사용된다. 또한 초계기에서 발전된 조기경계기도 등장했다. 이것은 최첨단의 장비로 적의 발견·추적·공격 등을 가장 유효하게 수행한다.

⑥ 수송기 : 군용수송기의 외관은 보통 상용수송기와 별차이는 없지만 기본적인 필요조건은 크게 다르다.

상용수송기는 예정된 항공로에 따라 특정 공항간을 정기적으로 운항하며 공항에서 규칙적으로 정비나 서비스 작업이 이루어지지만, 군용수송기는 정비시설이 좋지 않은 비행장을 출발하여 정해지지 않은 경로를 따라 목적지까지 비행하는 것이 보통이다. 또 화물의 성격이나 그 취급방법도 상용수송기와는 전혀 다르다. 그리고 수송기 가운데 항공연료를 수송하여 다른 비행기에 공중에서 연료를 공급하는 급유기라는 것도 있다.

⑦ 연습기 : 미국의 조종사 훈련과정 중 보통 초등교육에서 단발 피스톤 기관 연습기를 사용하고 중등교육에서 쌍발 제트 연습기를 사용한다. 영국 공군에서는 1959년에 피스톤 기관 연습기를 폐지시키고 초등교육부터 제트 연습기를 사용한다.

그러나 훈련을 위해 고성능의 연습기를 사용하는 것은 경비가 많이 들고 위험하므로 요즘에는 조종사 훈련에 비행 모의장치를 사용한다.

민간기

항공기 가운데 경항공기가 가장 먼저 민간용으로 사용되었다.

세계 최대의 비행정인 독일의 도르니에 DO-X는 100명의 승객을 태운 민간 항공기의 한 예이다. 그후 1930년대 미국의 근대적인 여객기인 보잉 247와 더글러스 DC-3 등이 등장하면서 고정날개 중항공기가 본격적으로 민간용으로 사용되기 시작했다.

① 상용수송기 : 상용수송기란 영리를 목적으로 여객이나 화물 또는 둘 다를 수송하는 비행기를 말한다. 이것은 속도·효율·신뢰성 등의 모두가 우수해야만 한다. 여객기는 쾌적한 좌석을 갖추고 적절한 공기조화의 시설을 필요로 하며, 비행거리에 따라서 적당한 식사 서비스나 그에 필요한 각종 설비를 비롯해 장거리 수송에 필요한 각종 항법·통신 장치와 탈출을 위한 비상설비 등을 갖추어야 한다.

해외로 나가는 비행기나 대륙횡단용의 대형 수송기에는 넓은 승무원 탑승공간이 필요하다. 단거리 수송기는 보통 승무원의 정원이 3명이지만, 대형 수송기의 경우에는 조종사·항공사 등 비롯해 10명 이상의 승무원이 탑승하는 경우도 있다.

상업용 수송기의 가장 중요한 특징은 객실·승무원실 등의 기내 인원용 공간은 모두 해면 부근의 기압상태로 조절되며, 정상기압의 유지를 위해 동체는 기밀(氣密)해야 하고, 선실에 공기를 공급하기 위해 공기압축기나 비상용 산소공급기 등의 장비를 갖추고 있어야 한다는 것이다.

화물기는 여객기와 같은 쾌적함과 편리함이 없고 일반적으로 조종사실만이 여객기의 경우와 똑같이 설계되어 있다. 그리고 동체의 내부장비는 최소한의 시설만 갖추어져 있고 여객기에 필요한 소음장치도 없으며, 여객기보다 훨씬 더 큰 개폐구를 갖추고 있다. 대형수송기의 경우 동체 뒷부분에 대형 문이 달려 있다.

② 자가용기 : 사업·통근의 용도나 개인적인 여행이나 레저 등을 위한 항공기 소유가 점차 증가하고 있다.

자가용기에 속하는 비행기에는 스포츠용의 소형 단좌(單座) 단발비행기에서부터 8~10명의 정원이 탑승할 수 있는 전천후 쌍발기에 이르기까지 각양각색이다. 보통 자가용기는 구조가 단순한 반면, 고급 자가용기는 항공사의 소형수송기와 유사할 정도이며 복잡한 구조를 가지고 있다. 대부분의 자가용기는 조종사를 포함해 2~4명이 탑승하도록 설계된 단발단엽기이며, 보통 공냉식 피스톤 기관으로 고정날개가 프로펠러로 추진된다.

착륙장치는 간단한 구조로 견고히 부착되어 있지만, 비교적 대형의 비행기는 비행중에 다리를 안으로 접어넣게 제작되어 있다.

③ 연습기 : 연습기의 기본적인 필요조건은 교관과 학생이 각각 조종할 수 있도록 2개의 조종장치가 부착되어 있다는 점이다. 또한 조종사나 학생에게 넓은 시야를 제공해야 하고, 조종이 용이하고, 착륙장치가 견고해야 한다.