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비행기를 띄우는 ‘양력’, 내가 지킨다!

[한국항공우주연구원의 푸른하늘] 고양력 장치


세계에서 가장 많은 승객을 태울 수 있는 비행기는 무엇일까? 답은 ‘에어버스 A380-800’다. 이 비행기에는 최대 800명의 승객이 탈 수 있고, 내부에 면세점이나 미용실 등의 편의시설도 갖춰져 있다. ‘에어버스 A380-800’의 무게는 275톤인데 그 무게가 약 2배까지 늘어나도 이륙할 수 있다.

약 550톤의 물체가 하늘을 날 수 있는 비결은 무엇일까? 바로 ‘날개’다. 비행기 날개의 단면은 새의 날개처럼 곡선으로 이뤄져 있어 위로 뜨는 힘인 양력을 받기에 유리하다. 또 날개에는 연료를 보관하는 탱크와 엔진도 붙어 있어 비행기가 앞으로 갈 수 있는 추력도 만들어낸다. 결국 비행기가 나는 데 필요한 힘(양력, 추력)이 모두 날개에서 나오는 셈이다.

 

 






이렇게 중요한 비행기 날개에 한 가지 비밀이 더 숨어 있으니, 그것이 바로 ‘고양력 장치’다. 이 장치는 비행기에 승객을 태우거나 화물을 실어 전체 무게가 늘어날 때 추가로 양력을 발생시킨다. 에어버스 A380-800의 무게가 2배로 늘어도 무사히 뜨고 내릴 수 있는 이유가 바로 여기에 있는 것이다.

양력은 비행기 날개의 면적이 넓을수록 많이 얻을 수 있다. 따라서 비행기 날개 뒤에 일정한 크기의 패널을 붙여놓으면, 필요에 따라 펼칠 수 있어 양력을 얻기에 유리하다. 이렇게 펼쳤다 접는 장치의 이름은 플랩(flap)이고, 그 종류는 비행기만큼 다양하다.

가장 간단한 플랩은 날개의 뒤에 힌지(hinge)를 붙이는 것이다. 힌지(hinge), 우리말로 경첩이라 부르는 것으로 옷장과 옷장의 문을 연결할 때 쓰이는 패널을 생각하면 된다. 이 플랩을 펼치면 날개 면적이 넓어지므로 비행기가 받는 양력을 늘릴 수 있다. 플랩과 날개를 연결할 때 바로 붙이지 않고, 틈을 만들어 두는 ‘슬롯 플랩’(Slot Flap)도 있다. 이 틈 사이로 날개 위아래의 공기가 통하므로 비행기가 양력을 얻는데 방해되는 바람이 적어진다. 덕분에 비행기는 양력을 더 많이 얻는다.

이밖에 날개 안에 넣었다 뺐다 할 수 있는 파울러 플랩(Fowler Flap)이나, 날개 아래에 붙어 각도를 조절하는 스플릿 플랩(Split Flap)도 있다. 파울러 플랩은 2단이나 3단까지 확장할 수 있으므로 짧은 플랩으로 양력을 충분히 얻지 못하는 대형 비행기에 사용하기도 한다.

플랩을 펼쳐서 할 수 있는 일이 또 있다. 펼쳐진 플랩을 아래로 꺾어 각도를 조절하는 것이다. 이때 비행기의 운동 방향과 반대로 작용하는 힘인 항력도 증가한다. 물속에 손바닥을 펴서 움직이는 것보다 손바닥을 꺾어서 움직일 때 물의 저항이 많은 것과 같은 원리다. 그래서 플랩이 작동하면 비행기가 천천히 움직여도 양력은 충분히 얻을 수 있다. 덕분에 이륙이나 착륙에 유리하다.





날개 주위의 공기를 정리해 양력을 더 많이 얻을 수 있게 돕는 장비도 있다. 비행기가 날 때 날개 위와 아래는 각각 압력이 다른 공기가 흐른다. 이 때문에 종종 공기의 소용돌이 현상 등이 나타나는데, 이런 정리되지 않은 공기는 비행기가 양력을 얻는 것을 방해한다. 따라서 날개 위와 아래의 공기가 서로 통하게 만들어 비행기 속도가 줄어드는 것도 막고, 양력도 지키게 하는 것이다. 슬랫(slat)과 슬롯(slot)이 대표적인 장치다.

슬랫은 날개 앞부분에 붙어 있다가 이륙이나 착륙 때, 정해진 위치로 튀어나온다. 날개 뒤에 붙어 있는 플랩처럼 날개 앞에 장착돼 있다가 필요할 때 앞으로 밀려나오는 것이다. 슬랫은 기본날개와의 연결부위에 공간을 만들어 이 틈을 따라 공기가 흐르게 한다. 덕분에 양력에 방해되는 공기가 정리된다.

 

 






슬롯은 자판기에 있는 동전 투입구를 생각하면 쉽게 이해할 수 있다. 슬롯은 영어로 ‘무엇을 집어넣도록 만든 가느다란 구멍’을 뜻하는 말인데, 비행기 날개에도 이런 구멍이 뚫려 있어 날개 주변의 공기 흐름을 유연하게 만든다. 슬랫과 마찬가지 원리이지만 움직이는 것이 아니라 날개에 고정적으로 뚫려 있다는 점이 다르다.

이런 고양력 장치들을 조합하면 비행기의 성능을 뛰어나게 만들 수 있다. 플랩을 작동시켜 날개의 면적을 넓게 만들고, 슬랫과 슬롯으로 날개 주변 공기 흐름을 정리하면 활주로가 짧은 곳에서도 비행기가 이륙할 수 있고, 산이나 언덕 같은 장애물에서도 안전하게 내릴 수 있다.

앞으로 비행기 여행을 하게 된다면 날개를 유심히 관찰해 보자. 날개 앞쪽에 있는 슬롯이나 슬랫을 찾으면, 또 이륙이나 착륙 때 움직이는 플랩을 보면 비행기 여행이 색다르게 느껴질지도 모른다.

 

 



박태진 동아사이언스 기자 tmt1984@donga.com




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