비행
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1. 개요
비행은 동물이 날개를 이용해 날아다니거나 기계가 공중을 나는 현상을 포괄하는 개념이다. 동물의 비행은 날갯짓, 활공, 활강, 호버링 등 다양한 방식으로 이루어지며, 곤충, 새, 박쥐 등이 대표적이다. 기계 비행은 비행기, 글라이더, 헬리콥터, 우주선 등 기계를 사용하여 이루어지며, 인류는 열기구, 비행선, 글라이더 등을 거쳐 동력 비행기를 개발했다. 비행의 원리는 부력, 공기역학적 힘, 추진력, 양력, 항력, 중력 등의 상호작용에 의해 설명되며, 비행역학, 에너지 효율, 항속 거리, 출력 대 중량비 등이 중요한 요소로 작용한다. 비행은 이륙, 착륙, 유도, 항법, 제어 등의 과정을 거치며, 항공 안전을 확보하기 위한 다양한 노력이 이루어진다.
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- 비행 - 날개
날개는 원래 조류의 앞다리를 지칭하는 고대 노르웨이어에서 유래되었으나, 현재는 유체와의 상호작용으로 양력을 얻는 물체, 예를 들어 항공기 날개, 수중익선, 레이싱카 윙, 범선의 돛, 프로펠러, 회전익, 그리고 익룡, 조류, 박쥐의 비상 기관 등을 포괄하는 용어로 사용되며, 항공역학의 핵심 요소이자 자유와 꿈 등의 상징으로도 활용된다. - 비행 - 위협비행
위협비행은 항공기가 타국의 영공이나 시설에 근접하여 위협을 주는 행위로, 국제민간항공기구는 민항기의 위험한 비행을 금지하며 군용기의 경우 군사적 긴장을 고조시키는 요인이 될 수 있다. - 공기역학 - 항력
항력은 유체 내에서 움직이는 물체에 작용하여 물체의 운동을 방해하는 유체 저항력이며, 유체의 밀도, 물체의 속도, 기준 면적, 항력 계수 등에 의해 결정된다. - 공기역학 - 추력
추력은 물체를 특정 방향으로 가속시키는 힘으로, 단위 시간당 운동량 변화율과 같으며, 프로펠러 회전, 제트 엔진 배기가스 분출 등 다양한 방식으로 발생하고 이동 및 제어에 필수적인 요소이다.
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2. 동물의 비행
동력 비행을 하는 동물은 곤충, 새, 박쥐뿐이며, 그 밖의 여러 동물은 진화를 통해 활공을 할 수 있다. 공룡과 동시대에 살았던 파충류인 멸종된 익룡도 매우 성공적인 비행 동물이었다. 이들의 날개는 모두 독립적으로 진화했다. 날아다니는 척추동물의 날개는 모두 앞다리를 기반으로 진화했으나, 그 구조는 크게 다르다. 곤충의 날개는 대부분의 다른 절지동물에서 아가미를 형성하는 구조가 고도로 변형된 것이다.[4]
박쥐는 수평 비행을 할 수 있는 유일한 포유류이다.[5] 그러나 하늘다람쥐와 같은 활공 포유류는 사지 사이에 살이 많은 막을 이용하여 나무 사이를 활공할 수 있으며, 일부는 높이 손실 없이 수백 미터를 이동할 수 있다. 날개개구리는 크게 확대된 물갈퀴 발을, 블랜포드날도마뱀은 펼칠 수 있는 갈비뼈를 이용하여 활공한다. “비행” 뱀도 모바일 갈비뼈를 사용하여 몸을 공기역학적 형태로 평평하게 만들어 활공한다.
날치는 날개 모양의 확대된 지느러미를 사용하여 활공하며, 수백 미터를 활공하는 모습이 관찰되었다. 이는 수중 포식자로부터 탈출하는 효과적인 수단으로 자연 선택된 결과이다. 날치의 최장 비행 기록은 45초였다.[6]
대부분의 조류는 비행한다(''조류 비행'' 참조). 예외적으로 타조와 에뮤는 날지 못하는 새이며, 멸종된 도도새와 포루스라코스도 날지 못했다. 펭귄은 날개가 물속에서 사용하도록 적응되어, 다른 조류가 비행에 사용하는 것과 동일한 날개 움직임을 수영에 사용한다. 대부분의 작은 날지 못하는 새는 작은 섬이 원산지이며, 비행이 거의 이점을 제공하지 못하는 생활 방식을 가지고 있다.
비행하는 현존하는 동물 중에서 알바트로스는 최대 3.5m의 가장 큰 날개 길이를 가지고 있으며, 큰자고새는 최대 21kg의 가장 큰 무게를 가지고 있다.[7]
대부분의 곤충은 성충이 되면 날 수 있다. 곤충 비행은 선두 가장자리 와류를 생성하거나(총채벌레와 같은 매우 작은 곤충은 제외) 박수치기를 사용하는 두가지 공기역학적 모델중 하나를 사용한다.[8][9]
많은 종의 거미, 응애, 나비목은 벌룬 비행이라는 기술을 사용하여 기류를 타는데, 이는 거미줄을 노출시켜 바람과 대기의 전기장에 의해 들어올려진다.
2. 1. 비행 방법의 분류
동물의 비행 방법은 크게 날갯짓 비행, 활공, 활강으로 나눌 수 있으며, 일부는 호버링(정지 비행)을 하기도 한다.[4]
| 비행 방법 | 해당 동물 |
|---|---|
| 날갯짓 비행 | 조류의 대부분, 곤충류, 박쥐 |
| 날갯짓에 의한 호버링 | 극소형 조류 및 일부 곤충 |
| 활공 | 대형 조류의 대부분 |
| 활강 | 하늘다람쥐, 날다람쥐, 주머니하늘다람쥐, 날원숭이, 날도마뱀, 날치 등 |
- 날갯짓 비행: 날개를 펄럭여 추진력을 얻는 비행 방식이다. 조류 대부분, 곤충류, 박쥐가 이에 해당한다.
- 활공: 날갯짓을 하지 않고 공기의 흐름을 타는 비행 방식이다. 대형 조류들이 주로 활공을 한다.
- 활강: 날갯짓을 하지 않고 상승 기류를 이용하여 비행하는 방식이다. 하늘다람쥐, 날다람쥐, 주머니하늘다람쥐, 날원숭이, 날도마뱀, 날치 등이 활강을 한다.
- 호버링: 앞뒤로 이동하지 않고 공중의 한 지점에 정지하는 비행이다. 극소형 조류 및 일부 곤충은 날갯짓을 통해, 매와 같은 새는 맞바람을 이용하여 호버링을 한다.
체중이 1kg보다 가벼운 척추동물은 날갯짓으로 비행한다. 계속 날갯짓하며 직선으로 비행하거나, 날갯짓과 날개 닫기를 반복하며 활공하여 파상으로 비행(파상 비행, 바운딩 플라이트)한다. 소형 조류는 공중에서 날개를 기울이며 위 또는 아래로 쳐서 날개를 앞으로 활공시킴으로써 추력을 얻는다. 땅굴올빼미나 벌새는 제자리 비행을 한다. 참새나 딱새 등에서도 순간적으로 제자리 비행을 하는 경우도 있다.
무거운 체중을 가진 척추동물은 이륙할 때 비행기처럼 활주해서 날아오르거나, 높은 곳에서 뛰어내리는 경우가 많다. 평상시에는 날갯짓을 거의 하지 않고, 활공 (활강)하거나 글라이더나 행글라이더처럼 상승 기류를 이용한다. 수리과의 대형 조류는 태양열로 데워진 지면에서 발생하는 상승 기류를 날개로 받아서 비행한다. 갈매기 등의 바닷새는 장시간 활공을 하는데, 가로세로비 (종횡비)가 큰 날개를 가지고 있으며, 날개와 몸체의 이음새 등이 매끄럽고, 양항비가 커서 활공비가 높다. 또한 바다에서 불어오는 바람이 뱃전이나 방파제, 절벽 등에 부딪혀 생기는 상승 기류로 공중에 머물기도 한다 ('''사면 활공'''). 매과의 새는 1차 날개깃을 펼침으로써 날개 끝 와류를 효과적으로 정형 내지 억제하여 양항비를 높인다고 한다. 프테라노돈 등의 대형 익룡은 체중과 날개의 크기로 인해 활공밖에 할 수 없었다고 생각되던 시대가 있었으나, 연구가 진행되면서, 수 분에 한 번 정도의 비율로 날갯짓을 하고 있다는 연구도 나오고 있다.[43]
2. 2. 곤충의 비행
곤충은 지구상에서 가장 먼저 비행을 시작한 동물군이다.[3] 곤충의 날개는 기본적으로 2쌍 4장으로 구성되어 있으며, 나는 방식도 다양하다.잠자리는 앞뒤 날개를 따로 움직여 나는 방식을 취하며, 원시적인 특징을 많이 간직하면서도 모든 곤충 중에서도 고도의 비행을 한다. 나비는 앞뒤 2쌍의 날개를 동시에 위아래로 움직여 상승과 활공을 반복하며 이동한다. 이로 인해 격렬하게 상하운동을 하므로 나비의 비행은 종종 "펄럭펄럭"이라는 의성어로 표현된다. 날개 면적이 매우 작아 떨어지는 속도가 느리므로 직접 아래 방향으로 기류를 발생시킨다. 다른 많은 곤충도 앞뒤 날개를 동시에 움직여 실질적으로 1쌍의 날개처럼 사용한다.
개미부치나 파리 무리에서는 앞날개 또는 뒷날개가 평형곤으로 변형되어 있다. 파리목 곤충이 매우 고도의 비행을 실현하는 것은 이 평형곤을 가지고 있기 때문으로 여겨진다.
딱정벌레목 곤충은 비행 시 딱지날개라고 불리는 굳어진 앞날개를 펼친다. 딱지날개는 주로 양력을 증가시키는 역할을 하지만, 좌우의 받음각을 바꿈으로써 자세를 잡거나, 바람을 받아 에어 브레이크 역할을 하므로, 비행 능력이 뛰어나지 않은 딱정벌레에게 필수적인 요소가 된다. 이에 반해, 꽃무지아과에 속하는 많은 딱정벌레는 딱지날개를 약간 들어 올려 복부와의 틈을 만들고, 그 아래에서 뒷날개를 펼쳐 뒷날개만으로 비행하는 방식을 취한다. 이것으로 다른 많은 딱정벌레에 비해 훨씬 기민한 비행이 가능해진다.
장수풍뎅이는 몸을 수직으로 하고 비행하는 특징이 있다.
2. 3. 척추동물의 비행
박쥐는 수평 비행을 할 수 있는 유일한 포유류이다.[5] 그러나 사지 사이에 살이 많은 막을 사용하여 나무에서 나무로 활공할 수 있는 여러 활공 포유류가 있으며, 일부는 높이 손실 없이 수백 미터를 이동할 수 있다. 날개개구리는 유사한 목적으로 크게 확대된 물갈퀴 발을 사용하며, 블랜포드날도마뱀은 모바일 갈비뼈를 펼쳐 평평한 활공 표면을 만든다. “비행” 뱀도 모바일 갈비뼈를 사용하여 몸을 공기역학적 형태로 평평하게 만들며, 지상에서 사용하는 것과 매우 유사한 앞뒤 움직임을 보인다.날치는 날개 모양의 확대된 지느러미를 사용하여 활공할 수 있으며, 수백 미터를 활공하는 모습이 관찰되었다. 이 능력은 자연 선택에 의해 선택된 것으로 여겨지는데, 이는 수중 포식자로부터 탈출하는 효과적인 수단이기 때문이다. 날치의 최장 비행 기록은 45초였다.[6]
대부분의 조류는 비행한다(''조류 비행'' 참조). 예외적으로 가장 큰 조류인 타조와 에뮤는 땅에 묶인 날지 못하는 새이며, 현재 멸종된 도도새와 신생대 남아메리카의 지배적인 포식자였던 포루스라코스가 있다. 비행하지 않는 펭귄은 물 속에서 사용하도록 날개가 적응되었으며, 다른 대부분의 조류가 비행에 사용하는 것과 동일한 날개 움직임을 수영에 사용한다. 대부분의 작은 날지 못하는 새는 작은 섬이 원산지이며, 비행이 거의 이점을 제공하지 못하는 생활 방식을 이끌어간다.
비행하는 현존하는 동물 중에서 알바트로스는 최대 3.5m의 가장 큰 날개 길이를 가지고 있으며, 큰자고새는 최대 21kg의 가장 큰 무게를 가지고 있다.[7]
동물의 비행은 크게 날개나 날개를 펄럭이는 것과 펄럭이지 않는 것으로 분류된다.
날개를 펄럭여 추진력을 얻는 것을 "'''날갯짓 비행'''"으로 분류하며, 날갯짓을 하지 않는 쪽은 '''활공'''(글라이딩)과 "'''활강'''"(소어링, 상승 기류를 이용한 비행)으로 나뉜다.
또한, 앞뒤로 이동하지 않고 공중의 한 지점에 정지하는 행동은 "'''호버링'''"(정지 비행)이라고 불린다. 호버링은 일반적으로 날갯짓을 하거나 맞바람을 맞음으로써 이루어진다.
체중이 1kg보다 가벼운 척추동물은 날갯짓으로 비행한다. 계속 날갯짓하며 직선으로 비행하는 것과 날갯짓과 날개 닫기를 반복하며 활공하여 파상으로 비행(파상 비행, 바운딩 플라이트)하는 것이 있다. 소형 조류의 경우 공중에서 날개를 기울이며 위 또는 아래로 쳐서 날개를 앞으로 활공시킴으로써 추력을 얻는다.
땅굴올빼미나 벌새는 제자리 비행을 한다. 참새나 딱새 등에서도 순간적으로 제자리 비행을 하는 경우도 있다. 모든 비행을 제자리 비행으로 하려면 체중이 10g 이하이고 항상 영양을 섭취해야 한다. 벌새가 꽃이 많은 열대에서 서식지를 넓힐 수 없는 것은 이 때문이다.
무거운 체중을 가진 척추동물은 이륙할 때 비행기처럼 활주해서 날아오르거나, 높은 곳에서 뛰어내리는 경우가 많다. 평상시에도 날갯짓을 거의 하지 않고 활공(활강)하거나 글라이더나 행글라이더처럼 상승 기류를 이용하는 경우가 있다. 이는 체중이 무거울수록 날갯짓하기가 어려워지기 때문이다.
수리과의 대형 조류는 태양열로 데워진 지면에서 발생하는 상승 기류를 날개로 받아서 비행한다. 따라서 날개는 단위 면적당 발생하는 공기력('''날개 하중''')이 작다. 날갯짓에 의한 비행은 수 초에서 수십 초밖에 지속될 수 없다.
갈매기 등의 바닷새는 장시간 활공을 하는데, 이러한 새는 가로세로비(종횡비)가 큰 날개를 가지고 있으며, 날개와 몸체의 이음새 등이 매끄럽고, 양항비가 커서 활공비가 높다(1m 하강하는 동안 몇 미터 나아갈 수 있는지가 활공비). 또한 바다에서 불어오는 바람이 뱃전이나 방파제, 절벽 등에 부딪혀 생기는 상승 기류로 공중에 머물기도 한다('''사면 활공'''). 먹이를 주지 않아도 관광 페리 등에 갈매기가 모이는 것은, 바다가 장애물이 적고 지열에 의한 상승 기류도 없기 때문이다. 이 외에, 바다새목의 새들이 하는 동적 활공(다이내믹 소어링)이라고 불리는 윈드 시어를 이용한 활공이 있다.
매과의 새는 가로세로비가 그렇게 크지 않지만, 1차 날개깃을 펼침으로써 날개 끝 와류를 효과적으로 정형 내지 억제하여 양항비를 높인다고도 한다. 단순히 날개 폭이 커지지 않은 이유로는, 탁 트인 곳에서의 비행이 많은 바닷새와 달리, 숲 속 등 장애물이 많은 곳에서의 비행에 적응했기 때문 등으로 추측된다.
프테라노돈 등의 대형 익룡은 체중과 날개의 크기로 인해 활공밖에 할 수 없었다고 생각되던 시대가 있었다. 그러나 연구가 진행되면서, 수 분에 한 번 정도의 비율로 날갯짓을 하고 있다는 연구도 나오고 있다.[43]
3. 기계 비행
기계 비행은 기계를 사용하여 비행하는 것이다. 여기에는 비행기, 글라이더, 헬리콥터, 오토자이로, 비행선, 기구, 우주선 등의 항공기가 포함된다.[41] 글라이더는 동력 없이 비행할 수 있으며, 패러세일링과 같이 낙하산과 같은 물체를 배를 이용해 당기는 형태도 기계 비행의 일종이다. 일반적으로 비행기는 날개를 통해 양력을 얻는다.[41]
비행기 날개의 형태는 원하는 비행 유형에 맞게 특별히 설계되며, 템퍼드, 반 템퍼드, 후퇴익, 직사각형, 타원형 등 다양한 유형이 있다. 항공기 날개는 에어포일이라고도 불리며, 공기가 흐를 때 양력을 생성하는 장치이다.[41]
3. 1. 비행의 역사 (항공사)
라이트 형제는 라이트 플라이어 호에 12마력으로 추정되는 엔진을 탑재하여 두 개의 프로펠러를 구동, 추진력을 생성하고 고정된 두 개의 휨 날개로 양력을 생성하여 비행했다. 에일러론은 주익 앞에 있었으며, 현재 일반적인 비행기의 에일러론이 주익 뒤에 있는 것과 비교하면 앞뒤가 반대였다. 조종사는 엎드린 자세로 레버를 쥐고 비행 자세를 제어했다. 지표면에서 수십 cm 높이에서 수평 비행을 했고, 4번의 비행을 반복하며 기록을 늘렸으며, 4번째 비행에서 59초 동안 260m를 비행했다.[19]
라이트 플라이어 호에서는 거의 직선 비행만 가능했지만, 이윽고 선회가 가능한 기체가 개발되었다.
제1차 세계 대전 초기, 비행기에 의한 적지 정찰이 시작되었다. 처음에는 무기도 탑재하지 않고 조종사끼리 한가롭게 손을 흔들었지만, 이윽고 비행 중에 공중에서 물건을 던지거나, 서로 권총으로 쏘는 일이 벌어졌다.[47] 제1차 세계 대전 중에는 기관총을 탑재한 전투기에 의한 공중전이 전술로 정착되었다.
비행 기술의 고도화는 다양한 방향으로 이루어졌으며, 그 중 하나는 공중에서 자유자재로 움직이는 것을 목표로 했다. 기체의 개량과 조종 기술의 발달로 공중제비, 롤링, 배면 비행 등이 가능해졌다. 공중전에서 적기를 상대로 유리한 위치를 차지하기 위해 사용되었다.
다른 목표는 고속화였다. 1947년에는 미국의 벨사 X-1로 수평 비행에서 음속을 초과하는 수평 비행 (초음속 비행)을 실현했다.
현재의 제트 여객기는 순항 시 고도 10,000m (30,000피트) 정도를 비행하지만, 그 순항 속도는 일반적으로 대기 속도로 860km/h 전후로, 음속의 약 0.83배에 해당한다. 고고도에서는 공기가 극도로 희박해지므로 양력이 극도로 감소하며, 저고도에서 보여주는 중·저속으로는 비행할 수 없다. 또한 여객기는 일반적으로 음속으로 비행할 수 있도록 설계되지 않았으며 속도에도 상한이 있다. 즉, 제트 여객기가 고고도에서 안전하게 비행할 수 있는 속도의 폭은 상당히 좁다. (단, 최근 비행기에서는 고고도를 비행할 때 오토파일럿으로 적절한 속도를 유지하고, 조종사도 적절한 속도를 설정하도록 훈련받고 습관화되어 있기 때문에 기본적으로 문제는 발생하지 않는다. 다만, 긴급 시에 고고도에서 어떤 이유로 속도를 줄이는 조작을 실수로 하면, 갑자기 심각한 문제에 직면하게 된다.)
3. 2. 열기구 비행
몽골피에 형제가 개발한 열기구는 인류 최초의 유인 비행 장치이다.[1] 열기구는 바람에 따라 이동하므로 방향 조절이 어렵지만, 유람 비행 등에 사용되었다.[1]3. 3. 비행선 비행
1852년, 앙리 지파르는 동력 비행선을 개발하여 방향 조절이 가능한 비행을 실현했다.
3. 4. 글라이더 비행
오토 릴리엔탈은 19세기 후반에 200회 이상 활공 비행을 했으며, 비행을 과학적으로 이해한 최초의 인물 중 한 명이었다. 그의 연구는 라이트 형제에 의해 재현되고 확장되었다.[19]
글라이더는 동력 없이 활공하는 비행 장치이다. 글라이더라는 명칭은 '활공(glide)'에서 유래했다. 1m 내려가는 동안 몇 m 정도 앞으로 나아갈 수 있는지를 나타내는 값을 "활공비"라고 하는데, 최근 글라이더는 공기역학적 성능이 향상되어 일반적인 기체는 수십 대 1 정도의 활공비로 비행할 수 있으며, 경기용 글라이더는 40대 1 정도의 활공비로 비행하도록 설계되어 있다.
글라이더는 상승기류가 있는 공간을 비행하면 상승할 수 있다. 상승기류가 글라이더를 위로 끌어올려 동력이 없음에도 상승하게 된다. 일반적으로 글라이더 비행에서는 지표면이 태양열로 데워져 생기는 상승기류를 찾아 선회하며 나선 모양으로 상승하여 고도를 확보한다.
솔개 등의 새가 날개를 움직이지 않고 창공에서 상승기류를 찾아 빙글빙글 돌면서 상승하는 경우가 있는데, 글라이더 조종사는 그것을 모방하여 같은 원리로 고도를 확보하는 비행을 한다. 엔진 소리가 나지 않아 매우 조용하게 비행하는 것도 글라이더 비행의 매력 중 하나이다.
글라이더의 연속 항행 거리 세계 기록은 안데스 산맥에서 세워진 것으로 3,000km를 넘는다.
3. 5. 동력 고정익기 비행
20세기 초, 미국의 라이트 형제는 고정익 동력기 라이트 플라이어호를 제작하여 1903년 12월 17일 최초의 동력 비행에 성공했다. 이 비행기는 고정된 날개와 프로펠러를 이용해 추진력을 얻는 방식이었다.[41]
3. 5. 1. 기본 원리
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고정익 항공기는 추진을 통해 공기가 날개에 부딪혀 힘을 발생시킨다. 날개에 받음각이 있으면 아래쪽 면에 공기가 부딪혀 뒤쪽 위쪽 방향으로 힘이 발생한다.[4] 이 힘은 지면에 대해 수직 방향의 힘(양력, 중력과 반대 방향), 진행 방향과 반대 방향의 힘(항력)으로 분해된다. 기체는 중력에 의한 아래 방향의 힘을 날개가 만드는 양력으로 상쇄하여 자유 낙하를 피한다.[4]
날개는 평평한 판 모양으로도 양력을 발생시킬 수 있으며, 받음각이 있으면 양력이 발생한다. 윗면을 곡면(어묵 모양)으로 만들면 양력이 더 커진다.[4] 이는 날개 윗면을 곡면으로 하면 공기 흐름이 날개에서 떨어져 발생하는 난류를 막을 수 있고, 윗면에 난류가 적을수록 양력이 커지기 때문이다.[4] 받음각은 보조익에 의해 만들어지는 힘으로 기체의 전후 기울기를 변화시켜 조정한다.[4]
초기 프로펠러를 갖춘 고정익 항공기는 프로펠러 회전으로 기체를 앞으로 미는 힘(추진력)을 만든다.[4]
3. 5. 2. 라이트 플라이어 호
라이트 형제는 라이트 플라이어 호에 12마력으로 추정되는 엔진을 탑재하여 두 개의 프로펠러를 구동해 추진력을 만들고, 고정된 두 개의 휨 날개로 양력을 만들어 비행했다. 에일러론은 주익 앞에 있었는데, 오늘날 일반적인 비행기의 에일러론이 주익 뒤에 있는 것과 비교하면 앞뒤가 반대였다. 조종사는 엎드린 자세로 레버를 쥐고 비행 자세를 제어했다. 지표면에서 수십 cm 높이에서 수평 비행을 했고, 4번의 비행을 반복하며 기록을 늘렸으며, 4번째 비행에서 59초 동안 260m를 비행했다.[41]
3. 5. 3. 현대의 고정익기
제1차 세계 대전 초기에는 비행기를 이용해 적지를 정찰했다. 처음에는 무기를 싣지 않고 조종사끼리 서로 손을 흔들었지만, 시간이 지나면서 비행 중에 물건을 던지거나 권총으로 서로 쏘는 일이 벌어졌다.[47] 제1차 세계 대전 중에는 기관총을 장착한 전투기를 이용한 공중전이 전술로 자리 잡았다.비행 기술은 여러 방향으로 발전했는데, 그중 하나는 공중에서 자유롭게 움직이는 것을 목표로 했다. 기체와 조종 기술이 발달하면서 공중제비, 롤링, 배면 비행과 같은 곡예 비행이 가능해졌다. 이러한 기술은 공중전에서 적기보다 유리한 위치를 차지하기 위해 사용되었다.
또 다른 목표는 속도를 높이는 것이었다. 1947년, 미국의 벨사 X-1은 수평 비행에서 음속을 넘는 초음속 비행을 실현했다.
오늘날의 제트 여객기는 순항할 때 약 10,000m(30,000피트) 높이에서 비행하며, 순항 속도는 대기 속도로 약 860km/h로, 음속의 약 0.83배이다. 높은 고도에서는 공기가 매우 희박해져서 양력이 크게 줄어들기 때문에, 낮은 고도에서처럼 중간이나 낮은 속도로는 비행할 수 없다. 또한 여객기는 보통 음속으로 비행하도록 설계되지 않았고 속도에도 제한이 있다. 즉, 제트 여객기가 높은 고도에서 안전하게 비행할 수 있는 속도의 범위는 상당히 좁다. (하지만 최근 비행기에서는 높은 고도를 비행할 때 자동 조종 장치(오토파일럿)로 적절한 속도를 유지하고, 조종사도 적절한 속도를 설정하도록 훈련받고 습관화되어 있기 때문에 기본적으로 문제는 발생하지 않는다. 다만, 긴급 상황에서 높은 고도에서 어떤 이유로 속도를 줄이는 조작을 실수로 하면 갑자기 심각한 문제에 직면할 수 있다.)
3. 6. 회전익기 비행
헬리콥터는 기체 상부에서 날개(로터)를 회전시켜 양력을 발생시켜 비행한다. 헬리콥터 비행의 큰 특징 중 하나는 공중의 한 지점에서 정지해 있을 수 있다(호버링)는 것이다.메인 회전익(로터)이 하나인 싱글 로터 헬리콥터는 메인 로터에 의해 기체에 반작용이 생겨 회전하는 것을 테일 로터에 의한 반대 방향의 힘으로 방지한다.[42]
헬리콥터는 메인 로터의 회전면을 진행 방향으로 기울여 전진, 후진, 횡방향 등으로 이동한다. 메인 로터는 회전 각도에 따라 빠르게 받음각의 변화(페더링)를 반복하는데, 예를 들어 기체의 후방 부근에서 받음각이 커지도록 하여 양력이 커지면 회전면이 앞으로 기울어져 기체가 전방으로 움직이기 시작한다.[42]
주요 회전익이 2개인 트윈 로터는 2개의 로터가 역방향으로 회전하여 반작용을 서로 상쇄한다. 전후 좌우로 이동하는 원리는 싱글 로터 타입과 같다.[42]
3. 7. 전동 멀티콥터 비행
멀티콥터는 3개 이상의 로터를 가진 회전익기를 말하며, 최근에는 소형 전동 멀티콥터가 드론이라는 이름으로 널리 사용되고 있다.[48][49][50] 공중 촬영과 같은 분야에서 활발히 활용되며, 이전에는 경비행기나 헬리콥터, 모터 패러글라이더가 사용되던 분야를 대체하고 있다.사람이 탑승하는 전동 멀티콥터도 개발 중이며, 일부는 이미 상용화되어 판매되고 있다.[51][52][53]
| 국가 및 기업 | 내용 |
|---|---|
| 아랍에미리트 두바이 | 2017년에 조종사 없이 목적지를 설정하면 자동으로 비행하는 자동 조종 공중 택시 도입 계획을 발표했다. |
| 보잉 | 2018년에 최대 적재량 200kg이 넘는 멀티콥터 개발에 착수했다. |
| 에어버스 | 전동 모터로 비행하면서도 주익을 갖춘 디자인을 채택하여 개발에 참여하고 있다. |
| 미국 오프너 블랙플라이(Opener BlackFly) | 이미 실용적인 이동 수단으로 판매되고 있으며, 기체 무게가 142kg에 불과하여 미국에서는 면허 없이 비행할 수 있다. 가격은 한화로 수천만 원 정도이며, 주로 부유층을 대상으로 판매되고 있다. |
| 스웨덴 Jetson | 1인승 전동 멀티콥터도 2021년부터 일반 판매가 이루어지고 있다. |
| 일본 아이치현 도요타시 스카이드라이브(SkyDrive) | 2020년 8월 전동 멀티콥터 실험기 SD-03의 유인 실험 비행에 성공했다. |
| 중국 | 초기 단계부터 자동 조종 기능을 탑재한 유인 전동 멀티콥터가 개발되어, 2022년 시점에서 이미 실용화되어 유람 비행에 사용되고 있다. |
이러한 유인 전동 멀티콥터의 비행 모습은 유튜브 등에서 확인할 수 있다.
유인 전동 멀티콥터는 아직 초기 단계로, 디자인, 프로펠러 수, 비행 방식 등에 대한 표준이 정해지지 않았지만, 앞으로 여러 해를 거치면서 발전하고 경쟁하며 디자인이 수렴될 것으로 예상된다.
3. 8. 행글라이더
행글라이더는 사람이 날개와 비슷한 구조의 기구를 이용하여 활공하는 비행 장치이다. 11세기 영국의 수도사 에일머 오브 말름즈베리가 활공에 성공한 것으로 추정되는 기록이 있으며, 15세기 레오나르도 다 빈치는 동력 비행은 실패했지만, 그의 친구이자 협력자인 토마소 마시니가 피렌체 근처의 언덕에서 1000m 정도를 활공하는데 성공했다는 기록이 남아있다.[41]3. 9. 패러글라이더, 패러모터
패러글라이더는 낙하산과 비슷한 형태의 날개를 이용하여 활공하는 비행 장치이며, 패러모터는 패러글라이더에 추진 장치를 더한 것이다.3. 10. 기타 비행
최근에는 비행기 등을 이용하는 방식, 즉 큰 상자 안에 들어가서 나는 것에 만족하지 못하고, 가능한 한 새와 같은 감각으로 날고 싶어하는 사람들도 있다.
몇 가지 방법이 있는데, 하나는 제트 엔진이 달린 작은 고정익만을 등에 짊어지고, 말하자면 작은 "인간 제트기"가 되어 나는 방법이다. 전 스위스 공군 전투기 조종사이자 현재 여객기 조종사인 이브 로시는 취미로 제트 윙의 개발·개량을 오랫동안 거듭하여, 2008년 9월 26일에는 도버 해협을 프랑스에서 영국 측까지 약 35km 정도 비행하는 데 성공했다. 구체적으로 말하면, 먼저 소형 비행기에 탑승하여, 기내에서 제트 윙을 장착하고, 프랑스 측 상공 2500m에서, 스카이다이빙 요령으로 공중으로 뛰어내려, 공중에서 낙하하면서 제트 엔진을 시동, 공중에서 수평 비행으로 전환한 후, 시속 200km/h가 넘는 속도로 영국으로 비행하여, 목적지 상공에 가까워진 단계에서 제트 엔진을 정지하고, 낙하산을 펴서 착륙했다. 약 10분 정도의 비행이었다. 날개는 형태가 변화하는 부분(플랩이나 에일러론 등)은 전혀 없고, 비행 자세 제어는 로시 자신이 자신의 손과 다리 각도를 약간 변화시키는 것으로 한다. 비행 속도가 200km/h로 충분히 고속이므로, 손바닥을 약간 움직이는 것만으로도 격렬하게 롤하고, 발가락을 약간 움직이는 것이 비행기의 수직 꼬리날개 조작에 해당한다.[41]
또한, 글라이더를 극단적으로 작게 만든 상태, 말하자면 "인간 글라이더"가 되어 활공을 즐기는 사람들도 최근 나타났다. 1999년에는 핀란드의 BIRDMAN사에서 윙수트가 처음으로 시판되었으며, 그 이후, 해당 수트로 비행하는 것을 애호하는 사람들이 있다. 절벽 위에서 공중으로 뛰어내려 활공하거나, 상공의 비행기에서 공중으로 뛰어내려 활공을 시작한다. 2011년 5월 28일에는, 미국 캘리포니아주에서 이토 신이치가 상공 9,754m에서 강하하여 수평 거리로는 23.1km(=23,100m)를 5분 만에 활공했다고 한다.
플라잉 보드(Flyboard)는 해양 스포츠의 일종으로, 호스에서 분출되는 물의 압력을 이용하여 최대 10m 가까이 공중에 떠오를 수 있다.[54]
4. 비행의 종류
비행은 부력을 이용해 에너지를 소모하지 않고 공중에 뜨는 부력 비행과, 양력을 생성하여 무게를 극복하는 공기역학적 비행으로 나눌 수 있다. 공기역학적 비행체에는 비행하는 동물과 곤충, 고정익 항공기, 회전익 항공기가 포함된다. 이들은 공기를 통과할 때 발생하는 항력을 공기 추진으로 극복하지만, 활공은 그렇지 않다. 로켓이나 해리어 점프 제트처럼 양력 대신 추력을 사용하기도 한다.
4. 1. 부력 비행
공기 중의 부력을 이용하여 땅에서 떠오르고 날아가는, 공기보다 가벼운 탈것을 만들 수 있다. 기구나 비행선 등이 그 예이다.[1][2]
'''정지비행체'''는 항공기에 공기와 동일한 전체 밀도를 제공하기 위해 주로 부력을 사용하여 공중에 떠 있는 시스템이다. 정지비행체에는 자유 기구, 비행선, 계류 기구가 포함된다. 정지비행체의 주요 구조 구성 요소는 리프팅 가스의 부피를 둘러싸는 가볍고 얇은 피부인 외피이며, 여기에 다른 구성 요소가 부착된다.
정지비행체는 상승력을 발생시키기 위해 주변 공기 덩어리를 가로로 이동할 필요가 없는 부력인 "정지 기압" 양력을 사용하기 때문에 그렇게 명명되었다. 반대로, 공력기는 주로 공기 역학적 양력을 사용하며, 이는 주변 공기 덩어리를 통과하는 항공기의 적어도 일부의 가로 이동을 필요로 한다.
4. 2. 공기역학적 비행
공기역학적 비행체는 양력을 생성하여 무게를 극복해야 한다. 비행체가 공기를 통과하면서 발생하는 공기 저항을 항력이라고 하며, 공기 추진을 통해 극복되지만 활공의 경우에는 그렇지 않다. 로켓과 해리어 점프 제트와 같이 양력 대신 추력을 사용하기도 한다.4. 2. 1. 무동력 비행과 동력 비행
날다람쥐처럼 별도의 추진력 없이 하늘을 활공하는 것을 무동력 비행이라고 한다. 글라이더는 상승 기류를 이용하여 동력 없이 더 높은 고도로 올라갈 수 있다. 맹금류도 상승 기류를 이용하여 활공한다.[38]대부분의 새와 모든 동력 항공기는 하늘을 날기 위해 추진력이 필요한데, 이를 동력 비행이라고 한다.[38]
4. 2. 2. 탄도 비행
탄도 비행은 공, 화살, 총알, 불꽃놀이 등과 같이 양력을 거의 발생시키지 않고 운동량, 중력, 공기 저항, 그리고 경우에 따라 추력에 의해 움직이는 비행을 의미한다.[37][38]4. 2. 3. 우주 비행
우주 기술을 사용하여 우주선을 우주 공간으로 비행시키는 것을 의미하는 우주 비행은 본질적으로 극단적인 형태의 탄도 비행이다. 탄도 미사일, 궤도 우주 비행 등이 우주 비행의 예시이다.[11]우주 비행은 우주 탐사에 사용되며, 우주 관광 및 위성 통신과 같은 상업 활동에도 사용된다. 우주 비행의 다른 비상업적 용도로는 우주 관측소, 정찰 위성 및 기타 지구 관측 위성 등이 있다.
로켓 발사로 시작되는 우주 비행은 중력의 힘을 극복하고 우주선을 지구 표면에서 추진하는 초기 추력을 제공한다. 일단 우주에 진입하면, 추진되지 않거나 추진 중일 때 모두 우주선의 움직임은 천체 역학이라는 연구 분야에서 다루어진다. 일부 우주선은 무기한 우주에 남아 있고, 일부는 대기 재진입 중에 붕괴되며, 다른 일부는 행성 또는 달 표면에 도달하여 착륙하거나 충돌한다.
5. 비행의 물리학
비행에는 부력, 양력, 항력, 추력, 중력 등 여러 힘이 작용한다. 밀도가 공기보다 낮은 물체는 부력으로 떠오를 수 있다. 공기보다 무거운 항공기는 양력을 발생시켜 무게를 이겨내야 한다. 비행체가 공기를 통과할 때 발생하는 저항을 항력이라 하며, 추진력으로 이를 극복한다. 활공은 추진력을 사용하지 않는다. 로켓이나 해리어 점프 제트처럼 양력 대신 추력을 사용하는 경우도 있다.[22]
비행과 관련된 힘은 다음과 같다.[22]
안정적인 비행을 위해서는 이러한 힘들이 균형을 이루어야 한다.
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5. 1. 비행 역학
'''비행역학'''은 항공기와 우주선의 3차원에서의 방향과 제어를 연구하는 학문이다. 세 가지 중요한 비행역학 매개변수는 기체의 질량 중심을 기준으로 하는 세 차원에서의 회전 각도로, ''피치'', ''롤'', ''요''라고 한다(이에 대한 설명은 테이트-브라이언 각도 참조).
이러한 차원의 제어는 수평 안정판(꼬리), 에일러론 및 각도 안정성, 즉 비행 자세(이는 차례로 고도, 방위각)를 제어하는 다른 움직일 수 있는 공기역학적 장치를 포함할 수 있다. 날개는 종종 약간 위쪽으로 기울어져 있는데, 이는 "양의 양날개각"을 가지며 이는 고유한 롤 안정성을 제공한다.
5. 2. 에너지 효율
높이를 얻고, 공기를 헤쳐나가 양력과 관련된 항력을 극복하기 위해 추력을 생성하는 데는 모두 에너지가 필요하다. 비행이 가능한 다양한 물체와 생물은 근육, 모터의 효율성과 이것이 전방 추력으로 얼마나 잘 변환되는지에 차이가 있다.추진 효율은 차량이 연료 단위당 얼마나 많은 에너지를 생성하는지 결정한다.[34][35]
5. 3. 항속 거리
동력 비행체가 도달할 수 있는 항속 거리는 비행체의 항력뿐만 아니라 기내에 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있는지, 그리고 그 에너지를 얼마나 효율적으로 추진력으로 전환할 수 있는지에 의해 제한된다.[36]동력 항공기의 경우 유용한 에너지는 연료 분율 - 이륙 중량의 연료 비율 - 뿐만 아니라 사용된 연료의 비 에너지에 의해 결정된다.
5. 4. 출력 대 중량비
지속적인 비행이 가능한 모든 동물과 장치는 이륙을 달성하기 위해 충분한 양력 및/또는 추력을 생성할 수 있도록 비교적 높은 출력 대 중량비를 필요로 한다.[1]6. 이륙 및 착륙
항공기는 다양한 방식으로 이륙 및 착륙을 할 수 있다. 일반적인 항공기는 이륙을 위해 충분한 양력이 생성될 때까지 활주로를 따라 가속하고, 착륙 시에는 이 과정을 거꾸로 한다. 일부 항공기는 낮은 속도로 이륙할 수 있는데, 이를 단거리 이륙이라고 한다. 헬리콥터나 해리어 점프 제트와 같은 일부 항공기는 수직으로 이륙하고 착륙할 수 있다. 로켓 또한 일반적으로 수직으로 이륙하고 착륙하지만, 일부 설계는 수평으로 착륙할 수 있다.[37]
7. 유도, 항법 및 제어
비행에는 유도, 항법, 제어 시스템이 필요하다.
항법은 나침반, GPS, 로란, 별 추적기, 관성 측정 장치, 고도계 등을 사용하여 현재 위치를 계산한다.[1] 항공 항법은 길을 잃거나 관련 법규를 위반하거나 안전을 위협하지 않으면서 항공기를 목적지로 조종하는 것을 포함한다.[2]
유도 시스템은 선박, 항공기, 미사일, 로켓, 위성 등 이동 물체의 항법에 사용되며, 목표를 향한 방향과 속도를 계산한다.[1]
비행 제어면, 조종석 조작 장치, 연결 링크, 그리고 비행 중 항공기 방향 제어에 필요한 작동 메커니즘은 일반적인 고정익 항공기 비행 제어 시스템을 구성한다.[1] 항공기 엔진 제어도 속도 변경을 하므로 비행 제어로 간주된다.[1] 항공 교통은 항공 교통 관제 시스템에 의해 통제된다.
7. 1. 항법
항법은 현재 위치를 계산하는 데 필요한 시스템이다. 나침반, GPS, 로란, 별 추적기, 관성 측정 장치, 고도계 등이 사용된다.[1]항공기의 항법은 길을 잃지 않고, 항공 관련 법규를 위반하지 않으며, 탑승자나 지상의 안전을 위협하지 않으면서 항공기를 한 장소에서 다른 장소로 조종하는 것을 포함한다.[2]
항공 항법 기술은 항공기가 시계 비행 규칙(VFR) 또는 계기 비행 규칙(IFR) 중 어떤 규칙에 따라 비행하는지에 따라 달라진다. 계기 비행 규칙에 따른 비행의 경우, 조종사는 비행 계기 및 무선 항법 장치(예: 비콘)를 사용하거나, 관제소의 레이더 관제 하에 지시받은 대로 항법을 수행한다. 시계 비행 규칙에 따른 비행의 경우, 조종사는 주로 적절한 지도를 보면서 시각적 관측과 추측 항법(지상 접근 항법)을 결합하여 항법을 수행하며, 무선 항법 장치를 보조적으로 사용할 수 있다.[3]
7. 2. 유도
'''유도 시스템'''은 선박, 항공기, 미사일, 로켓, 위성 등 이동 물체의 항법에 사용되는 장치 또는 장치 그룹이다. 유도는 보통 목표를 향한 벡터, 즉 방향과 속도를 계산하는 역할을 한다.[1]7. 3. 제어
일반적인 고정익 '''항공기 비행 제어 시스템'''은 비행 제어면, 각 조종석 조작 장치, 연결 링크, 그리고 비행 중 항공기의 방향을 제어하는 데 필요한 작동 메커니즘으로 구성된다.[1] 항공기 엔진 제어도 속도를 변경하므로 비행 제어로 간주된다.[1]7. 3. 1. 교통
항공 교통은 항공 교통 관제 시스템에 의해 통제된다.8. 비행 안전
항공 안전은 항공 사고 이론, 조사 및 분류, 규제, 교육 및 훈련을 통해 항공 사고를 예방하는 것을 포괄하는 용어이다. 또한 항공 여행의 안전성에 대해 대중에게 알리는 캠페인의 맥락에서도 적용될 수 있다.[1]
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