가스 풍선
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1. 개요
가스 기구는 수소, 석탄 가스, 헬륨 등의 가스로 채워져 공중에 뜨는 비행체이다. 1783년 자크 샤를과 로베르 형제가 최초의 가스 기구를 설계하여 무인 비행에 성공했고, 이후 유인 비행도 이루어졌다. 가스 기구는 동력 비행 이전 시대에 인기를 얻어 관측, 광고, 레저 등 다양한 목적으로 사용되었으며, 특히 유럽과 미국에서 헬륨을 사용하여 발전했다. 가스 기구는 계류 기구, 자유 기구, 논리프트 벌룬 등으로 분류되며, 고도, 비행 거리, 체공 시간 등에서 다양한 기록을 보유하고 있다. 또한, 소련은 1985년 금성 대기에 헬륨 풍선을 투하하여 과학 실험을 수행하기도 했다.
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| 가스 풍선 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 기구 |
| 작동 방식 | 부력을 이용 |
| 가스 종류 | 수소, 헬륨, 메탄 등 대기보다 가벼운 가스 |
| 용도 | 기상 관측, 군사 목적, 광고, 레크리에이션 |
| 작동 원리 | |
| 부력 | 가스 풍선은 아르키메데스의 원리에 따라 작동하며, 풍선 내부의 가벼운 가스가 부력을 발생시켜 하늘로 떠오름. |
| 부력 계산 | 부력은 풍선이 밀어내는 공기의 무게에서 풍선 자체의 무게를 뺀 값으로 계산됨. |
| 균형 유지 | 풍선이 상승하거나 하강할 때는 가스의 양을 조절하여 부력과 중력의 균형을 맞춤. |
| 가스 종류 | |
| 수소 | 가볍고 부력이 우수하지만 가연성이 높아 화재 위험이 있음. |
| 헬륨 | 불연성으로 안전하지만 수소보다 부력이 약하고 비용이 비쌈. |
| 메탄 | 수소와 헬륨의 중간 정도의 특성을 가지며, 바이오가스 형태로 사용 가능. |
| 뜨거운 공기 | 열기구에 사용되며, 공기를 데워 밀도를 낮춰 부력을 발생시킴. |
| 역사 | |
| 최초 개발 | 18세기 후반, 프랑스에서 몽골피에 형제가 개발한 열기구가 최초의 가스 풍선으로 여겨짐. |
| 군사적 이용 | 19세기부터 군사적 목적으로 정찰, 관측 등에 활용됨. |
| 현대적 이용 | 현재는 기상 관측, 광고, 레크리에이션 등 다양한 분야에서 사용됨. |
| 종류 | |
| 기상 관측 풍선 | 고층 대기의 기상 요소를 측정하기 위해 사용되는 풍선. |
| 광고 풍선 | 기업이나 상품을 홍보하기 위해 사용되는 대형 풍선. |
| 레크리에이션 풍선 | 축제나 이벤트 등에서 즐거움을 위해 사용되는 다양한 모양의 풍선. |
| 열기구 | 뜨거운 공기를 사용하여 하늘을 나는 풍선. |
| 안전 | |
| 가스 누출 | 가스 누출은 폭발이나 화재의 원인이 될 수 있으므로 주의해야 함. |
| 기상 조건 | 강풍, 악천후 등은 풍선 조작에 위험을 초래할 수 있음. |
| 고도 제한 | 항공 안전을 위해 고도 제한을 준수해야 함. |
| 기타 | |
| 관련 용어 | 기구 부력 아르키메데스의 원리 몽골피에 형제 열기구 |
2. 역사
가스 기구의 역사는 18세기 후반 프랑스에서 시작되었다. 1783년 자크 샤를 교수와 로베르 형제가 최초의 수소 기구를 개발하여 무인 비행에 성공했으며, 같은 해 12월 1일에는 유인 비행에도 성공했다. 초기에는 열기구에 비해 여러 장점을 가지면서, 군사, 과학, 상업 등 다양한 목적을 위해 전 세계로 확산되었다.
1930년대에는 영국에서 프랑스로 가스 기구를 이용해 횡단하려던 모험가 3명이 런던 시내에서 타워에 충돌하여 사망하는 사고가 발생하기도 했다.
일본에서는 메이지 시대 초기부터 가스 기구가 수입되어 군사, 박람회, 흥행 등에서 사용되었다. 제2차 세계 대전 이후에는 장난감용 가스 풍선이나 애드벌룬에 수소가 사용되었으나, 1980년대 이후 헬륨으로 대체되었다.
2. 1. 초기 역사 (프랑스)
1783년 8월, 자크 샤를 교수와 로베르 형제는 최초로 수소 기구를 개발하여 무인 비행에 성공하였다. 같은 해 1783년12월 1일, 자크 샤를과 니콜라 루이 로베르는 유인 가스 기구 비행에 성공했는데, 이는 몽골피에 형제의 열기구 유인 비행보다 열흘 뒤진 것이었다.1784년 9월 19일, 로베르 형제와 M. 콜린-훌린은 장밥티스트 뫼니에의 비행선 제안에 따라 내부 발로네(공기 세포), 방향타 및 추진 방법을 통합한 길쭉한 형태의 조종 가능한 가스 기구인 '라 캐롤라인'을 개발하여, 파리에서 베튀 근처의 뵈브리까지 6시간 40분 동안 186km를 비행하는 데 성공했다. 이는 100km 이상을 비행한 첫 번째 비행이었다.
2. 2. 발전과 확산
가스 기구는 동력 비행 이전 시대에 인기를 얻었다. 수소 또는 석탄 가스로 채워져 열기구보다 더 높이, 더 멀리, 더 경제적으로 비행할 수 있었다. 고도는 기구가 너무 낮아지면 버려지는 밸러스트 추로 조절되었고, 착륙하기 위해 일부 부양 가스가 밸브를 통해 배출되었다. 묶인 유인 가스 기구는 나폴레옹 전쟁 (매우 제한적인 범위에서), 미국 남북 전쟁 (새디어스 로위에 의해 비행) 및 제1차 세계 대전에서 낙하산을 착용한 비행가에 의해 관측 목적으로 사용되었다.[2] 19세기 내내, 장피에르 블랑샤르와 같은 취미가와 쇼 공연자들 사이에서 대중의 관심을 끄는 대상으로서 인기가 있었다.20세기 중반, 구형 자유 가스 기구는 미국 해군에서 비행선 승무원을 훈련시키는 데 사용되었다.[2]
가스 기구는 유럽, 특히 독일에서 부양 가스로 수소를 사용하여 인기를 얻었다. 가스 기구 클럽이 전국에 존재한다. 대략적인 추정치에 따르면 유럽에는 150명의 활동적인 가스 조종사가 있다. 반면, 미국에서의 가스 기구는 최대 30명의 활동적인 조종사가 있을 수 있으며, 이들은 일반적으로 10월에 앨버커키 국제 열기구 축제에서 연 1회만 비행한다.
2. 3. 한국에서의 역사
한국에서는 일제강점기에 군사적 목적으로 가스 기구가 도입되었다. 제2차 세계 대전 이후에는 수소를 채운 장난감용 가스 풍선이나 애드벌룬 등이 일반적으로 사용되었다.[4] 1980년대에는 노점에서 파는 장난감 가스 풍선이 수소에서 헬륨으로 바뀌었고, 쇼와 말기 이후에는 풍선 날리기용 풍선이나 애드벌룬 등의 계류 기구도 수소에서 헬륨 가스로 바뀌었다. 현재는 고층 기상 관측 등에 쓰이는 고무 기구나 일부 애드벌룬에 수소가 사용되는 정도이다.[4]헬륨을 사용한 가스 기구는 대량의 가스를 필요로 하는 고고도 기구, 비행선, 유인 계류 기구, 장시간 유인 비행 등에 사용된다.[4]
3. 가스 기구의 종류
일본에서 가스 기구는 사용 형태에 따라 '''계류 기구''', '''자유 기구''', '''논리프트 벌룬'''으로 크게 나뉜다. 사용 목적에 따라서도 다양한 명칭으로 불린다.
3. 1. 계류 기구
지상에 로프로 연결된 형태의 가스 기구를 말한다.군사용 정찰 기구(연식 기구)나 저지 기구, 애드벌룬과 같은 광고 기구, 기상 관측·각종 환경 관측용 기구, 거대한 가스 기구 곤돌라에 관광객이 탑승하는 관광용 기구, 안전벨트를 착용한 사람이 공중을 부양하는 어트랙션용 기구 등이 있다.
3. 2. 자유 기구
자유 기구란, 기구를 묶어두지 않고 정적인 부력과 바람이 부는 대로 부유를 계속하는 가스 기구의 총칭이다.자유 기구에는 레저 스포츠용 가스 기구, 무인 장난감 고무 풍선을 이용한 풍선 날리기, 고무 기구를 이용한 고층 기상 관측 (라디오존데, 측운 기구, 측풍 기구, 고고도 기구 등), 군사 병기인 풍선 폭탄, 계류 기구의 계류삭 절단에 대비한 조종 훈련용, 삐라 살포용 삐라 풍선 등이 있다.
3. 3. 논리프트 벌룬 (Non-lift Balloon)
논리프트 벌룬은 부력을 대기 밀도에 맞춰 일정한 고도를 유지하며 기류를 따라 떠다니는 가스 기구이다.구체, 정삼각뿔형(테트라형) 등의 모양이 있으며, PET를 주재료로 만든다. 레이더 반사를 위해 표면에 알루미늄을 증착한 필름으로 제작하기도 한다. 논리프트 벌룬은 주로 난기류나 공해 등 기상 및 환경 조사 관측에 사용된다.[1]
4. 가스 기구 조종법
가스 기구는 부양 가스 주입, 밸러스트(추) 조절, 가스 배기 등을 통해 조종한다. 비행 전에는 정밀 고도계, 벌룬 파일럿 라이선스, 무선기, 휴대폰, GPS 등 항적 추적 장치를 준비해야 한다. 또한, 기구 급상승에 대비하여 30kg 정도의 밸러스트용 모래, 작은 삽(원예용 괭이), 칼을 챙겨야 한다.
4. 1. 가스 주입
가스 기구는 수소, 석탄 가스, 헬륨 가스 등 다량의 부양 가스를 가스 주입구를 통해 기낭에 주입한다. 가연성 가스를 사용하는 경우에는 주변 지역에서 금연은 물론 화기 사용을 엄격히 금지해야 한다.[6]
가스 주입 시에는 먼저 기구의 기낭을 펼쳐 이상 유무를 확인한다. 그 후 기낭 위에 균형 있게 구형 그물을 씌우고, 그물 끝에 있는 여러 개의 '''슈라우드 라인'''에 기낭을 둘러싸듯이 밸러스트(추)를 단다. 마지막으로 기낭 주입구에 가스를 넣어 부풀린다.[6]
가스 주입 후 '''가스 주입 밸브 로프'''를 당기면 '''가스 주입 밸브'''가 닫힌다. 이후 기낭과 곤돌라를 연결하기 위해 슈라우드 라인을 곤돌라의 '''바스켓 링'''에 부착한다. 무인으로 가스 기구가 떠오르는 것을 방지하기 위해 비행 전까지 곤돌라 측면에 상당량의 밸러스트를 부착해 두어야 한다.[6]
4. 2. 비행 중 조종
밸러스트를 떨어뜨려 기구의 무게를 줄이면 부력이 증가한다. 부력이 떨어진 경우에는 밸러스트의 모래를 떨어뜨려 기구 본체의 무게를 가볍게 하면 부력을 올릴 수 있다.[6] '''가스 배기 로프'''를 당기면, 당기는 동안만 '''가스 배기구'''에서 가스가 빠져나가 상승 속도가 억제된다.[6]4. 3. 착륙
기구를 강하시킬 때는 가스 배기와 밸러스트 낙하를 병행하면서 낙하 속도를 조절하여 착륙한다.가이드 로프(드래그 라인)를 떨어뜨려 지상에 늘어뜨리면 기구를 일정 고도로 유지하기 쉬우며, 강하 시에도 완만한 착륙을 할 수 있지만, 지상에 가이드 로프의 흔적을 남기는 단점도 있다. 사용할 경우에는 가이드 로프를 고정하고 있는 가는 로프를 칼로 잘라 사용한다.
또한, 빨간 로프인 '''립 라인'''을 당기면 기낭의 일부('''립 패널''')가 찢어져 가스가 빠져나가 부력이 상실된다. 전방에 고압선이 있어 충돌이 예상되는 경우나, 강풍으로 착륙 후 기구 본체가 끌려가는 것을 방지하기 위해, 지상 또는 지상에 가까운 고도에서 립 패널을 여는 경우가 있지만, 립 라인은 쉽게 조작되지 않도록 손이 닿기 어려운 곳에 설치된다.[6][7]
5. 기록
가스 기구는 고도, 비행 거리, 체공 시간 등에서 다양한 기록을 보유하고 있다.
2014년 10월 24일, 전 구글 임원 앨런 유스테이스는 성층권에서 뛰어내려 2012년 펠릭스 바움가르트너가 레드불 스트라토스로 세운 세계 기록을 경신했다. 유인 풍선 비행의 이전 고도 기록은 2012년 10월 14일에 펠릭스 바움가르트너가 39.045km로 세웠으며, 이는 1961년 5월 4일에 말콤 로스와 빅터 프래더가 USS 앤티텀의 갑판에서 발사한 풍선으로 세운 34.7km 기록을 깬 것이다.[3]
무인 풍선의 고도 기록은 53.7km이다.
2015년, 조종사 레오니드 튜크테프(Leonid Tiukhtyaev)와 트로이 브래들리(Troy Bradley)가 투 이글스 풍선이라는 헬륨 풍선을 타고 일본에서 출발하여 태평양을 횡단, 10711km 거리를 비행하여 멕시코 바하칼리포르니아에 안전하게 도착하여 가스 풍선의 최장 거리 및 지속 시간 기록을 세웠다.[4]
5. 1. 유인 최고 고도 기록
2014년 10월 24일, 전 구글 임원 앨런 유스테이스는 뉴멕시코주 로스웰의 버려진 활주로에서 풍선을 이용해 성층권으로 올라가 뛰어내려, 2012년 펠릭스 바움가르트너가 레드불 스트라토스로 세운 세계 기록을 경신했다. 유스테이스는 최대 고도 41.425km에 도달했지만, 국제 항공 연맹에 제출된 최종 수치는 41.419km였다. 이 기록에 사용된 풍선은 인도 타타 기초 과학 연구소의 풍선 시설에서 제작되었다. 유스테이스는 펠릭스 바움가르트너가 사용한 캡슐 없이, 압력복을 입고 풍선 아래에 묶여 있었다. 그는 헬륨 풍선에서 분리하기 위해 폭발 장치를 사용했다.[3]유인 풍선 비행의 이전 고도 기록은 2012년 10월 14일 펠릭스 바움가르트너가 세운 39.045km였으며, 이는 1961년 5월 4일 말콤 로스와 빅터 프래더가 의 갑판에서 발사한 풍선으로 세운 34.7km 기록을 깬 것이다.[3]
5. 2. 무인 최고 고도 기록
일본 항공 우주 개발 연구소(JAXA)에서 제작한 부피 80,000 m³의 성층권 풍선이 2013년 9월 일본 홋카이도(Hokkaido)에서 발사되어 53.7km의 고도 기록을 달성했다.[3] 이것은 대기 중의 비행체가 도달한 가장 높은 고도이며, 로켓, 로켓기(rocket plane), 탄도체(ballistics)만이 더 높이 비행했다.5. 3. 최장 거리 및 지속 시간 기록
2015년, 조종사 레오니드 튜크테프(Leonid Tiukhtyaev)와 트로이 브래들리(Troy Bradley)는 투 이글스 풍선(Two Eagles Balloon)이라는 헬륨 풍선을 타고 일본에서 출발하여 태평양을 횡단, 10711km 거리를 비행하여 멕시코 바하칼리포르니아에 안전하게 도착했다. 이들은 160시간 34분 만에 멕시코에 도착하여 가스 풍선의 최장 거리 및 지속 시간 기록을 세웠다.[4]6. 다른 행성에서의 가스 기구
소련의 우주 탐사선 베가 1호와 베가 2호는 1985년 각각 과학 실험 장비를 탑재한 헬륨 풍선을 금성 대기에 투하했다. 풍선은 먼저 대기 진입하여 약 50km까지 하강한 다음, 수평 비행을 위해 팽창했다. 그 외에는 비행이 통제되지 않았다. 각 풍선은 최대 60시간의 전기 배터리 전력 예산 중 46시간 동안 바람과 대기 상태를 전송했다.[5]
참조
[1]
서적
Exposition Universelle Internationale de 1900 a Paris. Concours Internationaux D'Exercices Physiques et de Sports. Rapports Publies Sous La Direction de M. D. Merillon.
Imprimerie Nationale
1902
[2]
서적
United States Navy Aircraft since 1911
Naval Institute Press
1976
[3]
웹사이트
QinetQ Flight
http://www.gasballoo[...]
2009-12-29
[4]
웹사이트
Research on Balloons to Float Over 50km Altitude
http://edition.cnn.c[...]
CNN
2015-02-02
[5]
간행물
Determination of Venus Winds by Ground-Based Radio Tracking of the VEGA Balloons
[6]
서적
風船学入門
平凡社
[7]
서적
空飛ぶ博物誌 熱気球・飛行船・ハンググライダー
サンポウジャーナル
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