항공우주공학

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1. 개요

항공우주공학은 항공기 및 우주선의 설계, 개발, 시험, 생산을 다루는 공학 분야이다. 18세기 말 조지 케일리 경의 업적을 시작으로, 1903년 라이트 형제의 동력 비행 성공, 제1차 세계 대전 중 군용 항공기 개발을 거치며 발전했다. 주요 세부 분야로는 유체역학, 구조역학, 제어공학, 항공전자공학, 추진 공학, 천체역학 등이 있으며, 재료 과학, 고체 역학, 항공탄성학 등도 관련된다. 1958년 항공우주라는 용어가 처음 사용되었으며, 냉전 시대에는 미국과 소련의 우주 개발 경쟁이 치열하게 전개되었다. 항공우주공학은 여객기 및 우주선 개발에도 기여했으며, 대한민국에서도 한국형 발사체 개발, 달 탐사 프로그램 등을 통해 발전하고 있다.

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항공우주공학
개요
유형	공학 분야
분야	항공학, 우주공학
관련 학문	물리학, 수학, 컴퓨터 과학
세부 분야
주요 분야	공기역학 추진 구조 제어
관련 분야	재료공학 생체공학 항법 통신
응용 분야
항공	여객기 전투기 헬리콥터 무인 항공기
우주	인공위성 우주 탐사선 우주 정거장 로켓
군사	미사일 방위 시스템
주요 활동
설계	항공기, 우주선, 미사일 시스템 설계
개발	새로운 기술 및 시스템 개발
시험	성능 및 안전성 시험
연구	항공우주 분야 연구
생산	항공우주 제품 생산
교육 및 자격
학위	학사 학위 이상
자격증	국가별 관련 자격증
관련 단체
주요 단체	미국 항공우주학회(AIAA) 국제 항공 연맹(FAI)
국내 단체	한국항공우주학회 한국항공우주산업
같이 보기
관련 분야	항공우주 항공우주공학 용어집

2. 역사

항공우주공학의 기원은 19세기 말부터 20세기 초의 항공 개척자들에게까지 거슬러 올라갈 수 있지만, 조지 케일리 경의 업적은 18세기 말에서 19세기 중반까지 거슬러 올라간다. 항공 역사^[6]에서 가장 중요한 인물 중 한 명이자 항공 공학의 선구자^[7]인 케일리 경은 모든 대기 비행체에 영향을 미치는 양력^[8]과 항력을 처음으로 분리한 사람으로 여겨진다.

초기 항공 공학 지식은 대부분 경험적인 것이었으며, 일부 개념과 기술은 다른 공학 분야에서 도입되었다.^[9] 유체 역학과 같은 핵심 요소들은 18세기 과학자들에 의해 이해되었다.^[10]

1903년 노스캐롤라이나주 키티호크에서 오빌과 윌버 라이트 형제가 라이트 플라이어를 비행했습니다.

1903년 12월, 라이트 형제는 동력을 사용하는 무게보다 무거운 항공기의 최초의 지속적이고 제어된 비행을 12초 동안 수행했다.

2. 1. 개요

항공우주공학은 비행체가 기압과 온도의 변화, 그리고 비행체 구성 요소에 가해지는 구조 하중과 같은 까다로운 조건에 노출되기 때문에, 공기역학, 항공 추진, 항공 전자공학, 재료 과학, 구조 해석, 제조 등 다양한 기술 및 공학 분야를 포함한다. 이러한 기술 간의 상호 작용을 다루며, 복잡성과 관련 분야의 다양성으로 인해 실제 개발에서는 각 분야의 전문가들이 팀을 이루어 협업한다.^[5]

항공기와 우주기는 기압과 온도의 급격한 변화에 노출되거나,^[30]^[31] 기체 구조에 큰 하중이 걸리는 등 혹독한 환경에 놓인다.^[32]^[33]^[34] 항공우주공학의 어려움은 항공기나 우주기가 그 기능을 다하기 위해 안전계수를 크게 할 수 없다는 점에 있다.^[35] 따라서 기체 설계에는 공기역학, 구조역학을 비롯한 다양한 과학기술 지식이 필요하며,^[36]^[37]^[38]^[39] 이러한 지식 체계가 항공우주공학 분야를 형성한다. 관련 분야가 다양하기 때문에 항공우주공학 종사자가 혼자 모든 것을 파악하기는 매우 어렵다.^[40] 실제 개발에서는 여러 분야의 전문가들이 팀을 구성하여 분담하며, 각 분야의 관점에 따라 기체의 형상 및 성능에 대한 견해가 상충될 수 있다. 따라서 개발 과정에서는 각 관점의 중요도를 종합적으로 판단하고, 성능, 가격, 기술적 과제(생산성, 정비성 등)의 균형을 맞추는 것이 항공우주공학의 특징이다.^[29] 사관 야츠오(佐貫亦男)는 “설계”와 “디자인”이라는 관점에서 이러한 상충 관계를 분석한다.

2. 2. 제1차 세계 대전

1910년대에는 제1차 세계 대전 군용 항공기 설계를 통해 항공 공학이 발전했다.^[11] 1915년 3월 3일, 미국 의회는 항공자문위원회(National Advisory Committee for Aeronautics, NACA)를 설립했는데,^[12] 이는 항공 연구를 지원한 최초의 정부 지원 기관이었다.^[13] 1920년 랭글리 항공 연구소가 최초의 정부 지원 연구 및 시험 시설이 되었다.^[14]

제1차 세계 대전과 제2차 세계 대전 사이에는 민간 항공의 출현으로 항공우주공학 분야에서 비약적인 발전이 이루어졌다.

2. 3. 전간기

항공우주공학의 기원은 19세기 말부터 20세기 초의 항공 개척자들에게까지 거슬러 올라갈 수 있지만, 조지 케일리 경의 업적은 18세기 말에서 19세기 중반까지 거슬러 올라간다. 항공 역사^[6]에서 가장 중요한 인물 중 한 명이자 항공 공학의 선구자^[7]인 케일리 경은 모든 대기 비행체에 영향을 미치는 양력^[8]과 항력을 처음으로 분리한 사람으로 여겨진다.

초기 항공 공학 지식은 대부분 경험적인 것이었으며, 일부 개념과 기술은 다른 공학 분야에서 도입되었다.^[9] 유체 역학과 같은 핵심 요소들은 18세기 과학자들에 의해 이해되었다.^[10]

1903년 12월, 라이트 형제는 동력을 사용하는 무게보다 무거운 항공기의 최초의 지속적이고 제어된 비행을 12초 동안 수행했다. 1910년대에는 제1차 세계 대전 군용 항공기 설계를 통해 항공 공학이 발전했다.

2. 4. 냉전 시대

1957년 10월 4일 소련이 최초의 인공위성 스푸트니크 1호를 발사하자, 미국 항공우주 기술자들은 1958년 1월 31일 미국 최초의 인공위성을 발사했다. 미국 항공우주국(NASA)은 스푸트니크 쇼크 이후인 1958년에 설립되었다.^[16] 1969년에는 최초의 유인 달 탐사 임무인 아폴로 11호가 진행되었다. 세 명의 우주비행사가 달 궤도에 진입했고, 그중 두 명인 닐 암스트롱과 버즈 올드린이 달 표면을 탐사했다. 세 번째 우주비행사인 마이클 콜린스는 닐 암스트롱과 버즈 올드린의 달 탐사 후 랑데부를 위해 궤도에 남았다.^[16]

2. 5. 1970년대 이후

1976년에는 최초의 여객용 초음속 항공기인 콩코드가 개발되는 중요한 발전이 있었다. 이 항공기의 개발은 1962년 11월 29일 프랑스와 영국이 합의했다.^[18]

1988년 12월 21일에는 안토노프 An-225 므리야 수송기가 첫 비행을 시작했다. 이 항공기는 운영 중인 모든 항공기 중에서 세계에서 가장 무거운 항공기, 가장 무거운 항공화물 운송, 가장 긴 항공화물 운송의 기록을 보유하고 있다.^[19]

2007년 10월 25일에는 에어버스 A380이 싱가포르에서 시드니(오스트레일리아)까지 첫 상업 비행을 실시했다. 이 항공기는 최대 853명의 승객 수용 능력으로 보잉 747을 능가하는 최초의 여객기였다. 이 항공기의 개발은 747의 경쟁 기종으로 1988년에 시작되었지만, A380은 2005년 4월에 첫 시험 비행을 실시했다.^[20]

3. 세부 분야

항공우주공학은 여러 세부 분야로 나뉜다. 비행체는 기압과 온도 변화, 구조 하중 등 가혹한 환경에 노출되기 때문에, 공기역학, 항공 추진, 항공 전자공학, 재료 과학, 구조 해석 등 다양한 기술 및 공학 분야의 지식이 필요하다.^[5] 이러한 기술 간의 상호 작용을 통해 비행체가 설계되고 제작된다.

항공우주공학의 주요 세부 분야는 다음과 같다:

분야	설명
레이더 반사 단면	레이더에 의한 원격 감지에 나타나는 비행체의 특성 연구.
유체 역학	물체 주위의 유체 흐름 연구. 특히 항공역학은 날개와 같은 물체 위 또는 풍동과 같은 물체를 통과하는 공기의 흐름에 관한 것이다 (양력, 항공학 참조). 전산 유체 역학을 통해 풍동 시험에 소요되는 시간과 비용을 절감하기도 한다.
천체역학	궤도 역학 연구. 선택된 몇 가지 변수가 주어졌을 때 궤도 요소를 예측하는 것을 포함한다.
정역학 및 동역학 (공학 역학)	기계 시스템에서의 운동, 힘, 모멘트 연구.
수학	미적분학, 미분 방정식, 선형 대수학 등의 수학적 지식 활용.
전기 기술	공학 내의 전자공학 연구.
추진	내연 기관, 제트 엔진, 터보기계, 로켓 등을 이용한 비행체 추진 연구 (프로펠러 및 우주선 추진 참조). 전기 추진, 이온 추진도 연구한다.
제어 공학	시스템의 동역학적 거동을 수학적 모델링으로 연구하고, 피드백을 이용해 제어 시스템을 설계한다.
항공기 구조	비행 중 발생하는 힘에 견딜 수 있도록 항공기의 물리적 구성을 설계한다. 구조를 경량화하고 저렴하게 유지하는 것을 목표로 한다.^[23]
재료 과학	항공우주 구조물을 건설하는 데 사용되는 재료 연구. 새로운 재료를 발명하거나 기존 재료를 개선한다.
고체 역학	차량 구성 요소의 응력 및 변형 분석.
항공탄성학	공기역학적 힘과 구조적 유연성의 상호 작용 연구. 항공탄성 플러터(플러터), 발산 등이 발생할 수 있다.
항공 전자 장비	컴퓨터 시스템 설계 및 프로그래밍, 시스템 시뮬레이션을 다룬다.
소프트웨어	비행 소프트웨어, 지상 관제소 소프트웨어 등 항공 우주 응용 프로그램을 위한 컴퓨터 소프트웨어 개발.
위험 및 신뢰성	위험 및 신뢰성 평가 기술, 정량적 방법에 포함된 수학 연구.
소음 제어	소리 전달 메커니즘 연구.
항공 음향학	난류 유체 운동이나 표면과 상호 작용하는 공기역학적 힘에 의한 소음 발생 연구.
비행 시험	항공기가 설계 및 성능 목표와 인증 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 성능 및 조종 특성 데이터를 수집하고 분석하는 비행 시험 프로그램을 설계하고 실행한다.

이러한 요소들 대부분은 유체 역학이나 비행 역학과 같은 이론적인 물리학에 기반을 두고 있다. 또한 대규모의 경험주의적 구성 요소도 있는데, 역사적으로는 풍동이나 자유 대기에서 축소 모형과 시제품의 시험으로부터 얻어졌다.

항공우주공학은 항공 우주 차량을 구성하는 모든 구성 요소(전력, 항공 우주 베어링, 통신, 온도 제어, 생명 유지 장치 등을 포함한 하위 시스템)와 그 수명 주기(설계, 온도, 압력, 방사선, 속도, 수명)를 통합하여 관리한다.

3. 1. 유체역학

유체역학은 물체 주변의 유체의 흐름을 연구하는 학문이다. 항공우주공학에서는 이 용어가 특히 날개 주변의 공기 흐름이나 풍동 내부의 공기 흐름을 다루는 공기역학을 지칭하기도 한다. 항공역학은 날개와 같은 물체 위 또는 풍동과 같은 물체를 통과하는 공기의 흐름에 관한 것이다 (양력 및 항공학 참조).^[21]^[22] 최근에는 컴퓨팅의 발전으로 전산 유체 역학을 사용하여 유체의 거동을 시뮬레이션하여 풍동 시험에 소요되는 시간과 비용을 줄일 수 있게 되었다.

3. 2. 구조역학

구조역학은 항공기의 각 부분에 미치는 힘, 변형, 모멘트, 진동에 대한 구조학적인 문제를 다룬다. 컴퓨터를 이용해 FEM(Finite Element Method)에 의한 해석도 이루어지고 있다. 뛰어난 재료 개발을 위해 재료공학에서 다루는 피로, 균열 등을 연구하며, 재료 강도학과도 밀접하게 관련되어 있다.^[5]

비행체는 기압과 온도 변화와 같은 가혹한 조건과 비행체 구성 요소에 가해지는 구조 하중에 노출된다. 항공우주 공학은 항공기 구조 설계에서 구조적 무결성을 유지하면서도 경량화 및 저렴한 비용을 목표로 한다.^[23] 고체 역학은 재료 과학과 밀접하게 관련되며, 차량 구성 요소의 응력 및 변형 분석을 다룬다. 여러 유한 요소 프로그램이 엔지니어의 분석 과정을 지원한다. 항공탄성학은 공기역학적 힘과 구조적 유연성의 상호 작용으로 인해 발생하는 항공탄성 플러터(플러터), 발산 등을 연구한다.

3. 3. 제어공학

제어공학은 비행체 및 그 구성품의 자세, 위치, 속도 등을 원하는 대로 움직이기 위한 기술을 다룬다. 제어공학은 시스템의 동역학적 거동을 수학적 모델링으로 연구하고, 피드백 신호를 사용하여 동역학적 거동이 바람직하게 (안정적이고, 큰 변동이 없으며, 오차가 최소인) 되도록 설계한다. 이는 항공기, 우주선, 추진 시스템 및 항공 우주 차량에 존재하는 하위 시스템의 동적 거동에 적용된다.

3. 4. 항공전자공학

항공전자공학(항공전자 참고)은 항공기의 전기/전자 장비를 제공하고 통합하는 것으로, 전원 공급, 계기나 무선 NAV/COM(항법·통신) (전자공학) 등을 다룬다. 컴퓨터의 발달에 따라 제어 공학과 함께 항공기 개발에서 중요성이 매우 커지고 있다.

3. 5. 추진 공학

내연 기관, 제트 엔진, 터보기계 또는 로켓을 통해 비행체에 추진력을 제공하여 공기 중이나 우주 공간에서 비행체를 이동시키는 에너지를 연구하는 분야이다. (프로펠러 및 우주선 추진 참조)^[21]^[22] 최근에는 전기 추진 및 이온 추진이 이 분야에 새롭게 추가되었다.

시험 중인 전투기 엔진. 엔진 뒤편의 터널은 소음과 배기가스가 빠져나가도록 한다.

3. 6. 천체역학

천체역학은 선택된 몇 가지 변수가 주어졌을 때 궤도 요소를 예측하는 것을 포함한 궤도 역학 연구이다. 미국에서는 학부 수준에서 이 과목을 가르치는 학교가 거의 없지만, 여러 대학원 과정에서 이 주제를 다룬다 (보통 해당 대학의 물리학과와 연계).

3. 7. 정역학 및 동역학

정역학 및 동역학(공학 역학)은 기계 시스템에서의 운동, 힘, 모멘트를 연구하는 학문이다.^[21]^[22] 항공우주공학에서 정역학은 정지해 있는 물체에 작용하는 힘과 모멘트의 평형 상태를 다루며, 동역학은 시간에 따라 변하는 물체의 운동과 그 원인이 되는 힘과 모멘트를 분석한다.

3. 8. 재료 과학

구조역학은 항공기의 각 부분에 미치는 힘, 변형, 모멘트, 진동에 대한 구조학적인 문제를 다룬다. 컴퓨터를 이용해 FEM(Finite Element Method)에 의한 해석도 이루어지고 있다. 뛰어난 재료 개발을 위해 재료공학에서 다루는 피로, 균열 등을 다루며, 재료 강도학과도 밀접하게 관련되어 있다.

재료 과학은 항공우주 구조물을 건설하는 데 사용되는 재료를 연구한다. 매우 특정한 특성을 가진 새로운 재료가 발명되거나 기존 재료를 성능이 향상되도록 수정한다. 고체 역학은 재료 과학과 밀접하게 관련되며, 차량 구성 요소의 응력 및 변형 분석을 다룬다. MSC Patran/Nastran과 같은 여러 유한 요소 프로그램이 엔지니어의 분석 과정을 지원한다.

3. 9. 고체 역학

재료 과학과 밀접하게 관련된 고체 역학은 차량 구성 요소의 응력 및 변형 분석을 다룬다. 오늘날에는 MSC Patran/Nastran과 같은 여러 유한 요소 프로그램이 엔지니어의 분석 과정을 지원한다. 구조역학은 항공기의 각 부분에 미치는 힘, 변형, 모멘트, 진동에 대한 구조학적인 문제를 취급한다. 컴퓨터를 사용하여 FEM(Finite Element Method)에 의한 해석도 행해지고 있다. 뛰어난 재료의 개발을 시도하여 재료공학에서 취급하는 피로, 균열 등을 다루고 있어 재료 강도학 등과도 밀접하게 관련한다.

3. 10. 항공탄성학

항공탄성학은 공기역학적 힘과 구조적 유연성의 상호작용을 연구하는 학문이다. 이러한 상호작용은 항공탄성 플러터(플러터), 발산 등과 같은 현상을 일으킬 수 있다.^[21]^[22]

3. 11. 위험 및 신뢰성 공학

위험 및 신뢰성은 위험 및 신뢰성 평가 기술과 정량적 방법에 포함된 수학 연구이다. 항공우주공학은 항공 우주 차량을 구성하는 모든 구성 요소(전력, 항공 우주 베어링, 통신, 온도 제어, 생명 유지 장치 등을 포함한 하위 시스템)와 그 수명 주기(설계, 온도, 압력, 방사선, 속도, 수명)를 통합하는 것을 다룬다.

항공기와 우주기는 그 성질상 기압·온도의 급격한 변화에 노출되거나^[30]^[31], 기체 구조에 큰 하중이 걸리는 등 혹독한 환경에 놓이는데^[32]^[33]^[34], 항공기나 우주기가 그 기능을 다하기 위해서는 안전계수를 크게 할 수 없다는 점이 어렵다.^[35]

3. 12. 소음 제어 및 항공 음향학

소음 제어는 소리 전달 메커니즘을 연구하는 학문이다. 항공 음향학은 난류 유체 운동이나 표면과 상호 작용하는 공기역학적 힘에 의해 소음이 발생하는 것을 연구한다.

3. 13. 비행 시험

비행 시험은 항공기가 설계 및 성능 목표와 인증 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 성능 및 조종 특성 데이터를 수집하고 분석하는 비행 시험 프로그램을 설계하고 실행하는 것이다.^[21]^[22]

4. 대한민국과 항공우주공학

대한민국은 항공우주공학 분야에서 선진국에 비해 뒤처져 있지만, 꾸준한 투자와 연구 개발을 통해 빠르게 성장하고 있다. 특히, 누리호 개발 성공은 대한민국 항공우주공학 기술의 발전 가능성을 보여주는 중요한 사례로 평가받고 있다.

4. 1. 미래 전망

항공기와 우주기는 기압, 온도의 급격한 변화에 노출되거나^[30]^[31], 기체 구조에 큰 하중이 걸리는 등 혹독한 환경에 놓인다^[32]^[33]^[34]. 항공우주공학의 진정한 어려움은 항공기나 우주기가 그 기능을 다하기 위해서는 안전계수를 크게 할 수 없다는 점에 있다^[35]. 따라서 기체 설계 과정에서는 공기역학, 구조역학을 비롯하여 다양한 과학기술 지식이 필요하며^[36]^[37]^[38]^[39], 이러한 항공우주기에 사용되는 지식 체계가 집합적으로 항공우주공학이라는 분야를 형성하고 있다.

이처럼 관련 분야의 다양성으로 인해, 항공우주공학에 종사하는 사람이 혼자서 모든 것을 파악하는 것은 매우 어렵다^[40]. 실제 개발에서는 다양한 분야의 전문가가 팀을 구성하여 분담하여 참여한다. 또한 각 분야에서 보아 바람직한 기체의 형상 및 성능에 대해서는 견해가 서로 모순되는 경우가 있으며, 개발에 있어서는 각 관점의 중요도를 종합적으로 판단하고, 성능, 가격, 기술적 과제(생산성, 정비성 등)의 균형을 맞춰가면서 진행하는 것도 항공우주공학의 특징 중 하나이다^[29]. 사관 야츠오(佐貫亦男)는 “설계”와 “디자인”이라는 관점에서 이러한 상충에 대해 분석하고 있다.

5. 관련 학과 및 교육 프로그램

항공우주공학은 많은 대학교의 항공우주공학과와 다른 대학교의 기계공학과에서 전문학사, 학사, 석사, 박사 학위 과정으로 배울 수 있다. 일부 학과에서는 우주 중심의 항공우주공학 학위를 제공하며, 일부 기관에서는 항공 공학과 우주 공학을 구분한다. 대학원 과정은 항공우주 산업을 위한 고급 또는 전문 분야에서 제공된다.

화학, 물리학, 컴퓨터 과학 및 수학에 대한 배경 지식은 항공우주공학 학위를 공부하는 학생들에게 중요하다.^[24]

6. 대중 문화 속의 항공우주공학

"로켓 과학자(rocket scientist)"라는 용어는 로켓 과학이 뛰어난 정신적 능력을 요구하는 활동으로 여겨지기 때문에, 매우 높은 지능을 가진 사람을 묘사하는 데 사용된다. 이 용어는 어떤 작업이 간단하다는 것을 나타내는 표현인 "로켓 과학이 아니잖아(It's not rocket science)"에서 반어적으로 사용된다.^[25] 엄밀히 말하면, "로켓 과학"에서 "과학"의 사용은 잘못된 용어이다. 과학은 우주의 기원, 본질 및 행동을 이해하는 것이지만, 공학은 과학적 및 공학적 원리를 사용하여 문제를 해결하고 새로운 기술을 개발하는 것이기 때문이다.^[26]^[27] 어원적으로 더 정확한 표현은 "로켓 엔지니어(rocket engineer)"일 것이다. 그러나 "과학"과 "공학"은 종종 같은 의미로 잘못 사용된다.^[26]^[27]^[28]

참조

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_[2] 웹사이트 Education, Aerospace Engineers http://www.myfuture.[...] myfuture.com 2015-06-22
_[3] 서적 Encyclopedia of Aerospace Engineering John Wiley & Sons 2010
_[4] 백과사전 Engineering
_[5] 웹사이트 Career: Aerospace Engineer http://www.princeton[...] The Princeton Review 2006-10-08
_[6] 웹사이트 Sir George Cayley http://www.flyingmac[...] 2009-07-26
_[7] 웹사이트 Sir George Cayley (British Inventor and Scientist) https://www.britanni[...] Britannica n.d.
_[8] 웹사이트 Sir George Cayley http://www.centennia[...] U.S. Centennial of Flight Commission 2016-01-31
_[9] 백과사전 Aeronautical engineering Grolier Incorporated
_[10] 논문 Brief History of the Early Development of Theoretical and Experimental Fluid Dynamics https://citeseerx.is[...] 2010
_[11] 웹사이트 History Timeline American Institute of Aeronautics and Astronautics 2024-07-15
_[12] 웹사이트 From the NACA to NASA: 95 Years of Innovation in Flight - NASA https://www.nasa.gov[...] 2010-03-02
_[13] 웹사이트 History Timeline American Institute of Aeronautics and Astronautics 2024-07-15
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_[18] 웹사이트 The Concorde made its final flight 15 years ago and supersonic air travel has yet to recover — here's a look back at its awesome history https://www.business[...] 2019-09-10
_[19] 뉴스 World's largest plane destroyed in Ukraine http://edition.cnn.c[...] CNN 2022-02-28
_[20] 웹사이트 History of the Airbus A380 https://interestinge[...] 2019-03-31
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