d라이브러리

항공공학에 혁명의 바람을 일으키고 있는 세종류 비행기의 원리와 장·단점을 살펴본다.​

수많은 항공기 종류중에서 최첨단으로 일컬어지는 V/STOL은 어어떤 항공기들인가? 이들을 알려면 우선 항공공학적 원어를 풀어 써볼 필요가 있다. 첫째로 VTOL(브이톨)은 Vertical Take-Off and Landing의 약칭으로 수직이착륙을 뜻한다. 둘째로 STOL(스톨)은 Short Take-Off and Landing의 약칭이다. 이를 풀면 단거리 이착륙을 의미한다. 세째로 V/STOL(브이-스틀)은 Vertical or Short Take-Off and Landing. 즉 수직 및 단거리 이착륙을 말한다.

이를 조금 더 자세히 알아보자. VTOL항공기란 이착륙를 위한 지상의 활주거리가 필요없이 그대로 수직으로 이륙과 착륙을 할 수 있는 항공기를 가리킨다. 여기에는 우리가 잘 알고 있는 헬리콥터도 속해 있다.

한편 STOL항공기란 일반적으로 이착륙에 소요되는 활주거리가 짧은 항공기를 말하지만 이는 다소 애매한 표현이기도 하다. 왜냐하면 STOL항공기가 대형일 경우 일반(STOL항공기술이 적용되지 않은) 소형 세스나비행기보다 절대적인 활주거리는 훨씬 더 길 수도 있기 때문이다.
이처럼 어떤 비행기가 STOL항공기인가의 기준은 단순히 이착륙에 사용되는 활주거리만 비교하여 판정할 수 없다. 비행기중량, 순항속도, 날개의 단위면적당 하중 등을 동시에 고려하여 판단하여야 한다. 끝으로 V/STOL항공기는 VTOL기능 및 STOL기능을 모두 가진 항공기를 말하며, 수직 혹은 단거리 이륙및 착륙을 할 수 있다.

STOL개발과 양력계수

STOL항공기의 보다 자세한 설명을 위하여 항공기의 비행원리및 항공용어등을 간단히 살펴보자.

일반적으로 항공기는 지상에서 떠오르고, 앞으로 나아갈 수 있는 능력을 갖추고 있다. 우선 공기역학적(aero-dyna-mic)으로 발생시키는 양력(lift force)을 이용, 중력을 이기고 떠 오르게 된다. 이어 엔진의 추력(thrust force)을 사용하여 공기의 저항등을 이기고 앞으로 전진하게 되는 것이다.

정지상태에서 출발한 항공기는 지상의 활주로를 달려 나가면서 속도를 증가시키게 된다. 그러다가 특정속도에 달하면 이륙하게 되는데, 이 순간의 속도를 이륙속도 ${V}_{0}$라고 한다. 이때 항공기에 발생된 양력 ${L}_{0}$는 항공기의 무게 ${W}_{t}$보다 커지게 된다. 뜨는 힘이 가라앉은 힘보다 커지는 것, 바로 이것이 항공기가 뜨는 간단한 원리이다.

그런데 낮은 속도에서 이륙할 수 있다면 이때까지 달린 활주거리가 짧아질 것이다. 그리하여 STOL항공기가 탄생할 수 있게 된다. 즉 낮은 이륙속도에서 뜨는데 필요한 양력을 발생시켜야 하는 것이다. 양력${L}_{0}$는 양력계수${C}_{e}$와 속도${V}_{0}$의 함수이다. 즉 
${L}_{0}$=${C}_{e}$×(\frac{1}{2}ρ${V}_{0}$²)로 표현될 수 있다(S는 날개면적).이 식을 잘 검토해 보면 낮은 이륙속도 ${V}_{0}$에서 큰 양력 ${L}_{0}$를 획득하기 위하여는 큰 양력계수 ${C}_{e}$를 얻을수 있는 항공기 날개를 설계하여야 함을 알 수 있다.

그러나 공식에서 알 수 있듯이 양력은 이륙속도 ${V}_{0}$의 제곱에 비례하며, 양력계수${C}_{e}$에 비례한다. 따라서 이륙속도를 2분의 1로 줄이려면 ${C}_{e}$를 4배이상 증가시켜야 동일한 조건하에서 이륙이 가능하게 된다. 이러한 ${C}_{e}$의 대폭증가는 특별한 설계와 창의적인 새로운 개념을 요구함은 말할나위 없다.

또 공식에서 보듯이 상대적으로 넓은 날개를 사용하면 큰 양력을 얻을 수 있다. 다시 말해 날개면적 S를 증가시킴으로써 낮은 속도에서 큰 양력 ${L}_{0}$으로 STOL항공기가 만들어질 수도 있으나 이 경우에는 몇가지 문제점이 뒤따른다. 비행중에 넓은 날개표면 때문에 공기마찰저항이 크게 증가하며, 커다란 날개구조로 인해 항공기 무게가 증가하는 결과를 가져온다는 것이다.

결국 STOL의 개발은 양력계수의 증가와 직결된다고 말할 수 있다. 그래서 STOL연구자들은 양력계수가 큰 항공기날개의 개발에 총력을 기울이고 있다. 현재 개발된 STOL항공기의 양력계수${C}_{e}$의 대략적인 범위는 3~7주정도, 활주거리는 5백~7백m 정도라고 보면 크게 틀린 수치가 아니다.

V/STOL의 대차대조표

V/STOL항공기는 VTOL비행법 또는 STOL비행법으로 모두 비행할 수 있으나 VTOL법으로 이착륙할 경우 몇가지 약점이 지적된다. 지나치게 큰 연료소모를 가져오고, 항공기에 실을 수 있는 화물의 무게에 제한을 받게 된다는 것.

성공적인 V/STOL항공기의 개발을 추진하기 위해 고려해야 하는 것들은 무엇일까? 우선 기술적으로 실현가능성이 있어야 하며, 사회여건상으로도 적합한 시기여야 할 것이다. 그리고 경제적인 경쟁성이 있어야 한다. V/STOL의 개발에는 엄청난 연구개발비가 지출될 것이므로 가지고 있는 기술역량, 사회의 다른 분야와의 평형등을 고려, 신중한 결정을 해야 할 것이다.

V/STOL 항공기를 사용할 경우 예측되는 사회적 이점은 어떤 것일까? 먼저 짧은 활주로를 요구하게 됨으로써 토지가 절약된다는 점을 들 수 있다. 현재 김포국제공항의 면적은 여의도 3~4배의 면적을 차지하고 있다. 하지만 V/STOL항공기 전용공항은 여의도 절반이면 충분하며, 이러한 공항면적의 축소는 심각한 대지난에 직면하고 있는 대도시일수록 더 큰 장점이 될 수 있다.

한편 이러한 소규모 비행장은 현재의 대규모 비행장보다 훨씬 더 시내에 가깝게 비행장을 설치할 수 있게 된다. 따라서 비행장 왕래에 소요되는 시간과 휘발유를 절약하게 된다. 세계의 수억만명에 이르는 항공교통인구를 고려하면 실로 대단한 경제적 절약이 아닐 수 없다.

또한 V/STOL항공기는 그 특성상 일반 비행기보다 수직에 가깝게 이착륙하므로 항공기의 이착륙시 발생하는 소음에 시달리는 지역이 축소될 것이다. 그리고 짧은 활주로를 이용한 이착륙은 도서지방이나 산골의 좁고, 작은 비행장 이용도 가능하게 함으로써 각 지방간의 항공교통을 보다 더 긴밀하게 연결하게 된다.

이착륙시 항공기의 사고발생 빈도는 항공기의 이착륙속도 크기에 반비례한다. 천천히 이착륙하는 항공기일수록 사고위험의 가능성이 적다는 얘기다. 따라서 낮은 이착륙속도를 갖는 V/STOL항공기는 기존의 항공기보다 안전한 면도 갖고 있는 것이다.

한편 V/STOL항공기는 군사적으로도 활용도가 높다. V/STOL전투기는 웬만큼 파손된 짧은 활주로는 물론 일반도로, 잔디밭 등 적이 예기치 못한 장소에서도 이착륙이 가능하므로 작전상 큰 장점을 갖고 있다.

또 대형항공모함에 항공기가 집단적으로 실려 다님으로써 적 공격에 취약했던 점도 메울 수 있다. V/STOL전투기는 소규모로 분산 배치될 수 있어 작전장 유리한 것이다. 가령 항공모함의 침몰에 따라 모든 전투력의 동시 상실되는 일은 피할 수 있다.

그리고 V/STOL항공기는 수색, 정찰, 인명구조 등에 유리하며 대(対)잠수함작전에 필요한 공중정지(hovering) 능력을 갖고 있다. 몇 해 전에 발생했던 영국과 아르헨티나 간의 포클랜드전쟁에서 V/STOL능력을 가진 영국의 헤리어전투기는 공중전에서도 장점을 지니고 있음을 보여주었다.

로우터와 프로펠러 어떻게 다른가

일반 항공기의 분류는 외관, 추진기관, 양력원리 등 수많은 기준에 의해 이뤄진다. 하지만 여기서는 V/STOL항공기를 설명하는데 편리하게 분류해 보았다. 항공기 양력을 발생시키는 방법은 흔히 3종류로 구별된다. 즉 고정된 주날개(wing)의 양력, 회전하는 날개(rotor)의 양력, 수직 하(下)방향의 분사제트(jet) 반동력이 그것이다. 이때 처음 두 경우에도 사용하는 엔진은 터보제트엔진 일 수 있다. 또 세번째 경우에도 터보프롭엔진을 사용할 수 있다.

V/STOL항공기는 수직으로 이륙한 후 적당한 고도에서 일반 항공기와 같이 수평비행으로 바뀌어야(transition) 한다. 수직에서 수평으로 바뀌는 과정은 V/STOL항공기에서 가장 어려운 기술중의 하나이며, 이 과정의 방법에 따라 다시 4가지 형으로 나뉜다.

여기에는 항공기 동체 자세가 변경되는 방법(㉠방법), 추력발생기를 경사시키는 방법(㉡방법), 발생된 추력의 방향을 변형시키는 방법(㉢방법), 양력발생용과 추력발생용 두가지 추진장치를 동시에 사용하는 방법(㉣방법)이 있다.

㉠방법은 수직상승 이륙시의 비행기 자세와 수평비행시의 비행기 자세가 변경되는 것이다. 여기에는 헬리콥터와 같이 수평비행 중에 약간 경사진 자세만을 취하는 것도 해당된다. 반면 로킷의 비행자세변경과 같이 수직자세로부터 완전히 90도 회전하여 수평자세를 취하는 것도 있다.

㉡방법은 추력발생기(프로펠러, 회전로우터, 분사제트 등)의 자세를 경사시켜 추력의 방향을 변경시키는 방법이다. 한 예로 프로펠러 항공기의 경우를 들어보자. 이 항공기는 우선 수직이륙을 위하여 날개에 달린 프로펠러를 헬리콥터의 회전익(翼)과 같이 회전시킨다. 이렇게 해서 일단 이륙이 되면 서서히 방향을 수평으로 바꾸는 과정을 거쳐 일반 항공기와 같이 수평비행으로 진행하게 되는 것이다.

얼핏보기에 ㉢방법은 ㉡방법에서 유래된 듯 하지만 둘사이에는 분명한 차이가 있다. ㉢방법을 설명하면 이렇다. 고정된 추력발생기에서 발생되는 추진제트의 방향을 추력발생기 후방에 설치된 공기 안내깃 등을 이용하여 바꾸는 것이다. 수직이륙시에는 추진제트를 밑으로 분사시킨다. 그러다가 적정고도에 달한후에는 안내깃의 각도를 서서히 변화시킴으로써 추진제트를 수평으로 분사시켜 수평비행을 시작하게 된다. 영국의 해리어전투기는 이러한 종류에 속한다고 볼수 있다.

이 방법이 ㉡방법과 다른 점은 추진장치가 고정되어 있다는 점이다. 따라서 추진장치 전체가 회전하는 ㉡방법보다 기본적인 설계가 용이하나, 항공기의 크기에 제한을 받는 단점이 있다.

끝으로 ㉣방법은 두 가지 추진장치를 별개로 각각 지니고 있다. 여기 해당하는 회전익 항공기의 경우를 예로 들어보자. 양력발생용 회전익(翼)(헬리콥터와 같은)을 사용하여 수직 상승하게 되며, 수평비행은 별개의 프로펠러를 사용, 날아가게 되는 것이다.
분사제트를 사용하는 경우에도 같은 원리이다. 수직하방으로 분사되는 분사제트에 의하여 상승하고, 또다른 수평 분사제트의 분사에 의하여 고속으로 수평비행하게 되는 것이다.

이 경우 비행기의 자세는 항상 수평 비행자세로 고정되어 있어 ㉠방법과는 확실히 구별된다.

한편 ㉠㉡㉢방법등이 한개의 추진장치를 지닌 것에 반하여 ㉣방법은 2개의 추진장치를 지니고 있어 장단점을 동시에 갖는다. 즉 수직―수평변환 과정에서 제기되는 까다로운 제어문제를 쉽게 해결할 수 있으나, 수평비행시에는 필요없는 수직상승용 엔진을 항상 지니고 다니게 되어 항공기 전체의 무게가 무거워지는 단점이 있다.

현실로 나타난 공상영화

지금까지 몇가지 기본적인 항공공학 개념을 적용, V/STOL항공기를 분류하여 보았다. 현재 이것들은 많은 사람들의 창의적인 발명과 지속적인 연구·노력에 힘입어 속속 개발되고 있다. 공상만화나 영화에서나 볼 수 있었던 묘하게 날아다니는 V/STOL항공기가 계속 등장하고 있는 것이다. 어떤 경우에는 앞에서 분류한 양력발생방법이 서로 혼합되어 있다. 그래서 분류자체가 애매모호해지는 경우도 많이 나오고 있다.

그런데 고정된 주(主)날개의 양력으로 비행하는 고정익(翼)항공기가 STOL기능을 담당하기 위해서는 높은 양력(high lift)을 얻기 위한 특수한 설계 및 장치가 필요하다.

일반적으로 단일익(翼)형(single air-foil)으로 이루어진 날개는 최대 양력계수${C}_{e}$ 값이 1내외로 제한을 받고 있다. 이는 날개표면을 따라 흐르는 공기흐름 때문이다. 즉 공기흐름이 압력분포에 따라 표면으로부터 박리(separation)가 될수 있으며 이러한 유동현상은 높은 양력계수를 얻을 수 없게 한다.

이를 극복하는 방법은 없을까? 일차적으로 익(翼)형을 여러 조각으로 분리시켜 익형의 곡률(曲率)을 높이는 방법이 있다. 이는 실직적으로 날개면적을 증가시킴으로써 2백~3백%의 양력계수 향상을 가져올 수 있다. 이러한 목적으로 익형의 뒷 부분에 설치되는 것을 플랩(flap)이라고 부르며, 앞 부분에 설치되는 것을 슬랫(slat)이라고 한다. 그러나 이러한 기구를 작동시키면 공기저항을 증가시킨다. 따라서 순항시에는 이들을 다시 원위치시켜 단일익형모습으로 복귀시킨다.

비행기를 타고 이착륙할 때 날개를 보면 지금 설명한 것들을 쉽게 이해할 수 있다. 이륙 순간 비행기의 양력을 증가시키기 위하여 앞, 뒤부분에 엤는 슬랫과 플랩등이 튀어 나오는 것을 볼 수 있다. 이때 마치 날개가 분리되는 것 같아서 걱정스러울지 모르지만 이러한 작동에 의하여 양력이 급격히 증가하고 단거리에서 이륙하게 되는 것이다.

그러나 이러한 기계적인 고(高)양력 장치만으로는 필요한 고양력을 얻기에 부족하다. 그래서 날개표면의 유동의 박리를 제어하기도 한다. 이를 위하여 비행기 표면의 공기를 흡입(suction)하거나 혹은 분출(blowing)시키기도 한다. 이 경우에는 대개 3백~4백% 증가된 양력을 날개로부터 얻을 수 있다.

하나 진정한 의미의 STOL항공기가 되려면 이 정도의 양력증가는 아직도 부족하다. 그래서 고속 STOL기에서는 터보 제트엔진의 배기가스를 이용하는 방법이 현재 대대적으로 연구시험중이다.

여기에는 크게 외부분사플랩(EBF)법과 상면분사플랩(USBF)법등이 있다. 전자는 날개에 달린 엔진의 배기가스가 날개의 뒷쪽 플랩에 부딪혀 아래 방향으로 굽어 흐르게 함으로써 윗 방향으로 향하는 양력을 추가로 얻게하는 방법이다. 후자는 날개의 상부표면에 가깝게 엔진의 분출가스가 흐르도록 엔진 설치높이를 조절하는 방법. 이때 날개상면의 공기속도는 무척 빨라지게 되고 베르누이(Bernoulli)정리에 따라 압력은 더욱 내려가게 된다. 그 결과 양력이 크게 증가하게 되는 원리이다.

혁신적인 V/STOL 2종

이 두 방법은 기존의 일반 항공기와 유사한 비행원리를 갖고 있어 안정성과 신뢰도가 높다. 따라서 가장 먼저 실용화될 STOL항공기는 두 방법에 충실한 항공기가 될 가능성이 크다. 현재 이러한 STOL항공기는 미국과 소련은 물론이고 일본에서도 이미 실험기의 비행에 성공하고 있는 상태이다.

끝으로 보다 혁신적이고 새로운 개념의 V/STOL항공기로, 현재 많은 연구가 진행중인 대표적인 경우를 둘 들어본다.

첫째로는 X형날개/로우터 시스팀이다. 이는 헬리콥터와 흡사한 모양으로 동체위에 X형날개를 갖고 있다. 이 항공기는 수직이륙과 공중정지를 위하여 X형 날개를 헬리콥터의 로우터와 같이 회전시켜 양력을 발생시킨다. 수평비행시에는 X형날개를 좌우대칭으로 고정시킨다. 마치 후퇴익(翼)와 전진익(翼)을 각각 1쌍씩 지닌 항공기와 같은 형태를 취하고, 이 고정된 X형날개로부터 양력을 얻는 것이다. 이때 앞으로 나가는 추진력은 터보제트엔진의 분사제트 추력을 이용하게 되며 마하 0.8정도의 고속비행이 가능하다.

두번째 경우는 경사로우터(tilt-rotor)방식이다. 이는 보다 저속의 대형수송기에 적합한 V/STOL항공기이다. 경사로우터식 V/STOL은 양날개의 대형 프로펠러를 수직방향으로 경사시켜 양 날개에 헬리콥터 로우터가 각각 달린 형태로, 수직이착륙과 공중정지 기능을 갖는다. 수평비행시에는 로우터의 회전축을 경사시켜 일반 프로펠러 항공기와 같이 날아가게 되는 것이다.

V/STOL이 안고있는 문제점들

V/STOL항공기는 일반 항공기가 갖지 못하는 많은 장점들을 갖고 있다. 하지만 V/STOL항공기의 실용화에는 해결되어야 할 문제들이 산적해 있다.

공기역학적인 측면에서 볼 때 수직이륙 혹은 지면 가까이 정지비행중인 V/STOL항공기는 지상으로 고온의 배기가스를 다량으로 분출한다. 배기가스의 분출은 비행장의 지면을 손상시킬 가능성이 많다. 또 지면으로부터 반사된 고온의 가스나 이(異)물질이 다시 엔진의 흡입구로 유입, 엔진의 추력을 감소시키거나 손상시켜 추락할 위험성을 갖고 있다. 게다가 V/STOL항공기의 성공열쇠를 쥔 수직 수평 변환 과정은 매우 어려운 항공제어기술을 요구하고 있다.

그러나 인간은 푸른 창공으로의 비상을 위한 도약을 거듭해 왔다. 여기에는 달왕복과 인력 비행기를 이용한 영불해협횡단 그리고 무정지 세계일주비행 등을 꼽을 수 있다. 앞으로도 보다 새롭고 창조적인 노력은 계속될 것이다. 따라서 V/STOL항공기도 가까운 장래에 실용화될 것으로 확신한다.