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새처럼 날갯짓하는 항공기가 있다?! 연비 높이기 위한 다양한 기술들

2020년 12월 14일
  • 연료비 줄이는 항공기 기술01
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  • 연료비 줄이는 항공기 기술16
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새처럼 날갯짓하는 항공기가 있다?!  연비 높이기 위한 다양한 기술들
[글] 김청한 과학칼럼니스트 [디자인] 동아S&C
 
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푸른 하늘을 가르는 항공기는
자유로움과 여행을 상징한다.
그러나 인류의 오랜 꿈인 비행의
대가는 만만치 않다.
 
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그 중 하나가 극도로 낮은 연비.
기체와 탑승객 수, 화물의 무게 등에 따라 달라지지만
일반적으로 항공유 1리터 당 60~80미터 수준에 불과하다.
자동차의 평균 연비가 10km를 넘는다는 점을 생각하면,
120배를 가볍게 뛰어 넘는 수치다
 
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이에 항공기 연비 상승을 위한
많은 연구가 이뤄지고 있다.
최근 유럽 항공기 제작업체 에어버스는
새처럼 날개를 움직이는 기술을 개발하고 있다.
 
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알바트로스원(AlbatrossONE)이라는 이름의 이 항공기는
마치 새처럼 날개끝(wing tips)을 접었다 펼 수 있다.
날개끝실속(tip stall) 현상을 방지하고,
이를 통해 연료효율을 높이기 위해서다.
날개끝실속=공기 흐름의 변화로 양력이 약해지는 현상
출처: 에어버스
 
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이는 항공기의 무게를 줄이는 데도 도움이 된다.
날개끝 각도를 적절히 조절하면
날개 전체에 가해지는 굽힘하중(bending load)을 줄일 수 있다는 것.
덕분에 무리없이 날개 길이를 늘리는 한편,
날개의 강도를 확보하기 위한 고중량 소재의 사용 역시 최소화 할 수 있다.
굽힘하중=물체가 휘거나 굽혀지도록 작용하는 힘
출처: 에어버스
 
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때문에 알바트로스원의 날개 모양은 일반 항공기와는 조금 다르다.
가로:세로 비율이 18:1에 이르는데,
이는 일반 항공기의 약 1.8배에 해당하는 수치.
장거리 비행으로 유명한 실제 알바트로스와 같이
긴 날개를 자랑하는 모습이다.
 
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에어버스 측은 2차례의 비행 테스트를 통해
실제로 이러한 설계가 효과가 있음을 확인했다.
아직까진 작은 모형 기체 테스트에 불과하지만,
향후 더 큰 사이즈의 비행체에 이를 적용하기 위한 연구가 계속되고 있다.
 
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한편 날개 끝단 부분에 위치한 윙렛(winglet) 역시
연비를 높이기 위한 중요한 부위다.
날개 끝에 부착하는 또 하나의 작은 날개 혹은
끝 부분을 일정한 각도로 꺽은 모양을 일컫기도 한다.
 
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이는 날개 끝부분에서 발생하는 와류(소용돌이 모양 공기 흐름)를
제어하기 위해서다.
와류가 클수록 비행기의 전진을 방해하는 항력(drag)이 커지기에
다양한 모양의 윙렛이 개발돼 비행기에 적용되고 있다
 
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갈퀴 모양의 레이키드 윙팁(Raked wing tip),
부드러운 곡선 형태의  블렌디드 윙렛(Blended Winglet),
상어지느러미를 연상시키는 샤크렛(Sharklet) 등 다양한 윙렛은
각 항공기를 대표하는 상징으로 자리 잡았다.
보잉 777처럼 윙렛이 없는 날개를 클린시트(clean-sheet)라 따로 부를 정도.

설명: 상어지느러미를 연상시키는 샤크렛의 모습
출처: Andrzej Otrębski
 
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한편 연비향상을 위한 고전적인 방법으로는
항공기 경량화가 있다.
기체 특성 상 무게를 줄이면서도 그 강도는 높여야 하기에
탄소섬유강화플라스틱, 알루미늄 합금, 세라믹 매트릭스 복합재 등
수많은 소재를 활용한 방안이 연구되고 있다.
기내식, 서비스 물품, 수화물, 정비 물품들을 좀 더 가벼운 소재로
대체하는 것 역시 도움이 된다.
 
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최근에는 전기 엔진을 일부 도입한  
하이브리드 비행기 개발이 각광을 받고 있다.
대표적인 것이 에어버스가 추진했던 이-팬X(E-Fan X) 프로젝트.
오는 2030년까지 100명이 탑승할 수 있는
하이브리드 항공기를 제작하는 것이 그 목표다.
출처: 에어버스

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다만 어느 정도 자리 잡은 자동차와는 달리
아직까진 걸음마 수준이라는 것이 전문가들의 평.
일부 전기 소형 비행기 시험운행이 성공한 적은 있으나,
대규모 항공기에 도입하기에는 이르다는 판단이다.
이-팬X(E-Fan X) 프로젝트 역시
코로나19로 인한 경영난으로 중단되는 등
다소 시간이 필요한 모습이다.
 
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그래도 아쉬워할 것은 없다.
엔진의 성능을 높여 효율을 높이거나
엔진 사용 자체를 최소화시키는 새로운 비행법 등
연비 향상을 위한 방법은 이외에도 많기 때문.
죽은 벌레떼가 붙어 연비를 낮추는 것을 막기 위해
날개에 코팅을 하는 등 참신한 아이디어도 눈에 띈다.
 
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연비 향상을 위한 연구는
친환경 항공기 개발의 핵심으로 앞으로도 계속될 것이다.
인류의 오랜 꿈이었던 비행기가
비용 절감과 환경 보전이라는
두 마리 토끼를 모두 잡는 그 날을 기대해 본다.
 
 
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