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항공기 역사와 드론의 정의- Ⅱ

서울 서대문소방서 허창식 | 기사입력 2022/06/20 [09:40]

항공기 역사와 드론의 정의- Ⅱ

서울 서대문소방서 허창식 | 입력 : 2022/06/20 [09:40]

<지난 호에서 이어지는 내용입니다.>

 

2. 항공기의 역사(1920~1930년대)

1920년대 들어 장거리 비행이 대중에게 유행하면서 각국의 기업에서 지원금과 상금 등을 후원하기 시작했다. 비행 경험이 많고 모험심이 강한 조종사들은 이에 도전을 이어갔다. 그로 인해 많은 조종사가 비행 중 사고로 목숨을 잃었지만 그들의 도전은 멈추지 않았다.

 

그리고 끝끝내 장거리 비행 기록을 지속해서 갱신해 나가기 시작했다. 안정적인 장거리 비행을 위해 항공기 설계 하중이 점차 커지게 됐다. 자연스레 군 수송기와 더불어 여행 등 이동ㆍ운송 수단으로 민간 수송 여객기까지 부상했다. 

 

Ford 5-AT Trimotor(1928)

자동차로 유명한 포드에서 민간 항공시장을 위해 제작한 전금속 수송 항공기로 총 199대가 만들어졌다. 포드의 창시자 헨리 포드는 1926년 미시간주에 콘트리트 활주로를 처음 도입한 포드공항을 만들기도 했다(출처 www.airteamimages.comford-trimotor_N9683_american-airlines_351215.html).

Junkers G38, GR(1929)

융커스 사에서 개발한 4발 대형 민간 수송기로 승무원 7명과 승객 34명을 실어나를 수 있었다. 단 2대만 프로토타입으로 제작됐다(출처 www.hugojunkers.bplaced.net/junkers-g38.html).

Dornier Do-X(1929)

1920년대의 보잉747이라고 불릴 정도로 현대 대형 민간 여객기 설계에도 많은 영향을 준 항공기(비행정)다. 40명의 승객을 태울 수 있도록 설계됐지만 최대 승객 169명을 태운 기록이 있다. 내부 공간은 호텔 수준의 침실과 서재, 욕실, 주방, 식당 등 당시 사치스러울 정도로 호화로웠다는 평이 있다(출처 www.cruiselinehistory.comthe-747-of-the-1920s-the-dornier-do-x-the-largest-flying-boat-in-the-world).


1920년대를 거쳐 안정적인 장거리 비행 기술이 점차 확보된 항공기는 1930년대부터 본격적으로 레크리에이션을 위한 개인 항공기와 항공 여행 운송 시스템을 위한 여객기, 전쟁의 우위를 점하기 위한 전투기(훈련기 포함) 등 다양한 용도와 목적에 최적화된 새로운 설계 플랫폼을 급속도로 확보해 나가기 시작한다.

 

대중도 이제 안정성을 뛰어넘어 더 높고 빠르면서도 멀리 날기 위한 세계 최고ㆍ최초 타이틀 등 비행 기록에 대해 더욱 열광했다. 특히 미국과 유럽의 경쟁이 가장 치열했다.

 

1930년대는 새로운 동력 개발 외에도 다양한 비행 보조 장치 개발의 시초라 할 만큼 고양력장치나 가변 피치 프로펠러, 브레이크, 랜딩기어, 충격 흡수장치, 과급기, 여압실, 낙하산 등을 적용해 항공기 기본 설계에도 많은 변화가 생긴다.

de Havilland DH 82A Tiger moth, ENG(1931)

영국 Geoffrey de Havilland 사에서 제작한 복엽기다. 활공 비행이 뛰어나 영국 공군이 주로 기본 조종 훈련기로 사용했다. 민간에서는 레크리에이션 개인 항공기로도 사용했다. 또 1935년에는 대공 사격용 무인항공기(Queen bee)로 개조해 사용했다(출처 military-history.fandom.comwikiDe_Havilland_Tiger_Moth).

Piper J3C-65 Cub, USA(1939)

1930년 Taylor E2와 1935년 Piper J2 이어 1939년에 제작한 Piper J3C-65 Cub은 이후 모델(PA-18 수퍼컵)보다도 단순하고 가벼운 동체가 특징이다. 부드러운 조작성 등 뛰어난 가성비로 인해 복원된 기체가 오늘날까지 판매될 정도로 역대 최고의 민간용 고익 경비행기(경량항공기)로 불린다(출처 ardupilot.org).

Bristol Type 138A, ENG(1936)

고고도 비행을 위해 2단 슈퍼차져 엔진을 탑재하고 경량으로 설계된 항공기다. 기압 저하에 의한 저산소증이나 감압증 등을 예방하기 위해 조종사는 산소탱크와 여압복을 사용했다. 1937년 1만6440m(5만3937ft) 비행고도 신기록을 달성한다(출처 www.baesystems.com/en/heritage/bristol-138a).

Bucker Bu 133C Jungmeister, GR(1936)

2인승 기본 비행 훈련기로 개발했으나 놀라운 민첩성으로 1936년 처음이자 마지막으로 열린 올림픽 곡예비행 종목(베들린)에서 금메달(오토 하인리히 그라프 폰 하겐부르크)을 차지한 기체다. 당시 참가자 13명 중 9명이 Bucker Bu 133C를 타고 참가했다(출처 military-history.fandom.com/wiki/B%C3%BCcker_B%C3%BC_133).

Martin Model 146 (1935)

고양력장치1) 중 하나인 플랩(Flab)이 적용된 쌍발 엔진 폭격기다. 해안 방어 임무에 주로 투입됐다(출처 www.reddit.com/r/AviationHistory/comments/qj4pm5/martin_model_146_this_was_an_offshoot_of_the/).

Boeing 307 Stratoliner(1938)

여압 객실을 제공한 최초의 취항 여객기로 6천m 고도에서 순항할 수 있었다. 하지만 이후 미 육군에서 장거리 화물수송기 C-75로 변환할 때 무게를 줄이고자 여압장비를 제거했다. 이후 여압실2)은 히로시마 나가사키에 원자폭탄을 투하한 고고도 폭격기 Boeing B-29(1942)에 다시 장착하게 된다(출처 www.airteamimages.com/boeing-307-stratoliner_N19902_pan-american-world-airways_79713.html).

Boeing 247, USA(1933)

초기 미국 여객기로 가변 피치 프로펠러3)와 접을 수 있는 개폐식 착륙장치, 제빙 장치, 자동 조종 장치, 자이로 계기가 있는 첨단 항공기였다(출처 www.armedconflicts.com/Boeing-C-73-t143770).

He 178, GR(1939)

독일의 하이켈 사에서 단순 시험 개발 목적으로 성공한 단발 터보 제트엔진4) 항공기다. 기존 동력기관(피스톤 엔진과 프로펠러)에 의한 추력이 한계를 보임에 따라 원심력을 이용한 공기 압축 기술을 적용해 개발했다. 이후 He280(세계 최초의 제트 전투기, 1941)와 Me262(세계 최초로 실전 배치된 터빈 제트엔진 전투기, 1944)가 개발된다(출처 www.militaryfactory.com/aircraft/detail.php?aircraft_id=214).

 

1920~1930년대 항공기 역사에 한 획을 그은 사건 중 하나는 바로 헬리콥터(Helicopter)의 등장이다. 기존에 날개가 고정된 항공기는 수평비행을 하기 위해 양력 발생을 유지할 수 있는 최소속도(Vmca, Minimum Controllable Airspeed)로 순항 비행해야 한다.

 

최소속도는 항공기 크기와 구동 방식에 따라 80~200㎞/h까지 다양하다. 만약 최소속도 이상 유지하지 못하거나 내지 않으면 항공기는 실속(stall)해 추락하거나 활주로에서 이륙할 수 없다.

 

반면 새로운 방식의 헬리콥터는 회전날개(rotor)를 전방이나 후방이 아닌 상단에서 회전함(feathering)으로써 추력과 양력을 동시에 얻는 방식이다. 추력과 양력 힘의 방향이 수직으로 같기 때문에 항공기가 순항 비행해야 하는 최소속도가 필요하지 않다.

 

그로 인해 이착륙을 위한 활주를 할 필요가 없고 수직 이착륙과 제자리 정지 비행(Hovering), 전후좌우 모든 방향으로 이동 비행이 가능하다. 다만 고정익 항공기보다 항력을 줄이기 쉽지 않아 비교적 비행 속도가 느리다. 연료 소비도 많아 1회 비행 거리가 짧을 수밖에 없다.

 

그런데도 이미 오래전부터 많은 항공기술 개척자에게 연구 대상이 됐던 헬리콥터는 당시 항공산업이 발전할수록 기존 항공기의 단점을 보완할 수 있는 비행 메커니즘으로 주목받았다.

 

하지만 제2차 세계대전이 종전될 때까진 이미 성능이 보장된 기존의 항공기(전투기)를 대량으로 생산하느라 자원이 부족해 양산하지 못했다.

 

또 헬리콥터의 등장은 항공기의 새로운 분류체계를 만드는 계기가 됐다. 기존 고정된 날개로 양력을 발생하는 항공기는 고정익(Fixed Wing Aircraft)으로 헬리콥터와 같이 날개깃(Blade)이 회전하며 양력을 발생하는 항공기는 회전익(Gyroplane 또는 Rotorcraft)으로 불리게 됐다.

 

Cierva C8 Autogiro, ENG(1928)

시에르바(Juan De La Cierva, 1895~1936)는 1920년 실험용 회전익 C1 Autogiro를 시작으로 후속 모델을 개발하며 로터 블레이드 혁신을 가져온 회전익 항공기술의 개척자다. 그가 오늘날까지 영향을 미쳤던 가장 큰 성과는 각 블레이드가 회전 루트에 따라 독립적으로 조절할 수 있는 연결식 회전날개(플랩 힌지 원리)시스템을 개발한 거다. 시에르바는 공로를 인정받아 1966년 국제항공우주 명예의 전당에 헌액됐다(출처 de.wikipedia.org/wiki/Cierva_C.8).

Florine Tandem Motor, BEL(1933)

벨기에에 정착한 러시아계 엔지니어 니콜라스 플로린(Nicolas Florine, 1891~1972)은 1927년 최초로 두 개의 나란히 설치된 로터로 반작용 토크를 상쇄하는 탠덤 로터(Tandem Rotor) 방식의 헬리콥터를 개발했다(사진은 두 번째로 개발한 모델의 비행 모습). 이는 현재 대표적인 수송 헬기인 치누크(CH-47)와 비슷한 형태다(출처 www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S2301385019500092?journalCode=us).

Focke-Wulf Fa61, GR(1936)

실용적인 헬리콥터 설계의 기준이 된 Focke-Wulf Fa61는 1932년 설계를 시작해 첫 번째 프로토 타입(1936)과 두 번째 프로토 타입(1937)을 거쳐 완성했다. 주요 이력으로는 최초로 동력을 끈 상태에서 자동회전5) 착륙 성공(1937), 독일 도이치란트할레 경기장에서 실내 비행 시연 성공(1938), 3427m의 고도 비행 기록(1938) 등이 있다(출처 alchetron.com/Focke-Wulf-Fw-61).

Sikorsky VS-300, USA(1939)

우크라이나 키예프 태생의 이고르 시코르스키(Ivanovich Sikorsky, 1889~1972)는 1913년 세계 최초의 여객기 일리야 무로메츠를 개발했다. 1917년 러시아 혁명 때 미국으로 망명하지만 자신의 이름을 딴 ‘시코르스키’라는 회사를 만들어 회전익 항공기 개발에 몰두한다. 그 첫 번째 작품이 바로 수륙양용 단일 리프링 로터 헬리콥터 V-300이다. 반작용 토크를 상쇄하기 위해 테일 로터를 고안해 냈으며 이후 개선된 모델이 출시되며 현대적 헬리콥터의 기준으로 자리 잡게 된다(출처 afbase.com/ac2_comm/280563).

 

 


1) 고양력장치(High Lift Device): 가장 일반적인 고양력장치인 플랩(Flab)은 미국 항공엔지니어 Harlan D. Fowler(1895~1982)가 처음 고안한 장치다. 항공기 날개 단면의 모양을 바꿔 양력 발생 능력(Lifting capability)을 효율적으로 증가시킨다. 플랩 사용 시 비교적 낮은 속도에서도 동일한 양력을 발생시켜 이착륙 시 용이하지만 순항 중일 땐 항력을 증가시켜 비행 성능이 감소하기 때문에 사용하지 않는다. 최초 플랩을 장착한 항공기는 Fairey Hamble Baby(1916)로 날개 뒷전에 최초로 장착했다. 하지만 향후 20여 년간 사용하지 않고 1935년 전후로 다시 주목하기 시작했다.

 

2) 여압실(pressurized cabin): 항공기는 높은 고도일수록 악천후나 난기류 요인을 피할 수 있지만 반대로 공기밀도가 낮아지기 때문에 산소가 줄어들어 조종사와 승객의 호흡을 어렵게 한다. 여압실은 항공기 공압 제어 시스템을 통해 압축공기를 항공기 내에서 가압해 압력을 조절하거나 일정 수준(8천ft 상공)으로 유지하는 기술을 적용한 공간이다.

 

3) 가변 피치 프로펠러(VARIABLE PITCH PROPELLERS): 처음으로 고안된 프로펠러는 고정된 피치(날개깃)로 공기밀도 등 다양한 비행 환경이나 조건에서 효율적이지 못했다. 프로펠러의 피치가 낮으면 회전에 필요한 최소 엔진 토크도 낮아져 프로펠러를 통과하는 질유량도 감소했기 때문이다. 특히 낮고 고정된 피치는 이착륙 시 효율적이지만 고속 순항 비행을 할 땐 엔진 회전수를 높일 수밖에 없어 항력증가로 이어졌다. 이를 개선하고자 피치를 조종사가 인위적으로 조절할 수 있는 가변 피치 프로펠러를 고안해 냈다. 개발 초기 많은 개척자로 인해 1910년대부터 다양한 방식과 디자인으로 개발됐다. 하지만 실용적인 제어를 통해 가장 항공 발전에 많은 영향력을 미친 건 1930년대 들어서다. 이후 지속적인 발전으로 조속기(governor)를 통해 엔진 회전수는 일정하게 유지하며 자동으로 효율이 최대가 되는 피치 각을 맞춰주는 정속 프로펠러(Constant speed Propeller)가 개발됐다. 

 

4) 제트엔진(jet engine): 내부에서 연소된 고온의 가스를 분출 원리로 추력이 발생하는 엔진이다. 발상은 18세기부터 있었지만 실제 개발 성공은 1937년 영국의 프랭크 휘틀(Frank Whittle, 1907~1996)에 의해 이뤄진다. 하지만 영국은 제트엔진에 대해 큰 관심이 없어 항공기 개발로는 이어지지 못했다. 이후 독일의 한스 폰 오하인(Hans von Ohain, 1911~1998)이 하인켈사와 협력해 개발한 HeS-3 제트엔진이 He 178에 탑재되면서 1939년 8월 27일 세계 최초로 제트엔진에 대한 비행에 성공한다.

 

5) 자동회전(auto rotation): 엔진이 메인 로터 시스템과 분리돼 블레이드가 공기 상향 흐름에 의해서만 움직이는 기동 상태를 의미한다. 주로 메인 엔진 또는 테일 로터에 이상이 생기거나 고장 났을 때 헬리콥터를 안전하게 착륙시키기 위해 조종사가 사용하는 비상절차다. 단일 엔진 헬리콥터의 경우 형식 인증을 얻기 위해 이 성능을 필수 조건으로 입증해야 한다. 

 

 

서울 서대문소방서_ 허창식 hcs119@seoul.go.kr

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2022년 6월 호에서도 만나볼 수 있습니다.> 

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