비행체는 공중을 이동하는 기계나 탈것을 가리키는 말로 쓰이지만, 자료에 따라 범위가 다르다. 한 정의는 대기권을 나는 기계를 뜻하고 미사일을 일반적인 비행기 종류에서 제외하며, 다른 정의는 사람이나 물건을 싣고 나는 항공기에서 우주로켓과 미사일을 제외한다.[3][5] 이처럼 비행체라는 말이 가리키는 대상은 문맥에 따라 달라질 수 있다.
1. 개요
공기보다 가벼운 기구와 비행선은 수소·헬륨 또는 뜨거운 공기를 이용해 정적인 부력을 얻는다. 공기보다 무거운 비행기는 날개 주변의 공기 흐름으로 양력을 얻어 난다.[3][5] 비행 중에는 양력과 중력이 위아래로, 추력과 항력이 앞뒤로 작용하며, 이 힘들의 관계가 기체의 움직임에 영향을 준다.[1][2]
비행체에는 동력 없이 부양하는 기구부터 엔진과 조종 기능을 갖춘 비행선, 고정날개 비행기와 회전날개 비행기까지 여러 형태가 있다.[3][5] 최근 사례로 소개된 SKIRON-XLE는 수소 연료전지를 쓰는 소형 무인기로, 시험 비행에서 7시간 동안 비행했다.[4]
2. 비행체의 분류와 부양 방식
공기보다 가벼운 비행체에는 기구와 비행선이 있다. 이들은 수소나 헬륨 같은 가벼운 기체 또는 뜨거운 공기를 주머니에 담아, 밀어낸 공기와의 무게 차이에서 생기는 정적 부력으로 뜬다.[3][5]
기구는 동력 없이 부양하는 형태로 설명되며, 자유기구와 끈으로 잡아맨 기구로 구분되기도 한다. 비행선은 부력 기체를 담는 구조에 동력장치와 조종 기능을 더해 방향과 고도를 바꿀 수 있다.[3][5] 이 차이는 부력으로 뜬다는 점은 같아도 운용 방식이 다를 수 있음을 보여준다.
공기보다 무거운 비행체는 날개 주변의 공기 흐름에서 생기는 동적인 양력을 이용한다. 여기에 날개가 동체에 고정된 고정날개 비행체와, 회전날개를 갖춘 회전날개 비행체가 포함된다.[3]
고정날개 비행체에는 엔진을 단 일반 비행기와 엔진이 없는 글라이더가 있다. 회전날개 비행체의 예로는 헬리콥터와 오토자이로가 제시된다.[3] 따라서 비행체는 부양 원리뿐 아니라 날개가 고정되어 있는지 회전하는지에 따라서도 구분할 수 있다.
3. 양력과 비행에 작용하는 힘
양력은 비행체를 위로 떠받치고, 중력은 아래로 끌어당긴다. 추력은 비행체를 앞으로 나아가게 하며, 항력은 공기 흐름으로 생겨 진행 방향의 반대로 작용한다.[1][2] 비행 중에는 이 네 힘이 함께 작용한다.
날개 주변을 흐르는 공기는 위쪽과 아래쪽에서 서로 다른 압력 조건을 만든다. 한 설명에서는 날개 윗면의 공기 흐름이 아랫면보다 빨라지고, 아랫면에 작용하는 힘이 상대적으로 커져 양력이 생긴다고 제시한다.[1] 다른 설명도 날개 윗면의 압력이 낮고 아랫면의 압력이 높아 날개를 밀어 올리는 힘이 생긴다고 기술한다.[3]
어린이 대상 활동에서 직접 만든 비행체를 날려 본 결과, 같은 재료를 사용해도 날개의 모양이나 균형에 따라 날아가는 모습이 달라지는 것을 관찰했다.[2]
4. 주요 구조와 설계
비행기의 주날개는 양력을 일으키며, 연료를 보관하는 역할을 할 수도 있다.[1] 꼬리날개는 기체의 균형을 잡아 주는 중요한 부분으로 제시된다.[3] 두 날개는 각각 부양과 균형에 관련된 구조다.
비행체 구조는 가벼우면서도 비행 중 받는 힘과 하중을 견뎌야 한다. 두꺼운 금속을 무작정 쓰면 무게가 늘어 성능이 떨어질 수 있으므로, 가볍고 견고한 구조가 필요하다고 설명된다.[5]
소개된 모노코크 구조에서는 알루미늄 합금의 얇은 판으로 동체와 날개의 형태를 만들고, 내부 보강재를 넣는다. 이 구조에서는 기체가 받는 하중을 금속판 외피가 지탱하며, 실제 기체를 이용한 강도시험으로 설계와 강도가 맞는지 확인한다.[5] 설계와 시험은 항공기 구조가 무게와 하중을 함께 고려해야 함을 보여준다.
5. 비행체의 형태와 운용 사례
기구는 동력 없이 부양하는 형태로 설명되며, 비행선은 부력 기체에 동력과 조종 기능을 더해 방향과 고도를 바꾼다.[3][5] 비행선은 과거 군사용 정찰과 폭격에 쓰였고, 대형 운송 수단으로 주목받기도 했다.[3] 오늘날의 용도로는 운동 중계와 잠수함 초계가 제시되어 있다.[3]
고정날개 비행과 수직 이착륙을 결합한 하이브리드 eVTOL 플랫폼도 사례로 소개된다. SKIRON 계열은 전기 수직 이착륙 뒤 고정날개 방식으로 전진 비행하는 무인기 플랫폼이다.[4] 이는 수직이착륙 기능과 고정날개 비행을 한 기체에 결합한 형태다.
SKIRON-XLE는 수소 연료전지로 동력을 얻는 소형 무인기로, 시험 비행에서 7시간 비행을 마쳤다.[4] 해당 시험 구성에는 수소 탱크 두 개와 카메라 탑재물이 포함됐으며, 통신 링크 범위는 최대 75km로 제시됐다.[4] 이 사례는 무인 비행체의 장시간 비행과 탑재 장비 운용을 함께 보여준다.