비행조종·모노코크와 복합재 — 조종사 핸드북 3장 (2/3)

앞 편은 항공기 정의·형식증명과 동체·날개·미익·착륙장치·동력장치까지였습니다. 이번 편은 비행조종·브레이크, 트러스·모노코크·세미모노코크, 복합재, 계기 분류와 성능계기입니다. 앞 편은 항공기 정의, 형식증명과 주요 구성입니다.

비행조종

비행조종(flight controls)은 항공기의 자세를 다스리고, 그 결과로 항공기가 따르는 비행경로를 정하는 장치와 계통입니다. 많은 재래식 비행기에서 주조종면은 힌지로 붙은 뒷전면입니다. 피치는 승강타(elevator), 롤은 에일러론(aileron), 요는 방향타(rudder)입니다. 조종석의 조종사가 움직이거나, 오토파일럿이 움직입니다.

브레이크

요즘 비행기 브레이크는 대부분 여러 장의 패드, 즉 캘리퍼 패드(caliper pad)가 그 사이의 회전 디스크(로터, rotor)를 향해 유압으로 서로를 조입니다. 패드가 바퀴와 같이 도는 로터를 누르고, 마찰이 커지면서 바퀴가 느려지고 멈춥니다.

디스크와 패드는 자동차처럼 강철이거나, 더 가볍고 에너지를 더 많이 흡수하는 탄소 재질입니다. 비행기 브레이크는 주로 착륙에 쓰이고 엄청난 에너지를 흡수해야 하므로, 수명은 마일이 아니라 착륙 횟수로 셉니다.

항공기 구조의 종류

항공기 동체 구조는 초기의 나무 트러스 배열에서 모노코크 셸로, 그리고 지금의 세미모노코크 셸로 바뀌어 왔습니다.

트러스 구조

트러스 구조의 큰 단점은 유선형이 아니라는 점입니다. 이 방식에서는 론저론(longeron)이라 부르는 관을 용접해 잘 버틴 뼈대를 만듭니다. 세로·가로 스트럿을 론저론에 용접하면, 끝에서 볼 때 네모나 직사각형이 됩니다. 어느 방향에서 오는 응력에도 버티려면 스트럿이 더 필요합니다. 동체 형상을 잡고 외피를 받치려고 스트링거와 벌크헤드, 즉 포머를 더합니다.

기술이 나아지자 설계자들은 트러스 부재를 감싸 비행기를 유선형으로 만들고 성능을 키웠습니다. 처음에는 천 직물이었고, 나중에는 알루미늄 같은 경량 금속이 그 자리를 대신했습니다. 바깥 스킨이 비행 하중의 전부 또는 큰 부분을 지탱하는 경우도 있습니다. 요즘 항공기는 대부분 이런 응력스킨(stressed skin)의 한 형태, 곧 모노코크 또는 세미모노코크를 씁니다.

모노코크

모노코크(monocoque)는 알루미늄 음료 캔처럼 응력스킨이 거의 모든 하중을 받습니다. 매우 강하지만, 표면이 찌그러지면 잘 견디지 못합니다. 음료 캔은 양 끝에서 상당한 힘을 버티지만, 하중을 받는 중에 옆면이 조금만 찌그러져도 쉽게 무너집니다.

비틀림과 굽힘 응력의 대부분을 열린 뼈대가 아니라 바깥 스킨이 받으므로, 내부 버팀대가 줄거나 없어져 무게가 줄고 공간이 커집니다. 눈에 띄는 예로 1918년 잭 노스롭(Jack Northrop)이 록히드 S-1 레이서용 모노코크 동체를 만든 방법이 있습니다. 나무 후프 또는 스트링거 둘레에 성형한 합판 반쪽 껍질 두 장을 붙였습니다. 형틀 위에 합판 조각을 여러 장 붙이는 대신, 아교에 적신 가문비 스트립 세 묶음을 욕조처럼 생긴 반원 콘크리트 몰드에 깔았습니다. 뚜껑을 단단히 잠근 뒤 안쪽 공동에 고무 풍선을 부풀려 합판을 몰드에 눌렀습니다. 24시간 뒤 매끄러운 반쪽 껍질이 나와, 다른 반쪽과 붙여 동체를 만들었습니다. 각 반쪽은 두께가 1/4인치가 되지 않았습니다.

초기 항공에서 쓰였지만, 공정이 복잡해 모노코크는 수십 년 동안 다시 나오지 않았습니다. 일상에서 보는 모노코크의 예는 자동차 제작이며, 거기서는 유니바디가 표준입니다.

세미모노코크

세미모노코크(semimonocoque)는 「부분」 또는 「절반」이라는 뜻으로, 비행기 스킨이 붙는 하부구조를 씁니다. 하부구조는 크기가 다른 벌크헤드 및/또는 포머와 스트링거로 이루어지며, 동체의 굽힘 응력을 일부 받아 응력스킨을 보강합니다. 동체 주 구간에는 날개 부착점과 방화벽도 들어갑니다.

단발기에서는 엔진이 보통 동체 앞에 붙습니다. 엔진 뒤와 조종석 또는 객실 사이에는 우발 엔진 화재로부터 조종사와 승객을 막는 내화 칸막이가 있습니다. 이 칸막이가 방화벽(firewall)이며, 보통 스테인리스강 같은 내열 재료입니다. 다만 요즘 떠오르는 제작 방식은 복합재를 섞거나, 항공기 전체를 복합재로 만드는 것입니다.

복합재 구조

역사

항공기 구조에 복합재를 쓴 기록은 제2차 세계대전으로 올라갑니다. B-29 동체에 부드러운 유리섬유 단열재를 썼습니다. 1950년대 후반에는 유럽의 고성능 활공기 제작사가 유리섬유를 주구조로 썼습니다. 1965년 FAA는 보통 등급으로 첫 전 유리섬유 항공기, 스위스 활공기 디아만트 HBV(Diamant HBV)에 형식증명을 냈습니다. 4년 뒤에는 4좌석 단발 윈데커 이글(Windecker Eagle)을 보통 등급으로 증명했습니다. 2005년에는 신규 항공기의 35퍼센트가 넘는 기체가 복합재로 만들어졌습니다.

복합재는 넓은 말입니다. 유리섬유, 탄소섬유 직물, 케블라(Kevlar™) 직물, 그리고 이들의 혼합을 가리킬 수 있습니다. 복합재 구조의 이점 두 가지는 매우 매끄러운 스킨과, 복잡한 곡선·유선형을 쉽게 성형할 수 있다는 점입니다.

항공기의 복합재

복합재는 섬유보강 기지(fiber-reinforced matrix) 계통입니다. 기지(matrix)는 섬유를 붙잡는 「접착제」이며, 경화되면 부품의 형상을 줍니다. 하중의 대부분은 섬유가 받습니다. 섬유와 기지의 종류는 많습니다.

항공기에서 가장 흔한 기지는 에폭시 수지(epoxy resin)이며, 열경화성 플라스틱(thermosetting plastic)의 한 종류입니다. 폴리에스터 수지보다 강하고 고온 특성이 좋습니다. 구조 특성, 경화 시간과 온도, 가격이 다른 에폭시가 많습니다.

항공기 구조에 가장 흔히 쓰는 보강 섬유는 유리섬유와 탄소섬유입니다. 유리섬유는 인장·압축 강도가 좋고 충격에 잘 견디며, 다루기 쉽고 비교적 싸며 구하기 쉽습니다. 주된 단점은 다소 무겁다는 점이며, 잘 설계한 동등 알루미늄 구조보다 가벼운 유리섬유 하중지지 구조를 만들기는 어렵습니다.

탄소섬유는 대체로 유리섬유보다 인장·압축이 강하고 굽힘 강성이 훨씬 큽니다. 무게도 유리섬유보다 꽤 가볍습니다. 다만 충격 저항은 비교적 약합니다. 섬유가 취성(脆性)이라 날카로운 충격에 잘 부서집니다. 보잉 787의 수평·수직안정판에 쓰는 「강화」 에폭시 수지 계통으로 크게 나아질 수 있습니다. 탄소섬유는 유리섬유보다 비싸지만, 1980년대 B-2 프로그램과 1990년대 보잉 777 작업이 이끈 혁신으로 가격이 내려갔습니다. 잘 설계한 탄소섬유 구조는 동등 알루미늄보다 훨씬 가벼울 수 있으며, 때로는 30퍼센트 정도입니다.

복합재의 장점

복합재 구조는 금속·나무·직물보다 이점이 있으며, 가장 자주 드는 것은 가벼운 무게입니다. 다만 가벼움이 자동은 아닙니다. 복합재로 만들었다는 것만으로 더 가볍다는 보장은 없고, 구조와 복합재 종류에 달립니다. 더 중요한 이점은 매우 매끄럽고 복합 곡선의 공기역학 형상을 만들어 항력을 줄인다는 점입니다. 1960년대 활공기 설계자들이 금속과 나무에서 복합재로 바꾼 주된 이유입니다. 비행기에서는 시러스(Cirrus)와 컬럼비아(Columbia) 양산기가 고정 착륙장치인데도 고성능을 내는 데 복합재가 항력을 줄입니다. 복합재는 B-2, F-22 같은 「스텔스」 설계의 레이더 신호를 가리는 데도 도움이 됩니다. 오늘날 복합재는 활공기부터 대부분의 신형 헬리콥터까지 쓰입니다.

세 번째 이점은 부식이 없다는 점입니다. 보잉은 전 복합재 동체의 787을, 이전 여객기보다 객실 차압과 습도를 모두 높게 설계하고 있습니다. 단열 블랭킷 뒤처럼 가려진 동체 스킨에 맺힌 습기로 부식될까 예전만큼 걱정하지 않습니다. 항공사에는 장기 정비비가 낮아질 수 있습니다.

또 다른 이점은 헬리콥터 로터 블레이드처럼 휨이 반복되는 환경에서의 성능입니다. 복합재는 금속처럼 금속 피로와 균열 성장을 겪지 않습니다. 설계를 신중히 하면 복합재 블레이드의 설계 수명은 금속보다 꽤 길 수 있고, 요즘 대형 헬리콥터는 대부분 전 복합재 블레이드이며, 많은 경우 복합재 로터 허브도 씁니다.

복합재의 단점

복합재에도 단점이 있으며, 가장 중요한 것은 손상이 눈으로 잘 안 보인다는 점입니다. 복합재는 다른 구조재와 충격 반응이 다르고, 뚜렷한 손상 흔적이 없는 경우가 많습니다. 자동차가 알루미늄 동체를 들이받으면 움푹 들어갈 수 있습니다. 들어가지 않았으면 손상이 없고, 들어갔으면 손상이 보여 수리합니다.

복합재 구조에서는 부딪힘이나 공구 낙하 같은 저에너지 충격이 표면에 아무 흔적도 남기지 않을 수 있습니다. 충격 지점 아래에는 넓은 층간박리(delamination)가 원뿔 모양으로 퍼져 있을 수 있습니다. 뒷면 손상은 크고 넓어도 가려져 안 보일 수 있습니다. 사소한 충격이라도 있었다고 볼 이유가 있으면, 복합재를 아는 검사관에게 내부 손상을 보게 하는 편이 좋습니다. 유리섬유 구조에서 「허연」 부분이 보이면 층간박리 또는 섬유 파단이 일어났다는 좋은 단서입니다.

중에너지 충격(자동차가 구조를 들이받는 정도)은 표면이 국소적으로 찌그러져, 눈으로 보여야 합니다. 손상 범위는 눈에 보이는 찌그러진 곳보다 넓고 수리가 필요합니다. 고에너지 충격(비행 중 조류 충돌이나 우박)은 관통하고 구조를 심하게 손상합니다. 중·고에너지 충격은 눈으로 보이지만, 저에너지 충격은 찾기 어렵습니다.

충격으로 층간박리, 표면 찌그러짐, 관통이 생기면 수리가 필수입니다. 수리를 기다리는 동안 손상부를 덮어 비로부터 막아야 합니다. 많은 복합재 부품은 얇은 스킨이 허니콤(honeycomb) 코어를 덮는 「샌드위치」입니다. 구조 강성에는 뛰어나지만, 물이 들어가기 쉬워 뒤에 문제가 됩니다. 관통부 위에 스피드 테이프(speed tape)를 붙이면 물막이로는 좋지만 구조 수리가 아닙니다. 손상을 가리는 페이스트 필러도 외관용일 뿐 구조 수리가 아닙니다.

수지가 열에 손상될 수 있는 점도 단점입니다. 「너무 뜨겁다」의 기준은 수지 계통마다 다르지만, 많은 에폭시는 150 °F를 넘으면 약해지기 시작합니다. 이 문제를 줄이려고 복합재에는 흰색 도장이 자주 쓰입니다. 예를 들어 검은색으로 칠한 날개 아랫면이 더운 맑은 날 검은 아스팔트 주기장과 마주 보면 220 °F까지 올라갈 수 있습니다. 같은 구조를 흰색으로 칠하면 140 °F를 넘는 일이 거의 없습니다. 그래서 복합재 항공기에는 허용 도장 색에 대한 구체적 권고가 있는 경우가 많고, 재도장할 때 그 권고를 따라야 합니다. 화재로도 열 손상이 납니다. 금방 끈 작은 브레이크 화재도 날개 아랫면 스킨, 복합재 착륙장치 다리, 휠팬츠를 상하게 할 수 있습니다.

화학 페인트 제거제도 복합재에 매우 해롭고 쓰면 안 됩니다. 복합재에서 도장을 벗겨야 하면 부드러운 그릿 블라스트나 사포질 같은 기계적 방법만 허용됩니다. 페인트 제거제 때문에 비싼 복합재 부품이 많이 망가졌고, 그런 손상은 대체로 수리할 수 없습니다.

복합재 위의 유체 누출

일부 소유자는 복합재 표면에 연료·오일·유압유가 묻는 일을 걱정합니다. 요즘 에폭시 수지를 쓰는 복합재에서는 대체로 문제가 되지 않습니다. 보통 누출이 도장을 공격하지 않으면 아래 복합재도 상하지 않습니다. 어떤 항공기는 유리섬유 연료탱크를 써서, 밀봉제 없이 연료가 복합재 표면에 바로 닿습니다. 값싼 종류의 폴리에스터 수지로 만든 유리섬유 구조는 에탄올을 섞은 자동차 휘발유를 쓸 때 문제가 될 수 있습니다. 더 비싼 폴리에스터 수지와 에폭시 수지는 자동차 휘발유는 물론 100옥탄 항공가솔린(avgas)과 제트 연료에도 쓸 수 있습니다.

낙뢰 보호

낙뢰 보호는 항공기 설계에서 중요한 고려입니다. 항공기가 낙뢰를 맞으면 매우 큰 에너지가 구조로 들어옵니다. 경량 일반항공(GA)이든 대형 여객기든 기본 원리는 같습니다. 기체 크기와 관계없이, 낙뢰 에너지를 넓은 표면으로 퍼뜨려 제곱인치당 암페어를 해가 없는 수준까지 낮춰야 합니다.

알루미늄 비행기를 낙뢰가 치면, 전기 에너지는 알루미늄 구조를 자연스럽게 잘 통합니다. 과제는 그 에너지를 항전·연료 계통 등에서 막아 두고, 안전하게 기체 밖으로 흘려 보내는 것입니다. 가장 저항이 작은 경로는 바깥 스킨입니다.

복합재 항공기에서 유리섬유는 뛰어난 전기 절연체이고, 탄소섬유는 전기를 통하지만 알루미늄만큼 쉽지는 않습니다. 그래서 복합재 스킨 바깥층에 전기 전도성을 더해야 합니다. 보통 가는 금속 메시를 스킨 표면에 접착합니다. 가장 흔한 것은 알루미늄 메시와 구리 메시이며, 유리섬유에는 알루미늄, 탄소섬유에는 구리를 씁니다. 낙뢰 보호가 된 구역을 구조 수리할 때는 아래 구조뿐 아니라 메시도 함께 넣어야 합니다.

내부 무선 안테나가 있는 복합재 항공기에서는 안테나 구역의 낙뢰 메시에 「창」이 있어야 합니다. 내부 안테나는 유리섬유 복합재에서 볼 수 있습니다. 유리섬유는 무선 주파수에 투명하고, 탄소섬유는 그렇지 않기 때문입니다.

복합재의 앞날

제2차 세계대전 이후 수십 년 동안 복합재는 항공기 구조 설계에서 중요한 자리를 얻었습니다. 설계 유연성, 내부식성, 그리고 가능한 높은 비강도는 앞으로도 더 새로운 항공기 설계로 이어질 것입니다. 시러스 SR-20부터 보잉 787까지, 복합재는 항공기 제작에 자리를 잡았고 계속 쓰일 것이 분명합니다.

계기 — 앞으로의 변화

얼마 전까지 대부분의 GA 항공기는 개별 계기를 모아 안전하게 운용하고 기동했습니다. 전자비행표시(EFD, electronic flight display)가 나오면서 재래 계기는 여러 장의 액정표시장치(LCD)로 바뀌었습니다. 조종사 자리 앞에 설치하는 첫 화면이 주비행표시(PFD, primary flight display)입니다. 계기판 대략 가운데의 둘째 화면이 다기능표시(MFD, multi-function display)입니다. 두 화면이 계기판을 덜 복잡하게 하면서 안전을 키웁니다. 고장률이 재래 아날로그 계기보다 훨씬 낮은 솔리드스테이트 계기를 쓰기 때문입니다.

요즘 항전이 나아지고 EFD가 들어오면서, 경력과 관계없이 조종사는 기내 비행조종 계통을 정확히 알아야 하고, 자동화가 항공의사결정(ADM)과 어떻게 맞물리는지도 이해해야 합니다. 자세한 내용은 2장 항공의사결정에 있습니다.

아날로그든 디지털(글래스)이든, 계기는 세 범주로 나뉩니다. 성능, 조종, 항법입니다.

성능계기

성능계기(performance instruments)는 항공기의 실제 성능을 나타냅니다. 성능은 고도계, 속도계 또는 승강계(VSI, vertical speed indicator), 방향지시계, 선회경사계를 보고 판단합니다. 성능계기는 항공기가 내고 있는 성능을 바로 비춥니다. 속도는 속도계, 고도는 고도계, 상승 성능은 승강계를 봅니다. 그밖에 쓸 수 있는 성능계기는 방향지시계, 받음각 지시계, 슬립-스키드 지시계입니다.

다음 편은 조종계기·항법계기, GPS, 3장 정리입니다.

이 글은 미국 연방항공청(FAA)의 Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge(FAA-H-8083-25B)(퍼블릭 도메인)를 번역·재구성한 시리즈입니다.