비행기는 어떻게 하늘로 날아오르는가
인문지식인을 위한 항공 역학 메커니즘 해설

비행기 역학 교과서는 항공 역학을 처음 접하는 사람이라도 쉽게 이해할 수 있다. 비행기 설계부터 조종까지 항공 역학이 적용되는 모든 부분을 해설하고, 실제 비행기 도면과 다양한 그래프와 실험으로 이해를 돕는다. 비행기가 날아오르는 원리를  복잡한 수식과 이론이 아니라 가장 쉽고 정확하게 이해 할 수있는 책이다.

라이트 형제가 세계 최초로 사람을 태운 동력 비행에 성공한 이후로 백여 년이 흘렀다. 그동안 비행기는 공기 저항을 줄이는 착륙 장치와 주날개를 뒤로 젖히는 방식으로 훨씬 빨라졌고, 기체의 꼬리에 날개를 더해 높은 안정성까지 얻었다. 한 사람만 태울 수 있던 비행기는 이제 오백 명이 넘는 사람들을 태우고 더 멀리 더 빠르게 이동한다.
이렇게 비행기의 형태와 성능은 발전하고 다양해졌지만, 움직이고 날아오르는 과학적 원리는 모두 동일하다. 제1차 세계대전에서 프로펠러로 힘을 내던 비행기나 제트 엔진을 달고 나는 비행기나 비행 원리는 똑같다. 속도가 마하 2를 넘는 제트 전투기와 자유자재로 회전하는 곡예비행기도 마찬가지다. 따라서 비행 원리를 알면, 글라이더부터 곡예비행기까지 모든 비행기가 날아오르는 힘을 이해할 수 있다.

비행기의 형태는 무엇으로 할지, 상황에 맞춰 어떤 조종을 해야 하는지, 모두 항공 역학이 결정한다. 지금까지 비행기가 변해온 모습을 차근차근 살펴본 후에 조종하고 제작하는 방법까지 알아볼 수 있다.
《비행기 역학 교과서》는 하나하나 세세히 짚어가며, 비행 원리를 해설한다. 우선 비행기의 역사를 살피며, 비행기 형태가 어떤 방식으로 변해왔는지를 보여준다. 후퇴익과 직선익 등 다양한 비행기 날개가 어떻게 탄생했고, 날개의 형태마다 어떤 목적으로 쓰이는지를 알 수 있다. 또한 비행기가 날아오르는 데 필요한 힘을 간단한 실험으로 보여주고, 날개 모양에 따라 달라지는 힘의 작용을 설명한다. 이를 통해 날개의 위치와 종류가 비행에 어떤 영향을 끼치는지가 쉽게 이해된다.

비행할 때의 기체 움직임을 관찰하면, 이륙하고 착륙할 때까지 기체에 어떤 힘이 다양하게 작용하는지도 알 수 있다. 우리가 비행기에 탑승했을 때 느껴지는 움직임으로, 비행 원리를 파악하는 것이다. 여러 힘을 받으면서도 흔들리지 않고, 비행기 스스로 자세를 안정적으로 유지하는 방법을 알 수 있다. 또한 조종사가 실제로 비행 자세를 조정하기 위해 활용하는 조종법도 소개해서 비행 원리가 더욱 생생하게 와 닿는다.

마지막에는 항공 역학을 이용해 비행기를 제작하는 방법까지 소개한다. 모형비행기로 설계, 제작, 조정을 하나하나 자세하게 다룬다. 제작 과정을 세세히 설명해, 항공 역학이 실제로 비행기 제작에 어떻게 적용되는지 명확히 알 수 있다.
다양한 비행기의 형태와 비행할 때 느껴지는 움직임을 이해하려면, 먼저 항공 역학을 알아야 한다. 비행기의 발전이 빠르고 이용하는 일이 늘어나는 만큼, 비행 원리를 이해하는 것이 중요하다. 이 책은 ‘항공 역학’을 바탕으로, 그동안 비행기를 타거나 보면서 생겼던 많은 질문에 가장 쉽고 명확하게 답해줄 것이다.

저자 : 고바야시 아키오
도쿄대학교 공학부 항공공학과를 졸업했다. 토요타자동차 기술연구소 소장을 역임했으며, 트럭 및 버스용 디젤 엔진의 연구 개발과 제품 기획을 담당했다.
엔진을 연구하면서 얻은 방대한 지식과 항공 역학을 바탕으로 멀리 나는 종이비행기를 개발해, 미국 시애틀에서 개최한 ‘제2회 세계 종이비행기 대회’에서 우승을 차지했다. 현재 글라이더 연구에 매진하고 있으며, 종이비행기 제작 과정을 강습 프로그램으로 개발해 항공 역학을 쉽게 전하는 일에 힘쓰고 있다. 지은 책으로는 《도해 : 비행기는 어떻게 나는 것일까?》가 있다.

역자 : 전종훈
서울대학교 전기공학부를 졸업 후, 일본 문부과학성 초청 장학생으로 도쿄대학교 전기공학과 대학원을 졸업하였다. 북유럽에서 디자인을 공부한 후, 현재는 산업 디자이너로 일하면서 번역에이전시 엔터스코리아에서 출판기획 및 일본어 전문 번역가로 활동 중이다. ​옮긴 책으로는《비행기 구조 교과서》《선박 구조 교과서》《양자야 이것도 네가 한 일이니》 등이 있다.

감수 : 임진식
국방과학연구소 수석연구원. 대한항공 항공기술연구소의 연구원을 거쳐, 현재 국방과학연구소에서 유도무기 및 항공기의 제트추진 개발에 힘쓰고 있다. 서울대학교 공과대학 우주항공공학과를 졸업한 후, 한국과학기술원(KAIST)에서 석사와 박사 학위를 취득했다. 한국추진공학회의 부회장을 역임했으며, 한국항공우주학회와 한국군사과학기술학회의 종신회원으로 활동하고 있다.

Chapter 1 비행기의 모양은 어떻게 결정하는가
: 비행기의 형태
비행기가 날기 위해 필요한 요소 14
다양한 비행기의 형태 17
라이트 형제 이전의 비행기 20
인류 최초의 유인 동력 비행에 성공한 이유 23
오늘날 비행기 형태의 탄생 27
제1차 세계대전을 거치며 실용화된 비행기 30
황금시대를 거치며 한 단계 더 발전한 비행기 35
한계에 도달한 프로펠러 비행기의 성능 40
초음속 비행에 도전한 비행기의 진화 43
비행 원리를 알면 보이는 비행기의 목적 46

Chapter 2 비행기는 어떻게 날 수 있는가
: 비행기의 비행 원리
비행기가 뜨기 위해 필요한 힘 50
양력의 크기를 결정하는 요소 51
무거운 비행기가 떠오르는 원리 55
비행기의 성능을 결정하는 익형 58
날개 표면에서 일어나는 일들 62
이착륙에 필요한 고양력 장치 66
주날개 평면형의 결정 70
비행기가 움직이면 발생하는 공기 저항 76
추력이 없으면 날 수 없는 비행기 82
기체 무게의 일부로 비행하는 글라이더 84
주날개가 제대로 작용하려면 필요한 것들 87

Chapter 3 비행기는 어떻게 안정된 자세를 유지하는가
: 비행기의 비행 자세
비행 자세를 이해하기 위한 세 가지 방향과 축 90
모형 비행기로 알아보는 비행기의 운동 92
작용점과 균형 잡기 96
승강키로 잡는 피칭 균형 100
요잉과 롤링 균형 104
방향키만으로 바꿀 수 없는 비행기 방향 107
언제라도 깨질 수 있는 비행기의 균형 110
수평꼬리날개와 수직꼬리날개의 고유 안정성 111
상반각으로 얻는 롤링 안정 114
주날개 위치에 따른 롤링 안정 효과 120
후퇴각에 존재하는 롤링 안정 효과 124
더치롤이 발생하는 이유 128
모형 비행기 조정하기 130

Chapter 4 비행기는 어떻게 조종하는가
: 비행기의 조종법
조종사가 활용하는 실제 비행기 조정법 134
비행기가 이륙하는 방법 140
비행기의 상승 조작 142
비행기의 수평 비행 조작 144
세 가지 키를 사용하는 선회 비행 146
역요와 나선 강하 150
하강과 착륙 조작 방법 154
곡예비행도 가능한 모형 비행기 157

Chapter 5 비행기는 어떤 힘을 견뎌야 하는가
: 비행기의 강도
가벼우면서도 튼튼해야 하는 기체 160
비행기에 가해지는 G의 정체 163
정상 비행 상태에 작용하는 하중 165
기수를 들어 올리면 증가하는 하중 168
돌풍이 발생하면 커지는 G 170
최대 비행 속도를 제한하는 이유 172
착륙할 때의 하중 173
주날개에 가해지는 하중 174
동체에 가해지는 하중 176
비행기 종류마다 정해진 하중 배수 178
비행기를 설계할 때의 안전율 180
‘페일 세이프’의 개념 182
전투기보다 튼튼한 모형 비행기 184

Chapter 6 항공 역학을 적용한 모형 비행기의 설계와 비행
: 모형 비행기 제작
설계 단계에서 목적 설정하기 188
모형 비행기를 제작하는 순서 190
설계는 아이디어 스케치부터 193
주날개의 평면형 결정하기 197
무게중심 위치 선정과 수평꼬리날개 결정 201
수직꼬리날개 형태 결정과 측면도 및 정면도 완성 206
비행기 구조 설계 208
제작할 때 주의해야 할 주요 사항 212
시험 비행을 진행하는 방법 215
직진 활공 220
선회 활공 225
하강률을 최소화하는 조정법 228
높게, 더 높게 상승시키는 방법 231
모형 비행기의 실제 설계 사례 237
세계 대회에 등장한 다양한 비행기 형태 244