항공기술의 종합예술품인 비행기가 하늘을 나는 원리와 그 핵심부분인 프로펠러에 대해 지난 주에 알아보았다. 이번에는 비행기의 재료와 구조에 대해 살펴보고자 한다.


▲ 비행기의 재료




요즘 비행기는 많은 사람과 화물을 싣고 아주 높은 고도에서 빠르게 비행하는 것이 보통이다. 이런 조건에서 비행기가 안전하게 비행하려면 기체 구조가 가벼우면서도 튼튼해야 한다. 따라서 항공기는 각 구조 부분별로 그 특성에 맞는 가장 적합하고 우수한 재료를 선택해서 사용하고 있다.



비행기의 기체를 구성하고 있는 재료는 그 종류가 매우 많다. 철 합금, 비철 합금, 비금속 재료 등 각 부분에 많은 금속들이 골고루 사용되고 있다. 이와 같은 재료가 기체의 재료로 사용되기 위해서는 강성(물체에 외부에서 힘을 가하면 그 힘에 저항하는 정도)이 커야 하고, 탄성(외부에서 가해진 힘에 의해 변형된 물체가 힘이 사라졌을 때 원상태로 돌아가려는 성질)이 있어야 한다. 게다가 주위 온도에 성질이 변하지 않아야 하고, 피로 파괴(물체에 힘이 반복적으로 가해지면 시간이 경과한 후에 그 물체가 파괴되는 현상) 등에 강해야 한다.



비행기제작기술의 급진적인 발전으로 여객수송이나 전쟁에서 중요한 역할을 하게 된 것은 알루미늄의 합금인 두랄루민(duralumin)의 실용화가 이루어지면서부터이다. 1930년대에 와서 이 경금속을 사용한 비행기가 처음 등장했다.
두랄루민은 강철과 비슷한 강도에 비중(어떤 물체의 단위중량과 순수한 물 4℃일때 단위중량의 비. 순수한 물 4℃일때 물의 비중은 1.0이다. 즉, 물을 기준을 1.0으로 하고 다른 물체와 비교한 것이 비중이다)은 2.8로 강철의 1/3에 지나지 않아 비행기 재료로서 적합했다. 그 후 초두랄루민, 초초두랄루민 등의 개량된 합금이 발명되어 연강(탄소함유량 0.2%전후)의 1.2∼1.4배의 강도를 지니게 됐다. 이후 알루미늄의 합금은 가공하기 쉽고 가격도 비교적 저렴해 항공기재료의 주류를 이루게 됐다.




그 후 비행기 기술은 더욱 발전해 비행 속도가 음속을 넘게 됐다. 비행기의 속도가 마하 2.7(음속의 2.7배) 이상이 되면 비행기 기체 표면의 온도가 200 ℃ 정도로 상승, 알루미늄 합금의 강도가 떨어지게 되어 비행기의 기체가 견딜 수 없게 된다. 이와 같이 고속으로 비행하는 기체 구조에 사용되는 재료가 티타늄 합금(titanium alloys)이다.
이 티타늄 합금은 연강의 2∼3배나 되는 강도를 지니며, 비중이 작을 뿐만 아니라 피로(반복적으로 하중(힘)이 작용하여 재료의 특성(강도)이 저하되는 현상)에 강하고 부식에도 강한 장점이 있다. 그러나 소재의 값이 비싸고 가공하기 쉽지 않아 일반 비행기에는 방화벽, 내열벽 등 국한된 부분에만 사용되고 있다.
그밖에 크롬, 몰리브덴, 니켈이 들어간 합금은 엔진의 지지대, 볼트, 너트, 손잡이 또는 조종간 등 하중이 집중되는 부분에 사용된다. 스테인리스강은 내열성(열을 견디는 성질)이 우수해 방화벽에 많이 사용되며 마그네슘 합금은 내식성(부식을 견디는 성질)이 강해 기어에 이용되고 있다.



최근에는 금속재료 이외에 유리섬유 또는 탄소섬유 등의 복합재료가 등장했다. 최초로 실용화된 것은 유리섬유강화 플라스틱(FRP)이었으나 하중이 가해졌을 때 변형이 심해 탄소섬유강화 복합재료(CFRP)가 주로 쓰이게 되었다.
이 복합재료는 비중이 1.5로서 철의 약 1/6이면서 특수강에 버금가는 강도를 가지고 있어 알루미늄 합금을 전부 대체하는 경우 20% 가까이 무게를 줄일 수 있다. 이미 구조물에 탄소섬유강화 복합재료를 사용한 비행기가 많이 등장하고 있다. 또한 힘을 아무리 가해도 늘어나지 않는 아라미드섬유가 개발되어 최고의 플라스틱 보강재로 쓰이고 있다.


▲ 비행기의 구조




비행기 구조는 크게 트러스(truss) 구조, 모노코크(monocoque) 구조, 세미 모노코크(semi-monocoque) 구조, 샌드위치 구조로 크게 나눌 수 있다. 하나씩 자세히 살펴보자.




1. 트러스(truss) 구조




이 비행기 구조는 1903년 첫 비행에 성공한 라이트형제가 사용한 날개 구조로 유명하다. 막대기를 삼각형으로 연결하고 이를 계속 반복해 힘을 지탱하는 구조형식을 말한다. 우리가 흔히 산에서 볼 수 있는 송전탑의 골격을 생각하면 쉽게 알 수 있다. 이 구조는 초기의 항공기에 많이 사용되었으며 지금도 초경량 항공기에 많이 사용되고 있다. 트러스 구조는 설계가 쉽고, 제작 또한 쉬운 장점이 있다. 하지만 구조재가 내부 공간을 가로지르므로 내부 공간을 활용하기 어려워 여객기나 화물 수송용 항공기 등 공간을 필요로 하는 항공기에는 부적절한 구조이다. 뿐만 아니라 힘을 효과적으로 분산시키기 위해서는 직선구조를 택할 수밖에 없어 외형을 아름답게 하기도 어렵다. 이러한 이유로 최근에는 초경량 항공기를 제외하고는 거의 사용하지 않는다.






2. 모노코크(monocoque) 구조




모노코크는 희랍어의 모노(Mono)와 프랑스어의 코크(Coque)를 합친 말로 모노는 하나를, 코크는 계란과 같은 빈 껍데기를 의미한다. 말 그대로 모노코크 구조는 트러스 구조의 골격과 달리 껍질(skin)로만 이루어진 구조이다. 어렵게 생각할 수 있으나 우리 생활에서 쉽게 볼 수 있는 밥그릇, 저금통, 드라이기 등 많은 물건들에 사용되는 구조이다.





모노코크 구조의 대표적인 사례인 돼지저금통을 머릿속으로 연상하며 모노코크 구조를 이해해보자. 돼지저금통은 딱딱한 껍데기가 내부의 공간을 보호하고 있다. 이처럼 모노코크 구조는 트러스 구조에 비해 넓은 공간을 확보할 수 있다는 것이 장점이다.
트러스 구조와 달리 뼈대가 없기 때문이다. 그리고 껍질만 있는 만큼 제작비가 적게 든다. 물론 항공기만큼 큰 구조물을 만들기 위해서는 시설이 잘 갖춰지고 큰 규모를 가진 생산 시설이 있어야 한다. 하지만 모노코크 구조의 단점은 만들려는 구조물의 크기가 커지면 재료의 강성이 커져야 한다는 것이다.
다시 말해 작은 크기의 종이상자를 만들 때는 얇은 종이로도 어느 정도 튼튼한 상자를 만들 수 있지만, 큰 상자를 만들 때 얇은 종이를 이용하면 힘없이 주저앉게 된다. 그래서 두껍거나 단단한 종이를 사용해야 한다. 하지만 두꺼운 재료를 쓰면 무게가 무거워지고, 단단한 재료를 쓰면 깨지기 쉽고 가공이 어렵게 된다. 그런 이유로 모노코크 구조는 널리 이용되지는 못했다. 하지만 최근에는 강성이 높은 복합재료의 개발로 이전보다는 이용 범위가 넓어지고 있다.



3. 세미 모노코크(semi-monocoque) 구조




세미 모노코크 구조는 항공기가 받는 힘을 골격과 껍질(skin)이 동시에 지탱하는 트러스 구조와 모노코크 구조의 장점을 살린 구조이다. 각목과 합판으로 만들어진 가구가 가장 쉬운 세미 모노코크 구조이다.





세미 모노코크 구조는 내부 공간이 넓을 뿐 아니라 큰 힘도 견딜 수 있으며 외형의 곡면처리도 가능하므로 현대의 거의 모든 항공기들이 세미모노코크 구조로 이루어져 있다고 생각하면 된다. 세미 모노코크 구조는 골격과 껍질로 이루어져 있다.
골격은 형태를 유지하고 항공기에 걸리는 대부분의 하중을 담당하고 껍질은 외형을 만들어주고 공기에 대한 압력을 골격에 분산해 전달하며 일부의 하중을 담당한다. 하지만 세미 모노코크 구조가 많은 장점을 가지고 있음에도 불구하고 제작에 고가의 설비와 장비, 고도의 기술 등 부담이 되는 요소가 많아 초경량 항공기같은 작은 항공기에는 잘 사용하지 않는다.



4. 샌드위치 구조





샌드위치 구조는 모노코크 구조의 장점인 넓은 공간을 살리고 세미 모노코크 구조의 제작상의 단점을 보완해 만들어진 구조이다. 얇은 두장의 판재 사이에 하니컴 코어(벌집 모양의 구조)나 스티로폼 등을 접착해 하나의 판을 만드는 기술로 최근 접착기술의 발달로 현실화된 구조이다. 이 기술로 가볍고 강성이 높은 판재를 만들 수 있는데, 라면 상자를 보면 그 구조를 잘 알 수 있다.
또한 시중에 판매하고 있는 골판지 역시 같은 원리이다. 단순히 같은 장수의 종이를 풀로 붙이는 것 보다 골판지의 형태로 종이를 붙이게 되면 꺾이지 않고 몇 배나 많은 무게를 지탱 할 수 있게 된다. 그것이 바로 샌드위치 구조의 장점인 것이다.



샌드위치 구조는 최근에 그 사용이 점차 확대되는 추세이지만 아직은 접착 구조의 내구성 문제, 자외선에 의한 자연부식 방지 처리 문제, 수리의 어려움, 제조 공정의 비용 문제 등으로 외부용 구조물로는 일부 분야에 한정되어 사용되고 있다.
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