‘그때 그때 달라요’ 모 개그맨이 사용하여 한동안 인기를 모았던 유행어다. 유행이 한참 지났기 때문에 지금은 듣기 어렵지만 조만간 항공기의 날개 모양을 표현하는 용어로 자주 활용될 것으로 보인다. 멀지 않은 미래의 항공기 날개는 비행 상황에 따라 수시로 형태가 달라질 것으로 보이기 때문이다.

비행 상태에 따라 날개 구조가 달라지는 가변익기

비행 도중 날개를 접었다 펼 수 있는 구조를 가진 비행기를 ‘가변익기(variable wing aircraft)’라 부른다. 고정된 날개로 비행하는 것도 안전을 100% 보장할 수 없는 일인데, 어째서 위험하게 비행 도중 날개 구조를 변형하는 것일까?
그 이유는 항공기 날개의 최적 상태가 이·착륙 할 때와 높은 고도에서 비행할 때가 서로 다르기 때문이다. 이·착륙처럼 저속으로 비행할 때는 날개를 활짝 펼쳐 안정적으로 양력을 만들어야 하지만, 높은 고도에서 고속으로 비행할 때는 날개를 접어 바람의 저항을 줄이는 것이 더 빠르게 날 수 있는 비결이다.
이 같은 사실을 일찌감치 알고 있었던 강대국의 항공학자들은 오래 전부터 이런 비결을 적용하여 전투용 가변익기를 개발해 왔다. 우리가 잘 알고 있는 미국의 전폭기인 F-14와 F-111 외에도 구 소련의 MIG-23 및 SU-17 등이 대표적인 가변익기들이다.
이처럼 전투를 위한 용도의 가변익기가 집중적으로 등장하게 된 데에는 레이더의 영향이 크다. 전투용 가변익기가 개발된 시기는 레이더를 속일 수 있는 ‘스텔스(stealth)’ 기능이 미처 개발되지 않았던 시절이기 때문에 레이더망을 피하는 것이 최선이었다.
그러기 위해서는 높은 고도에서 빠르게 날다가도 낮은 고도로 내려와 천천히 날 수 있어야 했는데, 기존의 전투기로는 이 같은 비행이 불가능했다. 오직 가변익기만이 이런 조건을 만족시킬 수 있었기에 전투용 가변익기들이 집중적으로 탄생하게 된 것.
하지만 가변익기의 생명은 그리 길지 못했다. 상황에 따라 최적의 날개를 유지할 수 있다는 장점보다는 경제성 및 유지관리에 있어 심각한 단점이 드러나며 저효율 항공기라는 낙인이 찍혔다.
우선 가변익기는 구조가 너무 복잡하여 제작비도 많이 소요됐고, 고장이 났을 때 이를 정비하는데도 오랜 시간이 필요했다. 특히 날깨를 변형시키기 위해 적용한 유압 시스템은 너무 무거워서 엄청난 연료가 소모되어야 했기 때문에 경제성면에서 많은 문제점을 안고 있었다.
크기도 문제였다. 전폭기는 항공모함 운용과 밀접한 관련이 있는데, 갑판 위에서 발진하고 착륙하는 과정을 문제없이 수행하기에는 날개의 크기가 너무 컸다. 예를 들어 F-14 경우 날개 길이도 길었지만, 몸집 자체가 워낙 컸기 때문에 함정에 실을 수 있는 기체의 수가 많지 않았다.
더군다나 신형 제트엔진들이 잇달아 개발되며 고정된 날개만으로도 충분히 마하의 속도를 낼 수 있는 전폭기가 등장하게 되자, 가변익기들은 더 이상 설 땅을 찾지 못한 채 일선에서 물러나게 되었다.

형상기억합금 사용으로 비행 효율 대폭 증가

일선에서는 사라졌지만 가변익기에 대한 연구가 완전히 중단된 것은 아니었다. NASA는 암스트롱비행연구센터나 글렌 연구소같은 산하 연구기관들을 총동원하여 오래 전부터 차세대 가변익기를 연구해 왔다.
현재 NASA가 주도하고 있는 가변익기 개발 프로젝트의 명칭은 ‘SAW(Spanwise adaptive wing)’다. 길이를 조정할 수 있는 날개를 가진 항공기라는 의미로서 특히 효율성에 중점을 둔 채 개발되고 있다.
상용화까지는 아직 많은 연구와 테스트가 필요하지만, 최근 시연을 마친 프로토타입의 가변익기는 성공 가능성을 밝게 만들었다. ‘PTERA(Prototype Technology Evaluation Research Aircraft)’라는 이름을 가진 이 시험기는 비행 중 날개를 접었다 펼치는 작업을 무난히 소화하여 기대를 모았다.
NASA가 개발 중인 가변익기의 핵심은 날개 제작에 형상기억합금을 활용하고 있다는 것이다. 형상기억합금이란 온도에 따라 모양이 변하는 금속을 가리킨다. 예를 들어 영상 10℃에서는 합금이 평평해지도록 제작하고, 영하 20℃ 근처에서 접혀지도록 만든다면 온도의 변화에 따라 합금 형태도 따라서 변하게 되는 것이다.
NASA 관계자는 “가령 기온이 영상 10℃인 지역에 항공기가 이·착륙 할 때에는 날개가 자동적으로 펼쳐지게 되고, 높은 고도를 비행 할 때에는 온도가 영하로 내려가기 때문에 날개가 자동으로 접혀진다고 생각하면 된다”라고 말했다.
그렇다고 조종사의 편리를 위해 날개 제작에 형상기억합금을 사용하는 것은 아니다. 가장 큰 이유는 항공기의 비행 효율을 증가시킬 수 있어서다. 형상기억합금으로 날개를 제작하면 과거 가변익기의 날개를 변형시키는 데 사용되었던 무거운 유압 시스템보다 80%나 무게를 줄일 수 있다는 것이 NASA 측의 설명이다.
별도의 부품없이 합금만으로 날개 모양을 바꿀 수 있는 단순함과 가벼움이 과거의 가변익기와는 비교할 수 없을 정도로 비행 효율을 증가시킨다는 것이다.
NASA 관계자는 “형상기억합금으로 날개를 만들면 비행하는 동안은 물론 착륙 후에도 큰 장점이 있을 것으로 보인다”라고 언급하며 “전투기가 아닌 항공기의 경우 날개 길이만 해도 엄청난게 긴데, 날개 일부를 접을 수 있으면 수납이나 이동이 수월해지기 때문”이라고 설명했다.