비행기를 타고 자리에 앉아서 주위를 둘러 보면 굉장히 긴 통과 같다는 느낌이 듭니다. 그 안에는 기둥이 없고 그저 벽과 천장으로 되어 있어서 버텨내는 힘이 충분하지 않을 것 같다는 생각도 들것입니다. 승객 여러분과 많은 짐들은 실은 채로 안전해야 하고 게다가 몸체에는 날개와 바퀴와 같은 큰 힘이 작용하는 구조물들이 연결되어 있어서 아주 튼튼한 구조여야 될 것이라고 예상할 수 있습니다. 과연 이렇게 속이 텅 빈 것과 같은 비행기 몸체가 충분히 튼튼할까요?
비행기 몸체, 동체(Fuselage)
비행기의 몸체를 동체(Fuselage)라고 부릅니다. 동체란 비행기의 날개와 꼬리날개를 연결하고 동시에 승무원과 승객 그리고 화물 등을 싣게 되며 엔진이나 착륙장치를 설치하는 비행기의 주요부분으로, 사람으로 따지면 몸통과 같은 부분입니다.
비행기 몸체에는 비행기를 날도록 해주는 힘인 양력을 발생시키는 날개가 달려있고 착륙할 때 직접 땅에 닿아 충격을 흡수하는 착륙장치가 부착되어 있어, 비행기에 미치는 각종 힘이 고스란히 받아들여지는 부위이기도 합니다. 따라서 안전하고 튼튼하게 설계되고 제작되어야만 오랜 시간 하늘을 날게 되더라도 안전할 수 있는 것입니다. 그렇다면 어떤 원리로 비행기 동체는 만들어 지는 것일까요? 천천히 배워보도록 하겠습니다.
트러스 구조 (Truss Type)
1903년 12월 17일 오전 10시 35분 미국 노스 캐롤라이나(North Carolina) 키티호크(Kitty Hawk) 해안에서 인류 최초의 비행기가 하늘을 날개 됩니다. 자전거 가게를 운영하던 윌버 라이트(1867-1912)와 오빌 라이트(1871-1948)가 만든 플라이어호가 12초 동안 36m를 날았으며 이날은 오늘날까지 기억되는 중요한 날이 되었습니다.
이때 라이트 형제가 사용한 비행기인 플라이어호의 사진을 보면 막대기로 기둥을 만들고 그 사이를 삼각형으로 반복하여 연결 되어 있습니다. 이런 형태의 구조는 송전탑의 골격에서도 확인할 수 있습니다.
이런 형태를 트러스 구조라고 부르며 트러스 구조는 그 구조를 이루는 막대기와 그 막대기를 삼각형으로 반복 연결하여 힘을 분산해서 지탱하도록 하는 구조입니다. 이와 같은 구조는 굵은 막대기와 막대기 사이를 대각선으로 연결하여 무게를 줄이면서 동시에 하중을 견디도록 하는 구조로 설계와 제작이 쉽다는 장점이 있습니다.
그러나 삼각형 구조를 형성하는 재료들이 내부 공간을 가득 메우게 되는 구조적 특성이 있어서 내부 공간 활용이 어렵습니다. 이렇게 되면 승객이나 화물을 실어야 하는 비행기에는 적합하지 않다고 할 수 있습니다. 또한 곡선 설계가 어려워 원하는 형태로 디자인 할 수 없다는 단점도 있습니다. 이런 이유로 과거 초창기 비행기는 트러스 구조로 만들어졌었지만 최근에는 소형 비행기 등에만 국한적으로 사용되고 있습니다.
모노코크 구조 (Monocoque Type)
돼지 저금통을 살펴보면 내부엔 어떤 기둥이나 막대기가 설치되어 있지 않습니다.
단순히 껍데기만이 모양을 이루고 있습니다. 그럼에도 불구하고 아주 단단하게 형태를 잘 지탱하고 있는 것을 알 수 있습니다. 그 이유는 껍데기가 모양을 이루면서 동시에 무게나 힘을 지탱하도록 이루어진 구조적인 특성을 지니고 있기 때문입니다.
이런 형태를 모노코크 구조(Monocoque)라고 부릅니다. 모노코크란 고대 그리스어로 하나라는 뜻의 모노(Mono)와 프랑스어로 빈 껍데기를 뜻하는 코크(Coque)가 합쳐져서 만들어진 말로, 트러스트 구조의 골격과 같은 뼈대는 없이 껍데기만으로 이루어져 있는 구조입니다.
우리가 주위에서 흔히 볼 수 있는 수많은 사물들이 모노코크 구조로 되어 있습니다. 예를 들어 달걀이 그렇고 밥그릇이나 컴퓨터 본체도 모노코크 구조입니다.
모노코크 구조로 비행기를 만들게 되면 트러스트 구조보다 넓은 내부 공간을 확보할 수 있고 무게가 상대적으로 가벼워진다는 이점이 있습니다. 그러나 똑같은 두께의 껍데기로 크기만 늘린다면 껍데기의 힘이 약해지기 때문에, 크기를 키우기 위해선 껍데기의 두께를 두껍게 해야 하고, 결국 무게가 늘어난다는 단점이 있습니다. 즉 어느 정도 이상의 크기를 모노코크 구조로 만들기 위해선 껍데기를 두껍게 만들어야 한다는 것입니다. 하늘을 날기 위해선 가벼워야 하는 비행기에게 있어서 모노코크 구조는 적합하지 않습니다.
세미 모노코크 구조 (Semi-monocoque Type)
모노코크 구조의 장점을 살리면서 단점을 보완하는 방법이 무엇이 없을까 하는 고민 끝에 나온 것이 모노코크 구조와 트러스트 구조를 결합한 세미 모노코크 구조입니다. 세미 모노코크 구조는 껍데기와 기둥 모두를 가진 구조입니다.
모노코크 구조와 같이 껍데기가 버티는 힘이 있기 때문에 넓은 내부 공간을 확보할 수 있으면서, 크기를 늘릴 때 껍데기 두께를 두껍게 하는 대신 내부에 받침 기둥을 설치함으로써 보완하여 크고 가벼우면서 내부공간이 넓은 구조가 완성될 수 있는 것입니다. 게다가 미적 요소를 가미한 형태로도 제작할 수 있기 때문에 세미 모노코크 구조로 만들어진 동체는 화물 및 승객 운송용 대형 여객기를 만드는데 매우 적합하여 최신 비행기들은 대부분이 방식으로 제작됩니다. 이런 세미 모노코크 방식으로 비행기가 만들어 지기 때문에 여러분이 공항에서 보게 되는 비행기 몸체가 둥근 것입니다.
그러나 세미 모노코크 방식은 제작에 고가의 설비와 장비 숙련된 기술 등이 요구되기 때문에 자연히 세미 모노코크 방식으로 제작되는 비행기는 가격이 높아 진다는 단점이 있습니다.
장애시 안전 구조 (Fail Safe Structure)
비행기는 매우 빠른 속도로 하늘을 날며 오랜 시간 비행하며, 이륙과 착륙 그리고 순항시에 각각 다른 형태의 하중 (Stress)를 받습니다. 동시에 승객과 화물을 원하는 곳으로 안전하게 갈수 있도록 하여야 하기 때문에 이중 삼중의 안전장치가 되어 있어야 합니다.
여러 가지 형태의 하중에 의해 변질 되거나 손상되는 것을 최소화 해야 하며, 최악의 경우에도 과도한 변형이 발생하지 않도록 하여 안전에 차질이 생기지 않도록 만들어야 합니다.
앞서 배운 세미 모노코크 형태로 여러 개의 판과 기둥들이 용접되어 연결되어 이루어진 비행기의 동체는 그 각각의 부속품들의 연결을 매우 신중하게 하는 것은 물론이거니와 그 연결 부위가 변형 시에도 일정 한계 이내에서 이루어지도록 하는 장애 발생시 안전 구조(Fail Safe Structure)로 되어 있습니다.
중을 분배하여 나누어서 가지도록 한 연결 구조로, 문제가 발생할 경우 연결 부위 중 하나
가 파괴되어도 다른 부분이 대신해 줌으로써 안전을 확보할 수 있게 해 주는 것입니다. 이
런 구조를 다경로 하중 구조 방식(Redundant Structure)이라고 합니다.
또 다른 방식으로 위의 그림에서 보듯, 문제가 없을 시에는 하나의 연결 부위가 모든 하중을 견디도록 설계 하면서 동시에 문제가 발생하여 기존 연결 부위에 문제가 생겼을 때 나머지가 대신하도록 하는 방식입니다. (대치 구조 방식 : Back-up Structure)
마치며…
지금껏 살펴 보았듯이 비행기의 동체는 그 사용하고자 하는 목적에 맞도록 구조적인 설계를 하며 그 설계에 맞추어 고도로 숙련된 기술로 접합된 비행기의 핵심 부분 중 하나입니다. 따라서 비행기 안에 기둥이 없고 얇은 벽으로 이루어져 있지만 큰 날개와 바퀴로부터 오는 힘을 견뎌내기에 충분하며 동시에 승객 여러분과 짐, 화물 등을 실어 나르기에 충분하도록 만들어져 있는 것입니다. 또한 그런 구조로 설계 된 비행기의 동체는 안전을 고려하여 구성된 연결 방식에 따라 접합되어 만들어져 더더욱 튼튼합니다.
20세기 인류의 최고 발명품 중 하나라 일컬어지는 비행기는 그 안에 안전을 위해 수많은 기술과 연구가 녹아 있기 때문에 매우 안전한 운송 수단이라 불릴 수 있는 것입니다.
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