생활속 우주항공기술의 발견
“아빠, 비행기는 어떻게 날아요?”
“엄마, 우주여행은 어떻게 갈 수 있어요?”
어린 자녀를 둔 부모라면 한번쯤 듣게 되는 질문들이다. 이럴 경우 당황할 수도 있지만, 경기도 고양시 한국항공대 항공우주박물관을 찾아 자녀들의 궁금증을 속시원하게 풀어주는 것도 해결책일 수 있다. 특히 이곳에서 생활 주변 곳곳에 비행기와 우주선의 원리가 숨겨져 있다는 사실을 확인하면 파일럿이나 우주비행사가 가까운 이웃처럼 느껴진다.
●돼지저금통과 비행기의 구조가 같다?
하늘을 나는 원리는 간단한 실험을 통해 확인할 수 있다. 책상 끝부분에 종이를 올려놓고 종이의 윗면에 입으로 바람을 불어주면 종이가 위로 떠오르게 된다. 이는 종이 윗면의 공기 흐름이 아랫면보다 빨라져 윗면에 작용하는 압력이 아랫면보다 작아지기 때문이다. 이때 작용하는 힘을 양력(揚力)이라고 한다.
비행기에는 양력 외에도 지구가 비행기를 아래로 끌어당기는 힘인 중력(重力), 앞으로 나아가는 힘인 추력(推力), 공기의 저항인 항력(抗力) 등 4가지 힘이 복합적으로 영향을 미친다.
예컨대 비행기의 몸체가 유선형인 이유는 윗면에 흐르는 공기의 속도를 증가시켜 양력을 높이기 위한 것이다. 또 비행기의 프로펠러 끝부분이 뒤틀려 있는 것은 추력을 고르게 발생시키기 위한 것이다.
특히 비행기의 구조는 복잡할 것이라는 선입견을 갖기 쉽지만, 우리 생활 주변에서 같은 원리가 적용된 물건들을 쉽게 찾을 수 있다. 비행기 구조는 크게 트러스(Truss), 모노코크(Monocoque), 세미모노코크(Semi-Monocoque), 샌드위치 등으로 나뉜다.
먼저 트러스 구조는 지난 1903년 첫 비행에 성공한 라이트형제가 사용한 것으로 유명하다. 막대기를 삼각형 모양으로 연결한 것으로 송전탑의 골격을 떠올리면 쉽게 이해할 수 있다. 초창기 비행기와 초경량 비행기에 주로 사용됐는데 설계 및 제작이 쉽다는 이점 때문이다. 하지만 충분한 내부 공간 확보가 어려워 대형 여객기나 화물기로는 부적절한 구조다.
모노코크는 하나를 뜻하는 희랍어인 모노(Mono)와 빈 껍데기를 지칭하는 프랑스어 코크(Coque)의 합성어다. 딱딱한 껍데기가 내부 공간을 보호하고 있어 돼지저금통과 같다. 이 구조는 넓은 공간을 확보할 수 있다는 장점이 있지만, 비행기 크기를 키우는 데 제약이 많다.
세미모노코크 구조는 트러스 및 모노코크의 장점을 살린 것으로 합판과 각목으로 짜여진 가구에서 확인할 수 있다. 세미모노코크 구조는 내부 공간이 넓고 큰 힘에도 견딜 수 있어 거의 모든 항공기에서 채택되고 있다. 다만 많은 제작 비용과 고도의 기술 등은 부담이 되고 있다. 세미모노코크의 제작상의 단점을 보완한 것이 샌드위치 구조다. 얇은 두장의 판재 사이에 벌집 모양의 구조물을 접착해 하나의 판을 만드는 기술로 골판지나 라면상자를 떠올리면 원리를 이해하는 데 도움이 된다. 이같은 원리를 이해한 뒤 박물관 ‘비행 시뮬레이터’에 올라 비행기를 조종해 보면 좋다. 또 가상 비행체험실에서는 3차원 영상화면과 터치스크린을 통해 비행기를 여러 각도로 회전시키며 관찰할 수 있다.
●우주에서는 내 몸이 ‘날개’
인간은 무방비 상태로 지상 9㎞에 올라가면 질소가 혈액 속으로 녹아들어 피의 흐름을 막기 시작한다. 고도가 높아질수록 인간의 체내 압력에 비해 대기압이 낮아져 압력차가 커지기 때문이다.0기압인 우주공간에서는 자칫 몸이 터져버릴 수도 있다.
지상 20㎞가 되면 세포에 기포가 생기고 혈액은 끓어오르게 된다. 기압이 낮아지면 액체의 끓는점도 낮아지기 때문이다. 이는 높은 산에서 밥을 하면 물이 섭씨 100도보다 낮은 온도에서 끓어 밥이 설익는 것에서 확인할 수 있다. 우주에서는 상온에서도 인간의 혈액이 끓어오를 수 있다.
우주비행사는 이같은 악조건을 극복하기 위해 고된 훈련이 필요하다.
우선 우주선이 지구의 인력권에서 벗어나기 위해서는 초속 11.2㎞ 이상의 속도를 내야 한다. 이는 서울∼부산을 30∼40초면 달릴 수 있는 속도다. 따라서 우주비행사는 로켓이 발사될 때 생기는 엄청난 가속도와 급격한 중력 변화를 견뎌내야 한다. 원심력 발생장치를 이용해 실제 상황처럼 훈련하는 것도 이 때문이다.
박물관에는 이같은 중력 저항 훈련을 직접 체험할 수 있는 ‘사이버 인 스페이스’ 기구가 있어 ‘1일 우주비행사’로 나서 볼 수 있다.
또 우주공간에서는 중력이 작용하지 않아 위·아래 개념이 없고, 무게도 느낄 수 없다. 우주선이나 우주정거장 안의 중력도 지구의 100만분의1 정도에 불과하다. 이처럼 무중력 상태에서는 마찰이 없기 때문에 조금의 힘만 가해도 멀리까지 떠가게 된다. 오히려 한 곳에 가만히 있는 것이 힘들다.
지상에서 무중력 상태를 만드는 데에는 제트 비행기가 사용되기도 한다. 비행기가 높이 솟구쳤다 급히 떨어지며 순간적으로 무중력을 경험할 수 있다. 일반 사람들도 놀이공원에서 천천히 상승했다 빠르게 떨어지는 놀이기구를 통해 비슷한 체험을 맛볼 수 있다.
인간이 맨몸으로 우주공간에 나가게 된다면 끔찍한 결과가 예상된다. 진공상태라 공기가 없으며 인체에 해로운 우주선(Cosmic Ray)을 걸러줄 수단도 없다. 우주복을 착용하지 않으면 안 되는 이유다. 우주복의 무게는 100㎏에 가깝다. 하지만 우주공간은 무중력 상태여서 임무를 수행하는 데 어려움이 없다. 지구 중력의 6분의1 정도인 달에서는 100㎏의 우주복이 17㎏ 정도로 느껴진다.
박물관에는 우주복은 물론, 우주왕복선, 우주인용 식량 및 아이스크림에 이르기까지 우주여행에 필요한 갖가지 신기한 물건들이 갖춰져 있다.
김경은 서울 영동중 과학교사
●항공우주박물관 가려면
경기도 고양시 덕양구 한국항공대 내에 위치한 항공우주박물관은 지난해 7월 개관했다. 하지만 개관 1년도 채 지나지 않아 관람객 수가 5만명을 돌파할 만큼 인기가 좋다. 월요일과 공휴일을 제외한 매일 오전 10시부터 오후 5시까지 문을 열고 있으며 입장료는 어른 2000원, 고등학생 이하 1500원이다. 박물관 방문 전 홈페이지(www.aerospacemuseum.or.kr)를 들러보는 것도 알찬 체험에 도움이 된다.
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