[신문과 놀자!/어린이과학동아 별별과학백과]동력비행기에서 드론택시까지… 비행기의 무한변신

2017년 9월 25일 아랍에미리트 두바이 도심에서 시운전에 성공한 볼로콥터. 회전날개 18개가 달린 볼로콥터는 전기에서 동력을 얻는다. 볼로콥터는 2시간을 충전해 30분을 날 수 있다. 사진 출처 Volocopter

1903년 12월 17일 오전 10시 30분, 미국 노스캐롤라이나주의 키티호크 지역. 라이트 형제는 그들이 만든 비행기 ‘플라이어 1호’와 함께 킬데블 언덕 위에 올라섰어요. 미리 준비한 활주 레일은 길게 펼쳐져 있었고, 바람은 초속 13m로 강하게 불었지요. 동생 오빌 라이트가 비행기에 탑승해 엎드린 채 조종간을 잡았고, 형 윌버 라이트는 비행기의 오른쪽 날개 끝을 잡았어요.

묶여 있던 줄이 풀리자 플라이어 1호는 서서히 움직이기 시작했어요. 활주 레일을 벗어나는 순간 기우뚱하다 이내 공중으로 떠올랐지요. 비행기는 위아래로 격렬하게 요동치면서 12초 동안 약 36m를 날아간 뒤 지상으로 내려왔어요. 짧지만 짜릿했던 이 비행이 바로 ‘세계 최초의 동력 비행’이에요. 라이트 형제는 그 후로 3번 더 비행을 시도했어요. 마지막 네 번째 시도에서는 59초 동안 약 260m를 비행했지요. 라이트 형제는 마침내 ‘비행기를 발명했다’는 확신을 갖게 되었답니다.

○ 최초의 비행기! 플라이어 1호

1903년 12월 17일 미국 노스캐롤라이나주의 킬데블 언덕에서 라이트 형제가 ‘플라이어 1호’ 비행을 준비하고 있다. 사진 출처 위키미디어

라이트 형제의 첫 동력 비행은 비행기의 방향을 직접 조종했다는 점에서 큰 의미가 있어요. 일반적으로 비행기는 몸체가 땅에서 떠오른 뒤 바람을 타는 순간부터 여러 방향으로 흔들려요. 이때 몸체의 균형을 잘 잡는 게 비행 성공의 중요한 열쇠지요. 라이트 형제는 조종사가 비행기의 날개와 몸체를 조종하는 장치를 만들었어요.

한국항공우주연구원 무인기체계부 구삼옥 책임연구원은 “라이트 형제는 비행기의 균형을 잡고 원하는 방향으로 이동하는 조종 기술을 처음으로 알아내고 익혔다”면서 “이 기술은 훗날 비행기 발전의 중요한 역할을 했다”고 설명했어요. 비행기 조종간은 앞쪽에 있는 작은 날개 모양의 승강키와 줄로 연결돼 있어요. 조종사가 엎드린 상태에서 조종간을 잡아당기면 비행기가 위아래로 움직여요. 또 엉덩이를 들썩이며 몸의 무게중심을 바꾸면 비행기가 좌우로 기울어져요. 그럼 좌우로 방향을 바꿀 수 있답니다.

○ 엔진과 프로펠러 없는 비행기

2017년 11월 엔진과 프로펠러 없이도 날 수 있는 비행기가 개발됐어요. 미국 매사추세츠공대(MIT)의 스티븐 배럿 교수팀이 이온풍으로 나는 ‘이온풍 추진 비행기’를 만든 거예요.

연구진은 글라이더 모양의 비행기를 만들고, 날개 아래쪽에 비행기를 지탱하는 뼈대를 만들었어요. 그리고 뼈대의 앞쪽에 2만 V(볼트)의 양극을, 뒤쪽 뼈대에 2만 V의 음극을 두었지요. 여기에 전류를 흘리면 양극과 음극 사이에 전기장이 만들어지고, 양극에 있던 질소 기체가 전자를 잃고 양이온으로 변해요. 질소 양이온은 비행기 앞쪽의 양극에서 뒤쪽의 음극으로 이동하며 주변의 공기를 뒤로 밀어내는데, 이 공기의 움직임이 ‘이온풍’이에요. 이온풍의 반작용으로 비행기가 앞으로 나아갈 수 있는 겁니다.

이온풍 추진 비행기는 10초간 60m를 날 수 있었어요. 배럿 교수는 “이온풍 비행기는 연료를 사용하거나 배기가스를 만들지 않기 때문에 매우 친환경적이며 소음도 없다”며 “앞으로 기술이 더 발전하면 사람이 탈 수 있는 이온풍 비행기도 개발될 것으로 기대한다”고 말했어요.

○ 3시간 만에 뉴욕으로! 초음속 비행기

미국항공우주국은 2억4750만 달러(약 3000억 원)를 투자해 초음속 여객기 X-플레인을 개발하고 있다. 사진 출처 미국항공우주연구원

흔히 엄청나게 빠른 비행기를 ‘초음속 비행기’라고 해요. 초음속은 소리가 전파되는 속도보다 빠른 속도를 뜻하지요. 일반적으로 소리는 1초에 약 340m를 이동해요. 세계에서 가장 빠른 초음속 여객기는 1968년에 처음 개발됐어요. 영국과 프랑스가 함께 만든 ‘콩코드’가 주인공이지요. 콩코드는 음속의 2배인 마하 2로 비행한 여객기예요. 기존의 항공기보다 2배나 빨랐죠. 1969년 첫 비행에 성공했고 1976년부터 많은 사람들이 이용할 수 있었습니다.

하지만 이 여객기는 기름을 많이 소모하는 만큼 요금이 매우 비쌌어요. 또 초음속으로 이동하며 만들어진 음속폭음(소닉붐·sonic boom)도 문제였지요. 콩코드가 지나가면 엄청난 굉음이 발생하는데, 그 에너지가 워낙 커서 주변 건물의 유리창을 깰 정도였어요. 결국 2003년부터 콩코드는 더 이상 비행을 할 수 없게 됐답니다.

현재 과학자들은 초음속으로 날면서도 소닉붐을 만들지 않는 초음속 여객기를 개발하는 데 집중하고 있어요. 미국항공우주국(NASA)이 만든 ‘X-플레인’이 대표적이지요. X-플레인의 속도는 마하 1.5로, 서울에서 뉴욕까지 3시간 만에 이동할 수 있어요. 비행기 앞부분을 얇고 길게 설계해 충격파를 줄여주죠. 또 뒤쪽에 보조날개를 달아 꼬리 쪽에 모인 충격파가 잘 흩어지도록 합니다. 덕분에 X-플레인의 소음은 자동차 문 닫는 소리 정도인 75dB(데시벨) 정도에 불과합니다. NASA는 2022년 실제 비행을 목표로 하고 있어요.

○ 기사가 필요 없다! 자율비행 택시

2017년 9월 독일의 드론 회사 볼로콥터(Volocopter)가 아랍에미리트 두바이 도심에서 2인승 드론 택시 ‘볼로콥터’를 시험 비행하는 데 성공했어요. 안전요원 없이 최고 200m까지 날아올랐지요. 볼로콥터는 원격 조종장치가 없어도 시속 50km로 최대 30분간 자율비행을 할 수 있어요.

볼로콥터는 택시를 부를 때 사용할 애플리케이션(앱)을 개발하고 있어요. 집에서 앱을 이용해 목적지를 입력하면 드론 택시가 가까운 착륙장으로 오지요. 건물 옥상이나 헬리콥터 정거장에서 이착륙할 수 있기 때문에 먼 공항까지 갈 필요도 없어요. 드론 택시에 올라타면 최적의 경로를 이용해 목적지까지 데려다준답니다.

에어버스와 보잉, 차량공유 서비스로 유명한 우버 등 다양한 기업들이 자율비행 택시 운행을 계획하고 있어요. 이르면 내년부터 자율비행 택시 서비스가 시작될 수도 있답니다.

이윤선 어린이과학동아 기자 petiteyoon@donga.com