비행선기술과 성층권 플랫폼 (중편) -한국항공우주연구정보센터/비행선관련특허정보도 있음.

비행선관련 특허정보
http://www.aric.or.kr/Treatise/patent/content.asp?idx=9131&Country=&App_year=&App_month=&search=비행선&search_fild=all&page=



∼ 비행선의 원리와 성층권 ∼


시바타 마코토 (항공우주기술진흥재단)

비행선의 비행 기본

기구는 부력과 중력이 완전하게 균형이 맞지 않으면, 상승하든가 강하하든가 어느쪽이든 된다. 그것에 비해서 비행선은 그림 5에 나타낸 것처럼, 완전하게 균형이 맞지 않더라도, 선체에 움직이는 양력을 이용하여, 수평으로 비행할 수가 있다. 부력은 항상 미묘하게 변화하기 때문에, 부력과 중량을 완전히 조화시키는 것은 실제 문제로서 매우 어려운 것이다. 따라서 비행선은, 어느 Static heaviness (부력보다도 중량이 무거운 경우) / lightness (부력 보다도 중량이 가벼운 경우)의 범위를 허용하여, 선체에 움직이는 양력도 이용하면서 비행한다.

수평 비행의 경우, 선체의 양력은 Static heaviness/lightness의 수치에 완전하게 조화하고 있다. 단 Static heaviness/lightness 때는 선체의 영각이 마이너스로 양력은 하향하게 된다. 어찌 됐든 비행선은 양력 발생에서 보면, 중량에 비해 아주 도체가 큰 비행기가 비행하고 있는 것과 같다.

비행선의 공력 특성

선체가 양력을 가지면, 그것과 동반하여 유도항력이 발생한다. 그림 6에 전형적인 비행선의 양항 곡선을 나타내지만, 유도 항력은 완전히 양력의 자승에 비례하는 것을 안다. 비행선도 기본적으로는 비행선과 똑같이, 이 유도항력이 양력 자승에 비례하는 범위, 이른바 흐름이 박리하지 않도록 비행한다.

선체의 aspect 비는 세장비 4의 회전타원체 일 때 0.32 (=1/π)로, 이것은 보통 날개에 비교하면 자못 작은 수치이다. 하지만 비행선의 경우 양력을 선체 폭으로 나눈 스팬 하중은 static heaviness/lightness 분 정도이다.

비행선에는 부력으로 비행한다고 하는 의식이 강하기 때문인지, 기본적인 공력 특성이 그다지 설명되는 일이 없다. 그리고 비행선에 있어서는 종종, 비행성능에 직접 연결 짖는 제로 양력 저항계수 CDO만이 논의된다. 하지만 이상에서 본 것처럼, 비행선에 있어서도 양력과 모멘트도 포함시킨 전체적인 공력 특성이 비행기와 똑같이 중요하다. 비행선의 개발에 있어서도 가능한 한 상세한 풍동시험을 실시하는 것이 바람직한 것은 이 때문이다.

비행선에서의 미익의 움직임

비행선에서의 미익의 움직임은, 우선은 비행기와 똑같이 안전성을 주기 위해서다. 단 방향 안전에서 말하면 비행선은 마이너스이기에 불안전도를 줄인다고 하는 표현쪽이 정확할지도 모른다. 비행선은 운동을 천천히 하기 때문에, 방향 안정이 마이너스로 있더라도 조종에 의해 수정하면서 비행한다. 조종성도 공력적으로는 마이너스이지만, 중심위치가 부력 중심보다 낮기 때문에, 진자 안정의 효과가 있어 전체 기체로서는 안정되게 된다.

미익은 비행선의 경우, 안정 조종성을 위해서만 필요한 것이 아니라, 선체에 양력을 발생시키기 때문에도 필요하다. 그림 6의 미익이 없는 데이터에서 알 수 있듯이, 선체만으로는 공력적이기에는 단순한 나무토막이며, 미익을 부착하는 것에 의해 처음으로 항공기다워진다. 이른바 비행기의 주익 역할도 하는 것이 비행선의 미익이다.


비행선의 상승 비행

비행기에서는 상승할 때는 엔진을 고속으로 회전시키든가, 발생시켜 속도 에너지를 고도 에너지로 바꾸지 않으면 안된다. 비행선에서도 Static heaviness때는 움직임은 천천히 움직이지만 비행기와 똑같은 원리가 된다. 이것에 비해 Static lightness때는 잉여 부력으로 상승할 수 있다. 잉여 부력에 의한 상승시 힘의 균형을 그림 7에 나타내지만, 설령 무동력이라도 일정한 비행 속도를 유지할 수 있는 것을 알 수 있다.

보통 비행선은 Static heaviness로 비행하는 것이 많기 때문에, 이 같은 상승은 그다지 경험하지 않는다. 성층권 비행선의 상승 방식으로 정설은 아니지만, 고 고도까지 상승하지 않으면 안되기 때문에. 이 잉여 부력에 의한 방법은 유력한 후보가 될 것으로 생각된다.

비행선의 강하 비행

Static heaviness때 강하 비행은 글라이더 활공과 같다. 이 때 힘의 균형은 그림8에 나타낸 것처럼 되며, 무동력이라도 비행속도를 유지할 수 있다. 단 비행선에서 강하 비행은 상승 비행 보다도 어려운 면이 있다. 강하와 동반해 대기압이 높아지는 것과 함께, 선체 내압을 올려 차압을 유지하며, 선체 형상을 유지하지 않으면 안된다.

즉, 송풍기를 운전하여, 공기를 baronet에 적절하게 넣을 필요가 있다.

Static lightness 강하는, 하향 양력을 발생하면 불가능하지는 않다. 하지만 추진력을 크게 하여 하향으로 잡아당겨 넣을 필요가 있기 때문에, 강하해야 할 고도가 높을 때는 현실적인 비행방식이라고는 할 수 없다. 보통 비행선에서는 고가의 헬륨을 배출하지 않는 것이 원칙이지만, 성층권 비행선에서는 성층권으로 왕복횟수가 한정되기 때문에, Static lightness때는 헬륨을 배출해 heaviness로 한다고 하는 사고방식이 성립한다.

성층권의 자연환경

지상에서 고도 11km정도까지를 대류권이라고 부르며, 그 위에 고도 50km까지를 성층권이라고 한다. 보통 비행기가 비행하는 것은 대류권과 성층권 하부로, 그 위 공역은 현재 그다지 이용되지 않는다. 현재 제트 여객기의 상승한도는 기껏해야 15km정도이다. 초음속 여객기의 순항 고도는 18km에서 22km정도에 이르지만, 1976년부터 정기편으로 취항하고 있는 콩코드도 상업운항 중지가 보도되고 있다.

성층권비행선은 연간을 통해 바람이 비교적 약한 고도 20km정도에서 체공하는 것을 목표로 한다. 목표 고도를 내리면 기체규모는 작아지지만, 공기 저항이 강해져 속도성능이 저하하기 때문에, 그 의미에서도 20km정도가 타당하다고 일반적으로 생각되고 있다.

표준 대기 압력과 온도의 고도 변화는 그림 9에 나타낸 대로이다. 대부분의 기상 현상이 대류권에서 일어나는 것에 비해, 성층권은 항상 맑은 날씨고, 저온이지만 습도는 거의 없다. 또한 고도 20km부근에는 오존이 많이 존재하고, 태양에서 자외선을 흡수하고 있기 때문에, 지구 환경에 있어 중요한 부분도 있다. 성층권 비행선용의 막 재료는 경량이고 고강도만이 아니라, 저온에 견디는 한편 자외선에 열화하지 않는 성질도 요구되고 있다.

대형이 된 성층권 비행선

고도가 높아지면 대기 밀도가 작아지고, 얻을 수 있는 부력의 수치도 작아 진다. 고도 20km의 대기밀도는 지상의 약 1/14밖에 없다. 설계고도 3km와 20km의 경우를 비교하면 같은 하드웨어 중량, 헬륨량에 비해서, 그림 10에 나타낸 것처럼 선체 규모가 약 한 자릿수가 달라졌다. 이처럼 성층권 비행선은 적어도 길이로 2배, 면적에 4배, 용적에 8배는 각오하고 계획하지 않으면 안된다.

또한 설계 고도를 20km로 하면 지상에 있어서는 헬륨이 선체 용적의 약 7.3%밖에 안되고, 남은 92.7%는 공기가 차지해 버린다. 이 일로 헬륨이 편향되면 그것과 동반된 트림문제가 생긴다. 그리고 저공에서는 gross 중량이 매우 켜져, 해면상에서는 고도 20km에서의 수치 약 14배가 된다. 선체가 커지는 것은, 지상에서 gross 중량이 무거워지기 때문에, 성층권 비행선의 지상에서의 취급과 이착륙에 관해서는 여러 가지 검토가 이루어지고 있다. 그 중에는 지상에서는 기구처럼 오므라든 형태로 해 두고, 상승과 함께 비행선 형체가 되어 간다고 하는 구상도 생각되고 있다.

사상최대의 비행선은 마지막 경식 비행선이 된 LZ130 그라프 체펠린 Ⅱ로, 선체용적은 200,000㎥, 전장은 245m이다. 성층권 비행선은 실용단계에서는 이것을 꽤 상회하는 선체 용적이 될 것으로 예상되고 있다. 또한 지금까지 만들어진 최대 연식비행선은 1958년에 초도 비행한 Goodyear ZPG-3W이지만, 선체 용적은 43,000㎥, 전장은 123m이다. 성층권까지 상승시켜 비행선으로서 무언가 기술실증을 하고자 하면, 적어도 이 정도의 것이 될 가능성이 높고, 약 50년 만에 비행선 대형화 기록을 갱신하게 될 것이다.


열 문제와 성층권 비행선

비행선은 열의 영향을 강하게 받는다. 예를 들어 비행선이 구름 아래를 빠져나가 직사일광을 받으면, 부력이 늘어나 상승을 시작한다. 선체 내부의 헬륨과 공기 온도가 바깥 기온보다도 높아지는 것을 Superheat라고 하며, 반대로 낮아지는 것을 Supercool이라고 한다. 후자는 보통 비행선에서는 그다지 일어나지 않기 때문에. 주로 Superheat가 여러 가지 설계와 운용에 있어 과제가 될 것으로 생각된다.

비행선 설계에서는 이 현상을 피하기 위해서, 선체의 흡수율과 방사율에 관해서 배려할 필요가 있다. 막 재료의 선정에 있어서는 강도 등 역학적인 요소만이 아니라, 열에 관한 물성치도 중요한 항목이다. 운항회사에서는 예를 들어, 태양광 흡수율이 커지는 도색은 피하고, 광고를 목적으로 하는 비행선이라도, 그 의장과 색채에는 어떤 제한을 설치하는 것이 보통이다.

성층권 비행선에서 이 문제는, envelope에 부착하는 태양전지로부터 열의 유입이 있기 때문에 보다 엄격한 기술과제가 된다. 즉, 낮 동안에 Superheat와 밤의 방사냉각의 24시간 사이클의 온도 변동에 대처하지 않으면 안된다. 대기와의 온도차가 문제이기 때문에, 항상 대기속도를 유지, 외기와 열적으로 결합시켜 비행하는 것이 가장 유효하다고 생각된다


Superheat와 선체 차압

선체내의 헬륨과 공기는 온도가 올라가면 팽창하고자 하기 때문에, 선외에서 배출하지 않는 한 압력이 상승해 버린다. 온도와 압력의 관계는 기체의 상태 방정식으로 구할 수 있지만, 어떤 차압의 범위에서 허용되는 Superheat는 그림11에 나타낸 것처럼 고도와 함께 늘어나 간다. 어떤 온도 변화에 의한 압력의 변화의 절대치는 압력과 함께 작아지기 때문이다. 이 현상은 성층권 비행선이 성립하기 위해서 매우 중요한 것이고, 설계 고도를 올리는 것은 기체 규모가 커지는 반면, 어떤 차압의 범위에서 허용되는 Superheat를 크게 할 수 있다는 것을 의미한다.


정점체공 비행과 비행선

비행선은 원리적으로는 호버링할 수 있는 항공기이지만, 실체로는 무언간 특별한 제어력을 주지 않는 한 불가능하다. 제어의 관점에서 불가능한 것만이 아니라, 열 면에서 보더라도 대기속도를 가지는 것에 의해 대기와 열적인 결합을 유지하고 있기 때문에 호버링은 바람직하지 않다. 또한 Static heaviness/lightness도 완전하게는 제로로 할 수 없기 때문에 고도 유지를 위해서라도 양력을 이용할 필요가 있어, 대기 속도를 제로로 할 수 없다.

따라서 바람이 있을 때는 지상에 대해서 정지할 수 있어도 무풍일 때는 어느 범위를 비행하게 된다. 단지 실제로는 완전히 무풍이 되는 것은 드물고, 또한 그다지 계속되지 않기 때문에 비행선은 지상에 대해서 거의 정지할 수 있다고 생각된다.


지상 운용기술도 Key Technology

비행선에 있어 지상운용기술은 매우 중요하며, 초기부터 많은 경험을 거듭해 쌓아가며 조금씩 실용성을 높여 왔다. 유효한 발명의 하나가 기수 mast 이다. 야외에서 비행선은, 기수를 mast로 결합한 상태로 체류 된다. (사진4). 이 때 비행선은 그림 12에 나타낸 것처럼, mast주변을 자유롭게 360도 회전하며, 풍향계 안정으로 항상 선수를 바람이 불어오는 쪽으로 향하도록 되어 있다.

횡풍에 의한 공기력은 정대풍에 의해 한자리 수 커진다. 횡풍에는 거슬러 나아가지 않는 방식으로, 비행선은 지상계류가 가능하지만, 계류에 필요한 면적은 이 원을 기준으로 결정되기 때문에, 비행기처럼 바로 서로 이웃하여 주기 할 수는 없다. 또한 비행선은 횡풍 상태에서 이착륙이 가능하지 않는 것도 있고, 비행기처럼 활주로 길이라기보다, 면적의 확장으로 운용가능할 지 어떨 지가 정해진다.

현재 비행선에서는 이착륙은 기본적으로 Static heavy한 상태이며, 또한 비행선에 의해서는 추력의 틸트도 병용하며, ground crew의 감소를 실현하고 있다. 동시에 대형 경식비행선의 지상운용에는, 수백명의 ground crew를 필요로 하였다. 현대는 그것이 허락되는 시대가 아니기 때문에, 대형이 되지 않을 수 없는 성층권 비행선에게 있어서는 이러한 지상운용기술도 key technology의 하나이다.

ps : 이미지(그림)는 본 내용에 싣지 않았습니다. 양해해 주시기 바랍니다


출처 : 일, 航空技術 03년 11월 호