화살 뒤에는 깃이 있고, 다트 뒤에는 작은 날개가 있습니다. 미사일과 로켓의 꽁무니에도 작은 날개가 붙은 모습을 흔히 봅니다. 저 작은 날개는 무슨 일을 할까요?
작은 날개가 하는 일은 두 가지입니다. 날개가 고정되어 있으면 몸체가 곧게 날도록 붙잡고, 날개가 움직이면 몸체를 원하는 쪽으로 돌립니다. 이 글은 두 일의 원리를 NASA의 공개 교육 자료로 풀고, 움직이는 면을 어디에 다는지, 공기가 없는 곳에서는 무엇으로 방향을 바꾸는지까지 따라갑니다.
화살 깃과 같은 일: 곧게 날게 하는 날개
날고 있는 물체는 모두 무게중심(center of gravity, CG)을 축으로 돕니다. 무게중심은 몸체의 모든 부품 무게가 한 점에 모여 작용한다고 볼 수 있는 자리입니다.
공기가 미는 힘도 같은 방식으로 다룹니다. 공기력은 몸체 표면 둘레의 압력 차이에서 생기고 몸체의 모든 부분에 걸립니다. 이 힘을 한 점에 모아 작용한다고 보는 자리가 압력중심(center of pressure, CP)입니다.
로켓이 나는 길에 대해 조금 기울면 몸체와 날개가 옆으로 미는 힘, 곧 양력을 만듭니다. 기울기가 작을 때 항력(drag)은 거의 그대로입니다. 문제는 이 양력이 어디에 걸리느냐입니다.
압력중심이 무게중심보다 뒤에 있으면, 기울어진 몸체에 걸린 양력과 항력이 코를 나는 방향 쪽으로 되돌립니다. 기술자들은 이런 힘을 복원하는 힘(restoring force)이라 부르고, 그런 로켓을 안정하다고 봅니다.
반대로 압력중심이 무게중심보다 앞에 있으면 어떻게 될까요? 양력과 항력의 방향은 그대로인데, 그 힘이 만드는 돌림의 방향이 뒤집힙니다. 코가 조금만 밀려도 그 밀림을 키우는 힘이 생깁니다. 그래서 NASA는 압력중심이 무게중심보다 뒤에 있어야 한다는 것을 안정한 로켓의 조건으로 듭니다.
화살 깃을 떠올리면 이 그림이 쉽게 잡힙니다. 다만 이 설명은 NASA가 모형 로켓을 두고 한 것이고, 화살의 비행을 따진 것은 아닙니다.
실제 크기의 로켓도 사정이 다릅니다. 오늘날의 큰 로켓은 대개 안정을 공기역학에 기대지 않고, 배기 노즐을 돌려 안정과 조종을 함께 얻습니다. 델타, 타이탄, 아틀라스 부스터에 날개가 보이지 않는 까닭입니다.
날개를 움직이면 기체가 돈다
고정된 날개가 몸체를 붙잡는다면, 움직이는 날개는 몸체를 돌립니다. 로켓을 조종하는 방법은 여럿이지만, 모두 무게중심 둘레에 돌림힘(토크, torque)을 만들어 몸체를 돌린다는 점은 같습니다. 초기 로켓과 지금의 공대공 미사일은 대개 몸체 뒤쪽에 움직이는 날개를 씁니다.
움직이는 날개는 몸체에 걸리는 공기력의 크기를 바꿉니다. 이 공기력은 압력중심을 지나 작용하는데, 압력중심은 보통 무게중심과 다른 자리에 있습니다. 두 자리가 떨어져 있으니 무게중심 둘레에 돌림힘이 생깁니다.
로켓의 유도 장치가 맡는 일은 둘입니다. 날아가는 동안 안정을 주는 일과 기동할 때 조종하는 일입니다.
날개를 꺾으면 왜 힘이 바뀔까요? 날개가 다가오는 공기에 대해 기울어진 각도를 받음각(angle of attack, AoA)이라고 합니다. 받음각은 날개가 만드는 양력에 큰 영향을 줍니다. 얇은 날개꼴에서는 받음각이 ±10° 안쪽으로 작을 때 양력이 받음각에 정비례합니다.
받음각이 너무 커지면 이야기가 달라집니다. 공기 흐름이 날개 표면에서 떨어져 나가 날개가 갑자기 양력을 잃습니다. 이것이 실속(stall)입니다. 조종면을 꺾어 힘을 얻는 방식에도 쓸 수 있는 범위가 있다는 뜻입니다.
비행기 꼬리의 수직 날개가 좋은 예입니다. 앞쪽의 수직 안정판은 고정된 날개로, 기체가 곧게 날도록 안정을 줍니다. 그 뒤에 경첩으로 달린 방향타는 움직이면서 꼬리면이 만드는 힘의 크기를 바꿉니다. 둘 다 좌우가 같은 대칭 날개꼴이라, 방향타가 곧게 있으면 옆 힘이 없고 꺾는 쪽에 따라 왼쪽이나 오른쪽 힘이 생깁니다.
세 개의 축: 피치·요·롤
몸체가 도는 방향은 세 가지로 나눕니다. 코가 위아래로 움직이는 것이 피치(pitch), 코가 좌우로 움직이는 것이 요(yaw), 날개 끝이 위아래로 움직이는 것이 롤(roll)입니다. 비행기에서는 승강타가 피치를, 방향타가 요를, 보조날개가 롤을 만듭니다. 세 축 모두를 조종해 보인 첫 항공기는 라이트 형제의 1902년 글라이더입니다.
어느 조종면이든 그 공기력은 무게중심에서 떨어진 곳에 걸립니다. 그래서 세 축 둘레에 돌림힘이 생깁니다. 비행기를 두고 한 설명이지만, 무게중심 둘레의 돌림힘으로 몸체를 돌린다는 이치는 로켓 조종의 설명과 같습니다.
롤은 조금 다르게 만듭니다. 양 날개의 보조날개는 대개 서로 반대로 움직여서, 오른쪽이 위로 꺾이면 왼쪽은 아래로 꺾입니다. 날개꼴 뒤쪽의 꺾임 각이 바뀌면 그 날개가 만드는 양력이 바뀝니다. 양쪽 힘과 무게중심까지의 거리가 같으면 남는 돌림힘이 없고, 다르면 돌림힘이 남아 기체가 무게중심 둘레로 돕니다.
날개를 어디에 다나: 앞, 가운데, 뒤
움직이는 면을 어디에 달지는 한 가지 답이 없습니다. NASA 랭글리 연구소의 1966년 보고서 「Recent Results on the Aerodynamics of Winged Missiles」는 날개를 십자 모양으로 단 미사일 세 가지를 풍동에서 살폈습니다. 앞쪽의 작은 면을 움직이는 카나드(canard) 조종, 꼬리를 움직이는 꼬리 조종, 가운데 날개 전체를 움직이는 날개 조종입니다.
보고서는 세 배치가 체계적인 비교 계획에서 나온 것이 아니라고 밝힙니다. 공기역학만이 아닌 다른 고려에서도 나올 수 있는, 서로 아주 다른 배치를 대표로 고른 것입니다. 그래서 이 결과로 어느 배치가 낫다고 줄 세울 수는 없고, 배치마다 따라붙는 일반적인 성질을 볼 수 있습니다.
카나드 배치에서는 조종면을 꺾을 때 늘어나는 양력이 아주 작지만, 카나드 배치에서 흔하듯 양력이 늘어나는 쪽입니다. 꼬리 조종에서는 꼬리를 꺾어 피치를 맞추면 양력을 잃는데, 보고서는 이것을 꼬리 조종에 따르는 성질로 봅니다. 날개 조종의 피치 조종은 날개가 내는 비교적 큰 양력 증가와 짧은 모멘트 팔에 기댑니다.
앞에 단 조종면은 초기 비행기에도 있었습니다. 라이트 형제의 항공기는 모두 앞쪽에 승강타가 있었고, 오늘날의 항공기는 대개 뒤쪽 수평 안정판에 승강타를 답니다. 돌풍에 코가 들리면 앞 승강타의 받음각이 커지고, 그 양력이 커져 코가 더 들립니다. 1903년과 1904년 플라이어는 이 때문에 심한 피치 문제를 겪었고, 1905년에 다시 설계하고서야 문제를 풀었습니다.
미사일의 카나드 배치는 1950년에 이미 비행 시험 대상이었습니다. 1950년 11월의 NACA 연구 보고서 RM L50I27은 유도 미사일 연구 계획의 하나로, 델타 날개를 단 카나드 미사일 배치를 버지니아주 월럽스섬에서 비행 시험한 결과를 담았습니다. 시험은 세로 안정, 조종 효과, 항력, 조종면의 힌지 모멘트를 살폈습니다.
1978년 NASA 풍동 보고서는 카나드로 조종하는 십자형 미사일 모형에서 꼬리 날개 묶음을 고정한 것과 자유롭게 돌게 한 것을 견주었습니다. 꼬리가 자유롭게 도는 배치에서는 낮은 받음각에서 카나드가 롤 조종이 거꾸로 듣는 일 없이 보통의 롤 조종을 했습니다.
꼬리 쪽 조종면도 역사가 깁니다. 스미스소니언 국립항공우주박물관이 소장한 독일의 프리츠 X(Fritz X, 루르슈탈 X-1)는 2차 세계대전 때의 정밀 유도 철갑 폭탄입니다. 항공기에서 떨어뜨린 뒤 조작자가 조종간과 송신기로 이끌었고, 십자형 꼬리의 스포일러가 폭탄이 날아가는 길을 다뤘습니다.
공기가 없으면: 배기의 방향을 바꾸기
움직이는 날개는 공기를 밀어 힘을 얻습니다. 그러니 이 방식은 대기 안에 머무는 로켓에서만 통합니다. 대기를 벗어나야 하는 로켓은 공기 대신 자기 배기를 밀어야 합니다.
원리는 같습니다. 배기가 내는 추력(thrust)의 작용선이 무게중심을 지나지 않으면, 무게중심 둘레에 돌림힘이 생겨 코가 돕니다.
배기를 꺾는 방법은 셋으로 나눠 볼 수 있습니다. V2와 레드스톤 같은 초기 로켓은 본 로켓의 배기 속에 작은 추력 베인(thrust vane)을 두어 추력을 꺾었습니다. 아틀라스 미사일 같은 옛 로켓은 본 로켓 아래에 작은 보조 로켓(vernier rocket)을 달아 돌림힘을 만들었는데, 연료와 배관 무게가 더해져 지금은 많이 쓰지 않습니다.
오늘날 대부분의 로켓은 노즐 자체를 돌립니다. 이렇게 노즐을 돌리는 것을 김발(gimbal)한다고 하고, 우주왕복선과 새턴 V가 이 김발 추력(gimbaled thrust)을 썼습니다. 앞에서 본 델타, 타이탄, 아틀라스 부스터에 날개가 없는 것도 노즐이 안정과 조종을 함께 맡기 때문입니다.
엔진 배기를 꺾어 항공기를 돌리는 이야기, 그리고 날개가 힘을 잃는 높은 받음각에서 그것이 어떻게 쓰였는지는 추력편향 글에 있습니다.
레이저와 맞닿는 점: 작은 면으로 큰 방향을
작은 면을 조금 움직여 큰 방향을 바꾼다는 생각은 레이저 빔을 다루는 장치에도 있습니다. 빔이 가리키는 방향을 빠르고 미세하게 바로잡는 작은 거울, 고속 조향 거울(fast steering mirror, FSM)입니다. 큰 움직임은 두 축으로 도는 받침인 김발이 맡고, 빠른 떨림은 이 작은 거울이 맡습니다.
닮은 점은 거기까지입니다. 미사일의 조종면은 공기를 밀어 얻은 힘으로 몸체 전체를 돌립니다. 거울은 몸체를 돌리지 않고, 거울에서 반사되는 빛의 방향만 바꿉니다. 힘과 돌림힘의 이야기가 아니라 빛의 반사 각도 이야기라는 점이 다릅니다.
다음에 읽을 글
- 추력편향: 엔진이 방향을 바꾸면 무슨 일이 생길까: 배기를 꺾어 기체를 돌리는 방법과 NASA 시험기의 기록을 봅니다.
- 정밀유도폭탄: 평범한 폭탄에 무엇이 더해질까: 꼬리 조종면을 단 유도 폭탄이 어떻게 발전했는지 봅니다.
- 공대공 미사일: 미사일의 눈은 무엇을 볼까: 조종면에 명령을 내리기 전에 미사일이 표적을 어떻게 보는지 봅니다.
- FSM: 떨림을 잡는 작고 빠른 거울: 작은 거울이 빔의 방향을 바로잡는 방법을 봅니다.