항공우주공학

Lockheed SR-71 Blackbird 전략 정찰기

HTV-X 보급선

항공우주공학(航空宇宙工學, Aerospace engineering)은 항공기 및 우주선을 취급하는 공학의 한 분야이다. 원래 항공기만을 다루는 공학 분야를 일컫는 말로서 항공공학이라는 용어가 있었으나, 기술 발전에 따라 항공기의 비행 영역이 점차 넓어져 지구 대기권 바깥에까지 이르게 되면서, 더 넓은 의미인 항공우주공학이라는 용어가 널리 사용되게 되었다. 또한 항공공학이라는 말에 대비되는 말로서 우주공학이라는 말도 있다. 그러나 최근에는 이 두 용어는 그다지 사용되지 않는 추세이다.

비행체는 비행하면서 대기 압력 및 온도의 변화, 비행체의 각 구성품에 가해지는 구조 하중 등 가혹한 환경을 겪게 되므로, 비행체의 설계 및 제작을 위해서는 수많은 문제들을 고려하여야만 한다. 비행체는 공기역학, 항공전자공학, 재료공학, 추진공학 등 여러 가지 기술 및 과학 분야의 종합적인 산물이다. 항공우주공학은 이러한 여러 가지 연구 분야를 종합하는 과정 및 이에 대한 지식이라 할 수 있다.

개념 및 정의

항공우주공학은 항공우주 공간에서 비행하거나 유영할 수 있는 물체에 대해 설계(design), 제작(manufacture), 발사(launch), 유도(guide), 그리고 통제(control) 등에 관련된 내용을 다루는 학문이다. 여기서 항공우주 공간은 지구의 대기권과 대기권 상층부인 우주를 의미하며 거리는 지구에서 관측이 어려운 천체까지 확장되는 무한대의 영역까지 포함한다. 항공우주공학과 관련된 산업분류와 연구 분야 분류는 교육과학기술부 국가과학기술위원회가 고시한 국가과학기술표준분류 체계(2012년 9월 13일), 그리고 한국연구재단의 학술연구 분야 분류가 있다.

국가과학기술표준분류 체계에서 항공우주공학은 항공시스템과 우주발사체(宇宙發射體, space launch vehicle)로 구분하고 있으며, 항공시스템(EA11)은 고정익(固定翼, fixed wing)과 회전익 항공기(回轉翼 航空機, rotor craft)에 대한 기체(機體, structure), 동력장치, 기계시스템, 전기전자시스템과 항공지상설비 시스템, 항공시스템 관련 소프트웨어, 그리고 기타 분야로 분류되고, 우주발사체(EA12)는 우주발사체/탑재체 시스템, 액체와 고체 추진체 발사체 시스템, 우주발사체 유도/자세제어 기술, 우주발사체 구조체, 우주발사체 관제시설, 우주발사체 관련 소프트웨어, 우주발사체 지상설비 시스템, 그리고 기타 분야로 분류하고 있으며, 학술연구 분야 분류에서는 항공기 설계/제작, 항공기 구조/재료, 유체/열공학, 추진장치/에너지, 유도/제어/시험, 항공장비, 항공운항관리(航空運航管理, air operations management), 항공우주과학(航空宇宙科學, aerospace science), 그리고 기타로 분류하고 있다.

본문에서는 두 분류 체계를 참고하여 항공공학에 대해서 항공기 기체(航空機 機體, aircraft airframe), 항공기 동력장치(航空機 動力裝置, aircraft powerplant), 항공기 기계시스템(航空機 機械-, aircraft mechanical system), 항공기전자전기 시스템, 항공우주 지상설비 시스템(航空宇宙 地上設備 -, aerospace ground facility system), 그리고 항공운항관리로 구분하고, 우주공학에 대해서 액체 추진제 발사체 시스템(液體 推進劑 發射體 體系, liquid-propellant rocket system), 고체 추진제 발사체 시스템(固體 推進劑 發射體 體系, solid-propellant rocket system), 그리고 항공우주 지상설비 시스템으로 구분하여 설명한다.

항공공학

항공기 기체

항공시스템에서 고정익 항공기는 대형 여객기, 전투기 등과 같이 동체에 고정된 날개에 의해 양력(揚力, lift 또는 lift force)을 발생시키는 항공기를 의미하고 회전익 항공기는 헬리콥터와 같이 회전하는 로터에 의해 양력을 발생시켜 비행하는 항공기들을 의미한다. 경항공기나 소형 여객기, 군용 수송기와 같이 회전하는 블레이드를 갖고 있으나 날개로 양력을 발생시켜 비행하는 항공기도 고정익 항공기로 분류한다.

항공기 기체는 엔진, 주날개, 꼬리날개, 착륙장치와 같이 고정익 항공기에서 구성 주요 요소 중의 하나로 구별하기도 하지만 본문에서와 같이 엔진을 제외한 나머지 구성 요소를 포함한 항공기 구조체 전체를 의미하기도 한다. 기체는 기체에 작용하는 힘(또는 응력(應力, stress))을 적절히 분산하기 위한 모노코크(monocoque) 구조, 세미모노코크 구조 또는 트러스(truss) 구조 등의 형태를 가지게 된다. 압축(compression), 인장(tension), 비틀림(twist), 그리고 굽힘(bending)과 같이 기체에 다양한 방향으로 작용하는 힘을 견딜 수 있도록 세로대(longeron), 세로거더(stringer), 날개보(spar), 날개골(rib), 그리고 외피(skin) 등의 구조물을 사용하며, 이들 구조물들은 충분한 강도를 가져야 할 뿐만 아니라 경량의 항공기가 될 수 있도록 무게를 최적화하여야 한다.

따라서 항공기 제작은 기체뿐만 아니라 날개와 같은 대부분의 구성품 제작 시 설계단계부터 최첨단의 공법을 적용하여 제작, 조립하고 있다. 항공기 기체의 대부분을 차지하는 동체의 외형은 공기역학적으로 양력과 항력(抗力, drag force)을 고려하여 설계하고 있다. 주 날개는 유동의 박리(剝離, separation)를 줄여 양력을 증가시키기 위한 다양한 형상의 고양력 장치를 앞전(leading edge)과 뒷전(trailing edge)에 추가하여 사용하고 있다.

항공기 기체를 설계할 때 항공기 형상에 영향을 미치는 요소들은 공기역학적 측면뿐만 아니라 사용목적, 엔진 장착 위치, 엔진 수, 날개 위치, 날개 형상, 꼬리날개 형상, 정비 용이성, 승객이나 화물의 접근성 등을 고려하여야 한다. 사용목적의 경우 화물수송, 여객수송 또는 고정된 장비에 따라 구조 설계가 달라지며, 엔진 장착 위치는 항공기 날개 아래쪽, 날개 위쪽, 날개 통합, 또는 동체 위쪽에 따라, 개수에 따라 형상뿐만 아니라 구조가 완전히 달라지기 때문이다.

항공기 동력장치

터보제트 엔진 개념도

터보팬 엔진 개념도

터보프롭 엔진 개념도

램제트 엔진 개념도

항공기 동력장치는 항공기 추력(推力, thrust)을 발생시키는 엔진과 각종 계기 및 장비들을 구동시킬 발전기로 구분할 수 있다. 대부분의 항공기는 엔진과 연동된 발전기를 구비하고 있어 자동차와 같이 엔진이 작동하면 발전기도 동시에 작동하도록 되어 있으며 예비 또는 시동 시 시동기(starter)를 구동하기 위한 축전지를 구비하고 있다.

항공기 엔진은 일반적으로 왕복 엔진(reciprocating engine)과 제트 엔진(jet engine)으로 구분할 수 있다. 왕복 엔진은 일반적인 자동차에서 사용하는 엔진과 같이 피스톤이 실린더 내를 흡입, 압축, 팽창, 배기과정을 거치는 왕복운동으로 연료 에너지를 기계적 에너지로 전환시켜주는 엔진으로 주로 소형 프로펠러 경항공기에서 사용하고 있다. 왕복 엔진은 기본 연료인 가솔린에 여러 가지 첨가제를 첨가한 AV Gas를 사용하는 점화식 가솔린 엔진이 대부분이나 최근에는 환경오염 물질 배출, 경제성 등을 고려하여 디젤 연료를 기본 연료로 한 Jet-A 또는 군용 JP-8 계열 연료를 사용하는 압축점화 디젤 엔진을 장착한 경항공기가 등장하고 있다.

제트 엔진은 왕복 엔진에서 수평 또는 수직 한 방향으로만 왕복하는 피스톤과 달리 한 축을 중심으로 회전하는 회전축과 압축기(compressor), 연소기(combustor), 터빈(turbine)을 주요 구성요소로 한 엔진이다. 압축기는 엔진에 흡입되는 공기를 압축하게 되며, 압축기를 구동하는 동력은 터빈에서 공급 받는다. 연소실은 고압 압축된 공기에 연료를 분사하고 연소시켜 고온 고압의 연소가스를 만들며, 터빈은 고온 고압의 연소가스가 팽창하도록 하여 회전운동으로 에너지를 추출한다. 터빈에서 얻은 동력의 일부는 엔진 내부에서 압축기, 연료펌프, 윤활펌프, 발전기 등을 구동하는데 사용되고, 나머지는 고속의 제트, 팬 구동, 프로펠러 구동 등과 같이 추력 발생에 사용된다.

제트 엔진에는 엔진 구성요소에 따라 터보제트(turbojet) 엔진, 터보프롭 또는 터보샤프트(turboprop 또는 turboshaft) 엔진, 터보팬(turbofan) 엔진, 램제트(ramjet) 엔진, 스크램제트(scramjet) 엔진, 그리고 이들 엔진들을 혼용한 하이브리드(hybrid) 엔진 등으로 구분한다. 터보제트 엔진은 엔진 흡입구와 가스발생기(gas generator)로 이루어져 있으며 고온 고속의 배기가스를 이용하여 항공기에 필요한 추력을 얻는다. 여기서 가스발생기는 압축기, 연소기, 그리기 터빈을 종합하여 나타내며 제트 엔진에서 가장 기본적인 요소가 된다.

터보프롭 엔진은 터보제트 엔진의 앞 또는 뒤쪽에 프로펠러를 장착하여 구동하는 엔진으로 프로펠러는 압축기를 구동하는 터빈과 감속기어(reduction gear) 또는 자유터빈(free turbine)으로 연결되어 구동된다. 발전기, 선박 프로펠러, 헬리콥터 로터 구동에 사용되는 축일(shaft work)을 만드는 터보샤프트 엔진은 터보프롭 엔진과 구동 방식이 거의 동일하며 프로펠러를 구동하는 경우 이외에는 대부분 터보샤프트 엔진으로 구분한다. 프로펠러가 엔진 외부에 노출되어 공기 중에서 회전하는 것과 달리 엔진 내부에 팬을 설치하여 고속에서의 엔진성능을 향상시킨 엔진이 터보팬 엔진이다.

램제트 엔진은 항공기가 고속으로 비행할 때 엔진에 흡입되는 공기가 비행속도 자체에 의해 압축되는 램(ram) 효과를 이용한 것으로 램 효과에 의해 충분하게 압축되기 때문에 다른 제트 엔진과 달리 압축기가 필요 없어 흡입구, 연소실, 그리고 노즐로 구성된 엔진이다. 압축기가 없기 때문에 경량이고, 진동이 적으나 시동 시와 같이 정지해 있거나 저속인 경우에는 시동을 위한 별도의 방법이 필요하다.

스크램제트 엔진은 램제트 엔진과 작동원리는 비슷하나 램제트 엔진이 아음속 유동에서 연소가 이루지는 것과 달리 초음속 유동에서 연소가 이루어지고 있어 상대적으로 고속인 극초음속(hypersonic) 비행체에 사용되는 엔진이다. 하이브리드 엔진은 램제트 엔진과 터보제트 엔진을 결합한 형태의 엔진이나 로켓과 램제트 엔진이 결합된 형태의 엔진으로 램제트 엔진의 고속에서의 장점과 저속에서의 단점을 보완한 엔진이다.

항공기 기계시스템

항공기 기계 공압시스템(mechanical system)은 유압과 공압을 이용한 항공기 제어, 산소 공급, 공기조절 및 객실 여압(pressurization), 방빙(anti-icing)과 제빙(de-icing) 계통, 연료계통, 그리고 보조 동력장치(APU: Auxiliary Power Unit) 등을 포함한다. 물론 엔진 내부의 윤활과 냉각 계통도 포함될 수 있다.

유압과 공압시스템은 피스톤의 움직임을 이용하여 위치나 자세를 제어할 수 있기 때문에 항공기 조종면(control surfaces) 제어에 많이 이용되고 있다. 유압과 공압시스템은 시스템을 작동하는 작동매체인 액체나 기체에 의해 구분되며 액체인 작동액은 산화나 부식되지 않아야 하며, 난연성이고, 소포성이어야 하며 윤활능력이 있어야 정밀한 위치제어를 할 수 있다. 일반적으로 작동액은 비압축성 유체(incompressible fluid)를 사용하나 공압시스템은 공기와 같은 압축성 유체(compressible fluid)를 사용한다. 공압시스템은 공기를 압축하기 위한 압축기, 압력 조절을 위한 압력 조정기(pressure regulator)가 필요하다. 초기 항공기들과 일부 경항공기들이 사용하는 기계적인 제어는 복잡하고 중량인 단점이 있었으나 유압시스템 적용으로 중량과 복잡성과 같은 문제들을 해결할 수 있게 되었다.

항공기의 공기조절과 객실 여압은 지표면보다 압력이 낮은 고도에서 비행할 때 승객과 승무원이 쾌적한 환경에서 비행할 수 있도록 여분의 공기나 산소를 공급하는 것을 의미한다. 고도가 상승에 따라 희박해지는 산소와 압력저하로 인해 나타나는 저산소증(hypoxia), 고산증(altitude sickness), 저압증(decompression sickness), 압력손상(barotrauma)과 같은 증상들을 방지하기 위해 산소를 공급하거나 공기를 공급해야 한다. 산소공급은 고도가 높을 때 호흡용 공기에 산소를 보충하거나 화재발생 시 보호용으로 그리고 산소를 필요로 하는 응급상황을 위해 이루어진다. 객실 여압은 환경제어시스템을 이용하여 조절된 공기를 객실에 공급한다. 여압에 필요한 압축공기는 일반적으로 주 엔진의 압축기 부근에서 추출한 블리드 공기(bleed air)를 이용하며, 주 엔진 시동 전에는 보조 동력장치를 이용하여 얻는다.

방빙과 제빙 장치는 항공기에 끼는 얼음을 제거하거나 얼음이 끼지 않도록 방지하는 장치로 주 날개 전단, 엔진 흡입구, 꼬리날개 등에 설치되어 있다. 고무와 같은 재질을 공기로 주기적으로 부풀려 얼음을 제거하거나 화학약품을 미세한 구멍으로 흘러나오게 해 제거하거나 방지하기도 하나 고온 고압인 엔진 압축기의 블리드 공기를 표면에 설치된 덕트에 흐르게 해 얼음이 끼지 않도록 하는 방법을 제트 엔진 항공기들은 사용하고 있다.

보조 동력장치는 추력(또는 추진력) 제공 목적이 아닌 다른 용도로 사용되는 동력장치를 의미한다. 항공기 보조 동력장치의 주된 목적은 주 엔진 시동에 필요한 동력을 제공하는 것이다. 제트 엔진들은 자체적으로 작동하기 위해서는 충분히 높은 압력의 공기가 공급되어야만 작동될 수 있다. 소형 제트 엔진들은 전기모터에 의해 시동이 되지만 대형 엔진들은 공기터빈 모터에 의해 시동이 걸린다. 엔진이 작동하기 전에 보조 동력장치가 전기나 유압으로 먼저 작동된 후에 보조 동력장치가 주 엔진들이 시동될 수 있게 동력을 제공한다.

또한 보조 동력장치는 항공기 엔진들의 시동이 꺼진 후에 보조 장치들을 구동하는데 사용된다. 승객들이 탑승할 때 객실 환경을 쾌적하게 유지하도록 하거나 비행 전 점검 등을 위한 전력을 공급한다. 보조 동력장치를 장착한 항공기도 고장을 대비하여 지상 전력을 사용할 수 있도록 되어 있으며, 일부 공항에서는 소음과 환경오염을 방지하기 위해 보조 동력장치 대신 지상 전력을 사용하도록 한 곳도 있다. 상용 항공기에서 사용하는 보조 동력장치는 일반적으로 소형 가스터빈을 이용하고 있다.

항공전자시스템

항공전자시스템(avionics)은 항공기, 인공위성, 그리고 우주선 등에 사용되는 전자시스템을 의미하며, 항공(aviation)과 전자(electronic)의 합성어이다. 통신(communication), 항법(navigation), 시현(display), 그리고 다양한 시스템의 관리(management)와 개별 기능을 수행하도록 항공기에 적용된 수없이 많은 시스템을 포함한다.

항공전자시스템은 전자 및 기계가 통합된 시스템과 사용자를 연결해 주는 매개체의 역할을 하며, 직무자동화 시스템, 외부감지 시스템, 항법 시스템, 항공기 상태감지 시스템, 조종사 인터페이스 시스템(pilot interface system)으로 계층화 할 수 있다. 조종사 인터페이스 시스템은 항공전자시스템에서 나오는 정보를 조종사가 판단할 수 있게 나타내 주는 역할을 하며, 시현기, 통신, 데이터 입력 및 제어, 비행제어 시스템이 여기에 해당된다.

항공기 상태감시 시스템(aircraft state sensors system)은 항공기의 상태를 감시하는 역할을 하며, 공중 데이터 시스템, 비행체 운동감지의 역할을 담당하며, 항법 시스템은 항공기의 위치 및 자세 등을 감지하는 시스템으로, 추측항법 시스템, 무선항법 시스템으로 구분된다. 외부감지 시스템(external world sensors system)은 항공기 외부 환경을 감지하는 시스템으로, 레이더, 적외선 감지 시스템이 대표적인 예이며, 직무자동화 시스템(task automation system)은 센서에서 얻은 정보를 이용하여 부여된 임무를 자동적으로 처리해주거나 이를 돕는 역할을 하며, 항법관리, 자동조종장치, 비행관리, 엔진관리 및 제어의 역할을 한다.

항공 지상설비 시스템

항공 지상설비 시스템은 항공기의 이착륙을 위한 지상설비와 우주선, 로켓 등의 발사를 위한 지상설비(地上設備)를 의미한다. 항공기 이륙과 착륙을 위한 지상설비는 비행장(aerodrome 또는 airport)이며, 비행장은 활주로(runway), 유도로(taxiway), 계류장(繫留場, apron), 대기지역(holding bay), 제빙 및 방빙 시설, 그리고 비행장 표지가 해당된다. 헬리콥터의 경우에는 육상, 수상, 옥상, 해상구조물, 그리고 선상 헬기장으로 구분되며, 풍향지시기 등 헬기장 표지 및 표시물을 의미한다. 공항(airport)도 비행장의 의미로 사용되기도 하지만 공항은 민간항공용으로 여객이나 화물의 운송에 필요한 시설과 기능을 갖추고 항공기 이착륙 시 계기비행이 가능한 비행장을 의미한다. 또한 국제공항은 세관, 출입국관리, 검역과 같은 출입국관리 기능이 추가된 공항을 말한다. 비행장은 공항뿐만 아니라 군용 비행장, 민간 사설 비행장(헬리포트 포함)도 포함된다.

항공운항관리

항공운항관리(航空運航管理, air operations management)는 항공기 정비 관련 조직, 항공여객 관련 조직, 그리고 항공화물 관련 조직과 함께 항공사 조직 기능 중 하나로 분류된다. 항공운항관리의 주요 기능은 항공기가 안전하고 효율적인 운항을 할 수 있도록 항공운항통제(air operations control)와 안전관리, 운항관리, 항공교통관제(ATC: Air Traffic Control), 그리고 기상 관련 정보지원으로 이루어진다.

항공운항통제와 안전관리는 항공기의 지상 활주부터 목적지 활주로에 착륙한 뒤 지상 활주까지 항공기가 안전하게 이동, 비행할 수 있도록 지원하는 것으로 항공기 내의 안전점검, 항공 운항지원 장비와 시설 관리, 지상 통신장비 관리를 포함하며 이러한 사항들과 관련된 운항정책에 대한 자료수집, 분석도 포함하며, 이러한 업무는 운항통제센터(operations control center)에서 수행한다. 운항관리는 항공사의 운항본부에서 총괄하며 운항본부의 운항관리 책임자는 해당 지역의 항공기 운항과 관련된 모든 활동에 대하여 관리를 하며 운항 중인 항공기의 조종사 업무 감독, 항공기 및 운항승무원에 대한 비행 전 점검과 운항조건의 파악, 운항승무원의 지원과 조언을 담당한다.

항공교통관제는 항공기가 안전하게 운항할 수 있도록 지상에서 지원하는 업무이며 일반적으로 ATC라고 부른다. 국제민간항공기구(ICAO)에서 정한 ATC의 목적은 다음과 같다.

① 항공기들의 충돌 방지

② 이동 및 운항지역 내에서 항공기와 장애물의 충돌 방지

③ 신속하고 질서가 유지되는 항공교통 흐름 유지

④ 안전하고 효율적인 비행을 위한 조언 및 정보의 제공

⑤ 수색 및 구조를 필요로 하는 항공기에 대한 관계기관 통지 및 협조

항공기 운항관리를 위해 항공활동 감시용 레이더가 주로 사용되며 항공기 조종사와 관제사 사이 통신은 초단파(VHF)와 극초단파(UHF)를 이용한 무선통신으로 한다. 항공교통관제 업무, 비행정보 업무 및 경보 업무를 제공하여 항공기가 안전하고 효율적으로 비행하도록 하기 위하여 각각의 공항은 비행정보구역(飛行情報區域, FIR: Flight Information Region)을 설정하여 운영한다.

기상정보 지원은 항공기 출발지에서 도착 예정지까지 이동 예상 경로에 대해 시간대별로 기상상태를 파악하여 수행한다. 기상정보는 기상 레이더, 인접국의 기상정보, 외국 공항의 기상정보, 운항 중인 항공기에서 전달되는 기상정보 등을 이용하여 파악되고 작성되며, 기상정보는 풍향, 풍속, 시정, 운고, 대기 온도, 대기압 등이며 상층부의 제트기류(jet stream)의 정보와 화산활동에 대한 내용도 포함하여 작성된다. 기상정보는 항공기가 탑재할 연료량 계산과 비상 시 대체 활주로 선정과 관련된 매우 중요한 정보 중의 하나이다.

우주공학

액체 추진제 발사체 시스템

액체 추진제 발사체 시스템(liquid-propellant rocket)은 추력 생성에 액체 추진제를 사용하는 발사체를 의미한다. 추진제는 발사체에서 추력 생성을 위해 연소되는 화학적 혼합물로 연료와 산화제(oxidizer)로 구성되어 있다. 산화제는 연료가 연소될 때 필요로 하는 산소를 생성하는 매개 물질이며, 연료는 산소와 결합하여 연소가스를 생성하여 추진력을 생성하는 물질이다. 연료와 산화제는 별도의 탱크에 저장되어 있으며, 파이프, 밸브 및 터보펌프 등을 통해 연소실로 전달되고 연소실에서 연료와 산화제가 혼합되고 연소된다. 액체 추진제 발사체는 고체 추진제 발사체에 비해 상대적으로 복잡하고 설계 및 양산에 어려움이 있지만 고체 추진제 발사체가 제공하지 못하는 많은 장점 때문에 우주 발사체에 많이 사용되고 있다.

액체 추진 발사체의 주요 장점 중 하나는 발사체 제어와 조종이 용이하다는 점이다. 발사체 조종 및 제어는 연소실까지 이동하는 추진제를 제어함으로써 이루어지는데, 엔진의 정지, 추력 조절, 재시동이 이에 해당한다. 또한 액체 추진제의 고밀도성은 저장탱크를 소형화하고 발사체의 중량을 감소시킬 수 있기 때문에 발사체의 발사 성능을 향상시킬 수 있다. 액체수소나 액체산소와 같은 추진제의 저장온도가 상온보다 낮기 때문에 액체 추진 발사체는 추진제의 종류에 따라 단열장치를 필요로 하는 경우가 있다.

액체 추진제 발사체의 주요 구성은 추진제를 저장하고 운송하기 위한 연료 저장 탱크와 관, 주로 원통형의 형태를 지니는 연소실, 연료 분사 장치, 로켓 노즐(rocket nozzle)로 구성되어 있다. 저장 탱크에 저장된 연료를 연소실(로켓 엔진)까지 이송하는 방식은 크게 압력 이송 방식과 펌프 이송 방식으로 나뉜다. 펌프 이송 방식과 압력 이송 방식 모두 연료 분사 장치를 지나는 액체 추진제의 압력이 연소실의 압력보다 높아야 하는데, 펌프 이송 방식의 경우 추진제의 압력을 높여주는 직접적인 연료 펌프를 사용한다. 최근 액체 추진제 발사체의 연료 펌프는 고효율, 경량으로 발사체의 중량 대비 추력을 높이는 역할을 하고 있다. 압력 이송 방식의 경우 추진제 자체가 가지는 압력이 연소실보다 높기 때문에 별도의 장치를 사용하지 않는다.

연소실에 도달한 추진제는 연소실에서 화학 반응하여 고온의 가스를 생성하게 되는데, 이 때 생성된 가스의 속도를 얼마나 높이느냐에 따라 발사체가 생성할 수 있는 추력이 결정된다. 연소실의 가스는 연소실에서 초음속 노즐을 통하여 고속으로 가속된 후 배출된다.

액체 추진제의 종류에는 케로신(kerosene)과 RP-1(정제석유)와 같은 탄화수소계 추진제, 하이드라진(hydrazine), UDMH(unsymmetrical dimethyl hydrazine) 및 MMH(monomethyl hydrazine)와 같이 서로 접촉하면 자발적으로 점화되는 자동 연소성 추진제, 그리고 액화수소와 액화산소와 같은 극저온 추진제가 있다.

고체 추진제 발사체 시스템

고체 추진제 발사체 시스템(Solid-propellant pocket)은 모터(motor)를 사용하여 고체 추진제(연료와 산화제의 고체상태 혼합물)를 연소시키는 발사체를 의미한다. 추진제는 발사체에서 추력을 생성하기 위해 연소되어지는 화학적 혼합물로 보통 연료와 산화제로 구성된다. 산화제는 연료가 연소될 때 필요로 하는 산소를 생성하는 매개 물질이며, 연료는 산소와 결합하여 가스를 생성하여 추진력을 생성하도록 연소되는 물질이다. 추진제는 그 상태에 따라 고체, 액체, 가스 혹은 하이브리드로 구분한다.

화약(gunpowder)을 사용한 로켓이 고체 추진제 발사체의 한 예이며, 과거 중국, 몽골, 인도, 아랍인 등이 전쟁에서 사용하였다. 20세기에 액체, 하이브리드 추진체가 더 효과적이고, 조종 및 제어가 용이하다는 것이 알려지기 전까지 모든 발사체는 고체 추진제 발사체 시스템을 기반으로 제작됐다. 고체 추진 발사체는 신뢰성과 개발 및 운용의 용이성 덕분에 로켓 및 발사체 시스템에 많이 사용되고 있다. 고체 추진제 발사체는 다른 추진제 발사체 시스템보다 구조가 간단하며, 액체 추진제 발사체와 같이 별도의 추진제 이송 시스템이나 밸브와 같은 복잡한 기계장치 요소가 필요하지 않기 때문에 제작원리가 간단하며, 제작비용이 저렴하다는 장점을 가지고 있다.

또한, 고체 추진제 발사체는 저장이 용이하고 별도의 관리 없이 장시간 연료 저장이 가능하며, 액체 추진제 발사체에 비해 짧은 준비시간에 발사할 수 있어 군용 무기체계에서 필수적으로 요구되는 기만성 및 신속성을 제공할 수 있다. 따라서 상업적인 목적의 발사체 보다 군사적인 목적의 임무를 지니는 발사체들이 고체 추진제 발사체 시스템을 선호한다.

하지만 고체 추진제 발사체는 상대적으로 낮은 추력 및 성능을 제공하기 때문에 상업위성, 우주왕복선 등의 우주 임무를 수행하는 발사체에는 선호되지 않는다. 고체 추진제 발사체는 보통 우주 발사체의 탑재용량(payload capacity)을 늘리기 위한 부스터(strap-on boosters) 형태로 발사체에 보조적으로 사용되고 있다.

고체 추진제는 일반적으로 복합 추진제(composite propellant)와 균질 추진제(homogeneous propellant)로 분류할 수 있다. 두 추진제 모두 고체 추진제의 장점인 상온에서 용이한 저장성과 안정성을 제공한다. 균질 고체 추진제는 단순기저(simple base) 혹은 이중기저(double base)의 형태를 갖는데, 단순기저 추진제는 이중기저 추진제에 비해 간단한 형태를 갖는 단순 복합물인 니트로셀룰로스(nitrocellulose)로 구성된다.

니트로셀룰로스는 산화제와 감소제의 기능을 동시에 수행한다. 이중기저 형태의 추진제는 가소제(plasticiser)가 추가된 니트로셋룰로스와 니트로글린세린을 기본으로, 설계 목적에 따라 AP(Ammonium Perchlorate)와 알루미늄 파우더(powdered aluminium)를 추가한 형태다. 균질 고체 추진제는 연소 시 배출되는 배기가스의 추적이 어렵다는 점 때문에 적은 비추력을 갖는다는 단점에도 불구하고 기만성이 요구되는 전략무기에 많이 사용되고 있다.

우주 지상설비 시스템

우주선 및 로켓과 관련된 지상시설은 발사대(launch pad)가 대표적인 것으로 우주발사체 발사용으로 위성발사기지(spaceport 또는 cosmodrome)와 로켓 발사용으로 로켓 발사기지(rocket launch site)가 있다. 위성 발사기지는 지구궤도나 행성 간 비행하는 우주선 발사를 위한 것이며, 로켓 발사기지는 저궤도(sub-orbital) 비행체나 저궤도 유인비행체 발사를 위해 사용된다.

위성이나 로켓 발사기지는 여러 개의 발사대를 가지기도 한다. 각 발사대는 지원시설(service structure)과 연결시설인 엄빌리컬 시설(umbilical facility)로 구성되어 있다. 지원시설은 발사 전에 발사체에 대한 점검을 할 수 있는 접근시설이며, 발사 전에 안전한 거리로 이동시킨다. 엄빌리컬 시설은 추진제 적재, 가스, 동력, 그리고 통신선 등의 발사체 연결라인을 의미한다. 발사체는 발사대 맨 위쪽에 위치하며, 발사 시 고온의 연소가스 방향을 바꿔주는 시설도 포함되어 있다.

세부 분야

유체역학

항공기를 다루는 일이 많다 보니 유체역학(Fluid dynamics), 그 중에서도 공기역학(Aerodynamics)을 깊게 다룬다. 그래서 의외로 항공 이외에도 응용 분야가 제법 넓다. 빠른 속도로 달리는 자동차들은 옛날에는 그저 만들기 쉬운 형태나 그냥 멋들어진 형태로만 설계되었으나 오일 쇼크를 겪으면서 기름 값이 뛰기 시작하자 각 자동차 회사들은 항공우주공학에서 주로 다루던 공기역학 이론들을 끌어와 자동차의 외형을 설계, 공기저항을 줄여 자동차들의 연비를 높였다.

과거에는 이러한 공기역학이 물리학의 한 갈래였으나, 현대 물리학은 주로 양자역학 같은 미시 세계에 대한 연구에 주력하는 동시에, 공기역학의 경우 과학적으로 다룰 수 있는 것은 이미 상당한 수가 다루어졌다. 따라서 현시대에서 공기역학은 실질적으로 과학이 아닌 공학의 관점에서 연구가 진행되고 있다. 즉, 완벽한 모델보다는 실제 현상을 '모사'할 수 있는 모델 개발과, 더 정확한 해석을 위한 수치적 모델 개발, 비행체들의 해석, 소음 해석 등을 수행하는 것이 주요 연구 분야이다. 이러다보니 자연스레 공기역학은 (그중에서도 특히 external flow를 다루는 공기 역학은) 항공우주공학의 한 갈래로 자리잡는 추세다. 물론 항공우주공학이 공기에 관한 연구만 한다고 생각하면 큰 오산이다. 항공기나 우주선은 엄청나게 다양한 시스템들이 복잡하게 얽혀 있어 항공우주공학이 다루는 분야도 발이 제법 넓다.

• 전산유체역학 (電算流體力學, Computational fluid dynamics)

유체는 단일 기체로 가정되어 해석되는 경우가 대부분이나, 특수한 경우 화학종 및 화학 반응을 고려하여 해석되는 경우도 있다.

• 공력음향학 (空力音響學, Aeroacoustics)
• 항공기 및 로켓 등의 소음에 관한 음향학적 연구이다.
• 양자역학 (量子力學, Quantum mechanics)

재진입 비행체, 우주 발사체 플룸으로 인한 heating을 해석하기 위해 양자역학과 연계되어 복사 해석이 진행된다.

• 최적설계 (最適設計, Design optimization)

좋은 공력 특성을 위하여 다양한 최적 설계 기법과 연계되는 경우가 많다.

구조역학

구조역학은 항공기의 각 부분에 미치는 힘, 변형, 모멘트, 진동에 대한 구조학적인 문제를 취급한다. 컴퓨터를 사용하여 FEM(Finite Element Method)에 의한 해석도 행해지고 있다. 뛰어난 재료의 개발을 시도하여 재료공학에서 취급하는 피로, 균열 등을 다루고 있어 재료 강도학 등과도 밀접하게 관련한다.

공탄성학

공탄성학(空彈性學, Aeroelasticity)은 항공기 기체 구조의 탄성 변화와 구조에 작용하는 공기력 하중의 상호 작용을 연구하는 학문이다. 공력에 의해 구조물이 변형되는 현상을 고려하여 유동 해석을 한다. 주로 aspect ratio가 큰 구조물에 대하여 공탄성 해석을 진행한다. (비행기 날개, 풍력 터빈, 헬리콥터 로터 블레이드 등) 일반적으로 구조 해석은 계산이 간단하고 잘 발산하지 않으므로 더 어려운 난이도를 가지는 CFD를 전공하는 곳에서 공탄성 해석을 진행하는 경우가 많다. 다만 CFD를 하는 곳에서 공탄성 해석을 진행할 경우 간단한 beam model을 사용하여 구조 해석을 하는 경우가 많다. (Euler beam, Timoshenko beam)

제어공학

제어공학은 비행체 및 그 구성품의 자세, 위치, 속도 등을 원하는 대로 움직이기 위한 기술을 취급한다. 항공기는 비행시 다양한 공기힘에 의해 자세가 바뀌면 그에 따른 반응도 바뀌므로, 이것을 어떻게 제어할지에 대해 다룬다. 보통 제어시스템은 소프트웨어와 전자시스템이 동반되다 보니 은근히 전기전자 쪽과 연계되는 경우도 있다. 또한 항공기의 항법과 관련된 것도 주로 여기서 다룬다. 특히 최근에는 항공기에 제어용 컴퓨터가 필수로 들어가는 데다 무인기, 무인 우주선이 늘어감에 따라 제어공학의 중요성도 커져가고 있다.

정보통신공학

IT의 바람은 항공업계에도 불어닥치고 있다. 날이 갈수록 신항공기를 개발하는 데 드는 돈에는 당장 눈에 보이는 항공기 몸체를 개발하는 것 못지 않게 그 안에 들어가는 소프트웨어를 개발하는 데에도 엄청난 돈이 드는 시대가 되었다. 또한 항공기 개발에 필요한 각종 설계 및 해석용 소프트웨어 개발도 제법 돈이 되기도 한다. 여기에 항공기용 전자장비(항전장비, Avionics)도 도리어 다른 IT 시장의 기술이 접목되는 상황에 이르렀다.

또한 인공위성을 이용하여 통신 서비스를 제공하는 시스템을 필두로 최근 각광받고 있다. 최근 일론 머스크가 CEO로 있는 SpaceX사의 스타링크 서비스가 대표적인 접목의 예시.

항공전자공학

항공전자공학(항공전자 참고)은 항공기의 전기/전자 장비를 제공하고 통합하는 것으로 전원 공급(전기공학), 또는 계기나 무선 NAV/COM(항법·통신)에 대해(전자공학) 다룬다. 컴퓨터의 발달에 따라서 제어 공학과 함께 항공기 개발에 있어서의 중요성이 매우 커지고 있다.

추진공학

추진공학(推進工學, Propulsion engineering)은 로켓 등의 비행체가 추진하는 데 필요한 원리, 시스템과 그 효율 등을 주 목적으로 연구하는 항공우주공학의 한 분야이다.

주로 제트 엔진과 로켓 엔진 같은 분야를 다룬다. 이것들도 결국 공기의 힘을 이용하므로 공기역학과 비슷해 보이지만, 공기역학과는 달리 높은 온도나 다양한 화학반응을 동반한 해석과 실험을 한다. 물론 열역학도 필수. 특히 로켓 엔진 연구자들 중에는 아예 학위를 박사까지 화학공학으로 받고 로켓 만드는 이들도 있다. 로켓의 초창기부터 화학공학의 지식은 기계공학 못지 않은 중요한 분야여서 많은 화공 엔지니어들이 연구에 동원되었고, 많은 이들이 목숨을 잃기도 했다. 잘 알려진 희대의 로켓천재 베르너 폰 브라운의 로켓 동아리에서도 비록 대부분은 기계/항공/전자 전공이었지만 베르너의 동생 마그누스 폰 브라운 등 화학공학 전공자들이 여럿 포함되어 있었고, 우주왕복선의 SRB 제작사인 모턴 타이오콜은 초창기에는 화공 회사였다. 우주비행사들 역시 화학공학 전공자들이 은근히 있다.

• 로켓공학 (Rocketry) : 추진공학 중에서도 특히 로켓 엔진에 관한 심도있는 연구를 한다.

산업공학

최근에는 전통적인 연구와 더불어 산업공학(產業工學, Industrial engineering)적인 색채를 띄는 체계공학(體系工學, System Engineering)도 많이 접목되고 있다. 이는 항공기 및 우주선이라는, 복잡한 시스템이 서로 연계되어 있는 큰 시스템(체계)를 어떻게 최대한 삽질하지 않고 잘 개발할지 연구하는 학문.

항공우주공학과

사실상 항공공학과 우주공학이 합쳐진 학과로, 기계공학과, 전기전자공학과, 정보통신공학과 등이 합쳐진 학제간 연구 분야로 볼 수 있다. 추진공학 쪽으로는 화학공학과과도 관련이 크고 구조 관련으로는 재료공학도 관련이 있다.

다른 공학과와 차별되는 점이라면 공기에 대한 유체역학을 배운다는 점이다. 기본적인 유체역학이나 물, 기름과 관련된 유체역학은 다른 과에서도 배우지만, 아음속-초음속 공기 속에서의 형상에 따른 공기역학은 항공우주공학과를 차별화하는 특징이다. 제어공학도 비행체의 3축 제어 위주로 배우게 된다.

참고자료

• 〈항공우주공학〉, 《학문명백과 : 공학》
• 〈항공우주공학〉, 《위키백과》
• 〈항공우주공학〉, 《나무위키》

같이 보기

• 비행기
• 우주선
• 항공기
• 우주발사체
• 인공위성

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