최신 항공기를 통해 알아보는

윙렛과 저소음노즐의 원리

국내에도 도입된 에어버스 A380을 보면 주날개 끝에 작은 지느러미 같은 것이 붙어 있다. 이런 게 달린 비행기는 A380 하나 뿐이 아니라 이런저런 기종에 붙어 있다.

이것의 정식명칭은 윙렛이다. 그러면 윙렛은 어떤 역할을 하는 것일까? 답은 날개 끝에서 생기는 와류(공기의 소용돌이)를 없애기 위해서이다.

여객기의 제트추진화, 아음속화가 이루어지면서, 그 날개는 높은 속도에서 받는 심한 공기 저항을 줄이기 위해 후퇴각이 들어가고, 끝단으로 갈수록 두께와 앞뒤 길이가 좁아지는 디자인을 취하게 되었다. 문제는 이런 주날개에서는 와류(공기의 소용돌이)를 날개끝 부분으로 몰아가 발생시킨다는 점이다.

항공기 날개 윗면의 공기는 날개 아랫면의 공기보다 빠르게 흘러 상승기류를 만들어낸다. 현대 여객기의 날개는 앞서 말했듯이 후퇴날개이므로 이 상승기류는 날개의 후퇴각을 타고 날개 끝으로 흐르게 된다. 그런데 현대 여객기의 후퇴날개는 그 끝이 무척 좁고 날카로우므로 날개 끝까지 간 상승기류를 안정시킬 수 없다. 결국 이 상승기류가 제멋대로 꼬여 와류를 만들어내는 것이다.

와류는 여러 면에서 항공기에 좋지 않다. 우선 날개 끝에 소용돌이가 치고 있으므로 날개 끝 구조물이 그 바람의 힘을 받아 약해진다. 그러나 더욱 좋지 않은 점은 날개끝 와류가 항공기 날개 위쪽과 아래쪽의 기압 차이를 줄여 양력을 줄인다는 점이다. 이는 항공기의 상승력과 연료 효율, 그리고 조종 특성에 부정적인 영향을 준다. 따라서 상승과 가속에 더 많은 에너지, 즉 연료를 써야 한다. 게다가 날개 끝에서 실속현상이 일어나 날개 뿌리부분의 상승을 가져와 기수가 갑자기 들리는 현상을 유발할 수 있다. 또한 날개 끝부분에 위치한 보조익 에일러론의 작동도 방해한다. 이래저래 쾌적하고 안전한 조종을 원하는 조종사에게는 와류는 골치아플 수밖에 없다.

그러던 중 1952년, 지그하르트 회너 박사는 뒤로 휘어진 하향식 윙렛을 달면 와류를 억제할 수 있다는 이론을 발표했다. 날개 끝에 거의 수직으로 윙렛을 세우면 날개 끝에서 위로 올라오던 와류를 막아 층류로 바꾼다. 즉, 낮은 기압의 날개 위 공기와 높은 기압의 날개 아래 공기가 만나는 지점을 옮김으로서 날개끝에도 층류를 생성, 날개끝 와류를 진정시키는 것이다. 와류가 줄어들면서 양력 발생에 따라 생기는 저항력인 유도항력이 감소, 연료 효율도 높인다(약 14%의 연료절약 효과가 있다고 한다). 또한 이렇게 와류를 진정시킴으로서 항공기 주변의 공기흐름을 개선하여 주변 항공기의 안전을 확보하고, 조종 특성을 개선한다.

이 중 연료절약이라는 측면 덕에, 지난 1973년의 오일쇼크 이후 윙렛의 실용화 연구에는 박차가 가해졌다. 윙렛이 설치된 여객기 중대표적인 기종은 A380 외에도 에어버스 A340과 보잉 747-400 등이 있으며, 그 외에도 이루 열거할 수 없을 만큼 다양한 여객기, 수송기, 글라이더, 경비행기 등이 윙렛을 사용하고 있다.

지난 2011년 서울에어쇼에 참가해 화제가 된 보잉 787의 경우, 쉐브런 노즐이라고 하는 특이한 노즐을 하고 있다. 노즐 가장자리가 마치 톱날처럼 깔쭉깔쭉하다. 이 노즐은 다른 이름으로는 저소음노즐이라고도 부른다.

저소음 노즐은 NASA에서 개발한 것으로, 엔진 노즐의 톱날같은 부위가 엔진 중심부의 연소실에서 나온 뜨거운 공기를 엔진 팬에서 나온 차가운 공기와 섞어 엔진에서 발생하는 난기류를 줄여 소음을 줄이는 역할을 한다. 이는 항공기의 공해요소 중 하나인 소음공해를 크게 저감시킨다.