AI시대 비행기

  

I. 동기

현재 세계는 수송 기술의 비약적인 발달로 인해 전 세계를 하루 만에 갈 수 있을 정도로 일일생활권이 축소되었으며, 이러한 발달의 중심에 서 있는 것이 바로 비행기이다. 비행기는 대형화, 고속화, 연료 절약, 소음경감 등을 목적으로 성능 면에서는 더욱 뛰어나고 안전한 비행기로서 지속적인 발전을 거듭하고 있다. 초음속 수송시대가 진행되고 있는 만큼, 비행기의 발전 가능성이 과연 어디까지인지 알아보고 싶었고 요즘 이슈인 비행기 추락 사건 등과 같이 여러 방면에서 탐구해 볼 부분이 존재하는 것 같아 비행기라는 주제를 선정하게 되었다.
 

Ⅱ. 본론
비행기가 나는 원리
비행기가 뜨는 데에 영향을 주는 힘은 양력, 항력, 무게, 추력 이렇게 크게 4가지로 구분된다.
먼저 양력이란 아래서 자세하게 설명하겠지만 공기 중을 가르며 이동하는 방향에 수직으로 작용하는 힘을 말한다. 양력은 기압의 차이에 의해 만들어진다.
두 번째로 항력은 운동 방향과 반대되는 힘을 말하는데 공기의 마찰인 셈이다. 항력은 마찰과 기압의 차이에 의해 생성되어, 이러한 공기의 마찰을 줄이기 위해 자동차뿐만 아니라 비행기의 모양이 유선형을 갖게 된 것이다.
 세 번째로 무게는 중력의 힘이다. 항공기가 뜨려면 항공기의 무게와 같은 양의 양력이 필요하다. 네 번째로 추력은 비행체를 운동 방향으로 밀어내는 힘을 말하는데 이는 엔진의 추력을 만드는 것과 관련이 있다.
 
① 양력과 뉴턴의 제3의 법칙
비행기의 날개는 특징적인 모양과 공기와 맞닥뜨리는 각도를 통해 비행기가 공중에 떠오를 수 있도록 하는데 결정적 역할을 한다. 움직이는 비행기 날개 주변에는 날개로 접근하는 공기의 흐름을 보인다. 날개는 앞쪽이 위쪽으로 적당한 각도로 들려 있을 뿐만 아니라 날개 모양의 곡면 때문에 날개로 접근하는 공기의 흐름을 변화시킨다. 날개로 접근하는 공기의 흐름은 날개 앞부분에서 날개와 부딪혀 두 갈래로 나뉘게 된다. 한 갈래의 공기의 흐름은 날개 위 곡면 모양을 따라 흐르게 되고, 다른 하나는 날개에 부딪혀 날개 아래쪽으로 꺾이게 된다.
 이때 날개와 꺾인 공기는 작용 반작용 법칙인 뉴턴의 제3법칙에 의해 상호작용을 하여 비행기를 공기 중으로 띄우는 힘인 양력을 발생시킨다. 날개는 공기의 흐름을 날개 아래쪽으로 꺾이게 하기 위해서 공기에 힘을 작용하고, 공기는 같은 크기의 힘을 방향만 반대로 날개에 반작용하게 된다. 이 반작용에 의해 날개에 생기는 힘 F가 비행기를 공기 중으로 떠오르게 하는 양력이다.
 지금까지 설명한 비행기 날개에 작용하는 양력은 비행기가 정지해 있을 때는 생기지 않는다. 비행기는 어느 속도 이상으로 움직일 때에만 자신의 무게를 이기는 양력을 발생시킨다. 비행기는 자신의 무게를 이기고 하늘로 떠오를 수 있는 최소한의 속도 이하에서는 비행할 수가 없으므로 최소 속도 이상이 될 때까지는 지상에서 활주를 한 후 이륙하게 된다. 착륙할 때에도 마찬가지로 지상 활주가 필요하다.
 비행기가 추락하지 않고 착륙하기 위해서는 비행기 무게와 같은 크기의 양력을 유지한 채 지상에 접촉해야 한다. 그러므로 비행기가 땅에 닿는 순간 속도는 최소 속도 정도일 것이다. 최소 속도 정도로 땅에 닿은 비행기는 속도를 줄여 정지하기 위해 지상 활주가 꼭 필요하다.
 
② 베르누이의 정리
1738년 스위스의 물리학자인 베르누이는 그의 저서 유체역학에서 유체의 흐름이 빠른 곳의 압력은 유체의 흐름이 느린 곳의 압력보다 작아진다는 이론을 설명하고, 유체의 위치에너지와 운동에너지의 합은 항상 일정하다고 밝힘으로써 ‘베르누이의 정리’를 공식화하였다.
 베르누이의 정리는 비행기의 양력이 발생하는 원리를 설명한 것인데, 비행기 날개의 위쪽은 약간 굴곡이 져 있기 때문에 공기의 흐름이 빨라져 압력이 작아지고, 날개 아래쪽은 직선으로 돼 있어 공기의 흐름이 느려 압력이 크다. 따라서 압력이 작은 쪽으로 이끌려 위로 올라가는 힘인 양력이 발생하여 비행기가 떠오를 수 있다는 것이다. 즉, 기압차가 생기기 때문에 비행기 날개가 위로 들어 올려지는 것이다.
 
 기술 공학 분야
먼저 비행기의 역사, 즉 과거의 비행기에서 어떻게 현재의 비행기로 이룩했는지에 대해 알아보았다. 하늘을 나는 것은 인류의 환상적인 꿈 중 하나였으며 그 꿈을 실현하기 위해 많은 사람들이 비행기 제작 기술에 힘을 쏟았고 그 결과, 비행기의 형태는 여러 가지로 나뉘었다. 제일 처음 등장한 비행기의 형태는 열기구였으며 그 이후에 차례로 글라이더, 낙하산 등의 형태가 등장하였다.
 그 후, 실질적인 비행에 성공한 세계 최초의 비행기는 미국의 라이트 형제가 만든 플라이어호로, 1903년 12월 17일 미국 티호크에서 오빌이 조종하여 12초 동안에 36m를 비행하였다. 그 이후 1927년에 린드버그가 뉴욕과 파리 사이의 대서양 무착륙 횡단에 성공하였으며, 당시 개척되지 않은 항공로의 기록비행으로 대양횡단, 북극횡단, 세계 일주 등이 성행하였다.
 제 1차 세계대전 때는 전투기가 정찰 및 지상 공격용으로 쓰이면서 1920년대에 비행기의 직접적인 실용화가 이루어졌으며, 이에 대한 연구와 시험비행으로 1930년대에 비약적인 발전을 하여 근대적인 기반을 구축하였다. 그 주요 원인에는 첫째, 고양력장치로 이착륙거리를 단축시킨 것이다.
 둘째, 바퀴를 비행 중에는 날개나 동체 속에 집어넣고 공기저항을 감소시켜 비행성능을 향상시켰다. 셋째, 비행 중 프로펠러의 각도를 바꾸어 어떤 비행상태에서도 적응할 수 있게 하여 비행효율을 향상시켰다. 넷째, 높은 고도에서는 공기가 희박하여 여러 기관의 출력이 저하되므로 이를 방지하여 기관의 출력을 증가시켰다.
 마지막으로 강력하고도 가벼운 두랄루민 박판을 사용하여 금속비행기를 생산하게 되었다. 비행기의 발전은 제 2차 세계대전에서도 멈추지 않았으며, 그 영향으로 비행기의 성능 및 실용성은 완벽해졌는데, 특히 전쟁 후에 급속히 실용화된 제트기와 각종 전자장치를 이용한 항법장치의 등장은 비행기가 지상이나 해상의 교통수단과 대등한 지위를 확보하는 데 공헌하였다.
 과거로부터 발전된 비행기는 현대에 이르러 지속적인 발전을 이루고 있다. 물론 과거의 발전 속도에는 미치지 못하지만, 현대에는 발전 속도보다 더욱 중요한 부분이 있다. 바로 안전성이다. 현대의 안전성 부분에서 어떤 발전이 행해졌는지 알아보도록 하겠다.
 첫째, 오늘날의 비행기 좌석과 이를 바닥에 고정하고 있는 볼트는 중력의 16배까지의 힘을 견딜 수 있도록 설계되었다. 이것은 좌석이 충돌하는 동안에 파손되어 승객을 압사시키는 것을 방지하는 역할을 한다.
 둘째, 카펫과 좌석 쿠션은 현재 천천히 연소하는 난연 재료로 만들어져서 화염을 더 느리게 확산시키며, 유해하고 위험한 기체를 방출하지 않는다.
 셋째, 비행기의 문은 개방하기에 훨씬 더 쉽고 간단하여 승객은 신속하게 빠져나갈 수 있다. 그리고 비행기의 바닥에는 출구에 도달할 때까지 흰색에서 적색으로 변하는 조명을 갖추고 있다.
 넷째, 오늘날 많은 항공사에서 승무원은 충돌 시뮬레이션을 연기로 가득 찬 실제 크기의 모델에서 수행한다. 마지막으로 항공기 공학자들은 과거의 비행기 사고로부터 구조적 약점을 살펴보았으며, 이 부분을 강화하였다. 이 외에도 지상 근접 경고 시스템, 조종석 레이더 시스템, 지상에서의 레이더 시스템 등과 같은 여러 가지 항공 기술의 발전은 현대의 비행기가 존재하게 하였으며 항공업계에 있는 사람들은 종종 비행 중보다 공항으로 운전하는 중에 사망할 확률이 더 높다고 말한다.
 항공 교통에 대한 수요가 계속 증가하는 한, 비행기는 부담 없는 가격, 환경친화적인 항공 비행이 가능케 할 수 있도록 우리는 항공기 설계, 운용, 에너지 관리 측면에서 커다란 변화를 거듭하지 않으면 안 된다. 물론 그중에서도 가장 중요한 것은 탄소 배출을 줄이는 것이다.
 미래 세대의 비행기는 새로운 환경친화적 대체연료가 개발되어 기존 화석연료를 전혀 사용하지 않아도 될 때까지는 한 방울의 연료라도 아껴야 한다. 초음속 비행기, 극초음속 비행기, 수소연료 비행기, 그리고 하늘의 크루즈선 등등 여러 가지 비행기 모델이 있지만, 에어버스 모델에 대해서 소개해보려고 한다. 에어버스 형태의 비행기는 다음과 같은 기술적 진보를 포함하고 있다.
 아주 길고 가는 날개, 반쯤 기체에 묻혀 있는 엔진들, U자 모양의 꼬리 날개 그리고 가볍고 지능적인 동체 등 이 모든 것들이 기존의 성능이나 친환경 효율을 획기적으로 개선할 것이다. 또한, 모양이 복잡하고, 새로운 첨단 소재가 사용되어도 새로운 제작 기술을 통해 항공기 제작 비용은 줄어들 것이다. 물론 이러한 형태가 모두 동시에 하나의 항공기에 나타날 확률은 분명히 있다. 그러나 그것은 엔지니어들이 무한히 사고를 늘리고, 지금의 한계 너머까지 생각을 밀어붙일 때 더 좋은 기술이 생겨날 수 있는 것이다.
 
 수학분야
 현대 과학기술로도 찾지 못한 이 여객기를 수학자들은 18세기에 등장한 수학 방정식으로 찾을 수도 있다고 주장하고 있다. 그 주인공은 베이즈 정리로, 이전 경험과 현재의 증거를 토대로 어떤 사건의 확률을 추론하는 데 주로 사용된다.
 이 베이즈 정리가 수면 위로 떠오른 이유는 지난 2009년 항공기 실종 사건 때 큰 공을 세웠기 때문이다. 당시 프랑스 파리를 출발해서 브라질 리우데자네이루로 향하던 에어 프랑스 447기가 대서양 위에서 사라졌는데, 2년이 지난 2011년에야 겨우 추락 예상 범위를 스위스의 면적 정도로 좁히는 데 그쳤다.
 이에 사고 관계자가 베이즈 정리를 연구하고 있는 미국 메트론 연구소의 로렌즈 스톤 박사에게 자문을 구했고, 5일 만에 바로 블랙박스가 발견되었다. 연구소에서는 풍속, 해류, 기존의 비행 패턴 등을 베이즈 정리에 대입해 분석했고, 그 결과 무려 1만 2,000피트 아래 깊은 바닷속에 있는 블랙박스를 찾아낼 수 있었다.
 따라서 수학자들은 이번 경우에도 베이즈 정리를 활용해 실종된 여객기를 찾을 수 있을 것이라고 기대하고 있다. 최근 구글에서 개발한 운전이 필요없는 자동차나 주가 예측에도 베이즈 정리가 성공적으로 활용된 적이 있어 기대가 더 높다.
 하지만, 미국 스탠퍼드대 통계학과의 브래들리 에프론 교수는 현재 수학자들이 바다 위 유출된 기름의 모양을 보고 베이즈 정리에 대입하고 있다며, 유출된 기름이 여객기와 무관하다고 밝혀진 만큼, 베이즈 정리를 활용하기엔 아직까지 단서가 부족하다고 덧붙였다.
 항공기에서는 지표면상에 존재하는 두 지점 간의 거리를 구하고자 할 때 지구의 곡률에 의한 오차를 고려하여 계산을 한다. 지구는 3차원 입방체이기 때문에 지상 표면상의 임무에 필요한 특정 지점이나 지상의 표적들은 곡률에 의한 오차가 발생하게 된다. 항공기의 경우는 지상의 표적이나 특정 지점은 매우 중요한 정보가 되기에 한 치의 오차도 없이 정확한 계산이 이루어지게 된다. 이는 항공기 안에 임무 컴퓨터라는 장비를 통해서 항공기와 어느 특정 지점 또는 표적 간의 거리를 실시간으로 계산을 하게 된다. 이에 대한 정보를 조종사에게 제공하게 된다.
 이러한 지구의 곡률을 고려하여 정확한 거리 계산이 사용되는 예를 살펴보자. 항공기는 지표면상의 표적을 발견하고, 공대지 폭탄 투하를 표적에 하게 된다. 이때 항공기와 표적 간의 정확한 거리 정보가 제공되지 않는다면 표적 폭파는 실패에 이르게 되어 값비싼 폭탄의 낭비뿐만 아니라 반대로 적 위협의 대상이 될 수도 있다.
 만약에 지구 곡률을 적용하지 않는 경우에는 아래의 그림과 같이 조종사가 목표로 하는 표적을 벗어난 다른 지점에 폭탄이 떨어지게 된다. 전투기는 표적에 대한 정확한 타격이 필수적이므로 폭탄 투하 정확성을 높이기 위해서는 표적 거리 계산에 지구 곡률식이 필요하다.
 
참고자료: 국회도서관 자료