항공우주학의 세부분야 - 공기역학, 구조역학, 추진/열역학
1. 항공우주학의 세부 연구분야 및 역할
1장에서도 기술했듯이 항공우주학의 특징은 체계종합에 대한 비중이 매우 높다는 겁니다. 항공우주학의 여러 세부 분야는 한 분야의 연구결과가 다른 분야의 연구에 필요한 자료가 되고, 여러 연구분야를 통합하는 체계종합적 다학제 연구가 유기적으로 이루어집니다. 항공기가 위성 또는 발사체에는 공기역학, 구조역학, 추진/열역학, 제어/동역학 등이 있습니다. 그외 항공기의 항법, 통신 및 센서 분야를 연구하는 항공전자 분야와 항공기 비행영역인 공역에서의 항공기 운항에 대한 효율적인 통제 및 관리에 대한 연구를 하는 항공운항 분야도 있습니다. 이러한 세부 분야들은 항공우주시스템의 최적화를 위해 서로 조정 통제됩니다.
2. 공기역학
공기역학 분야는 공기 중을 비행하는 비행체 주위의 공기흐름에 의한 공기력을 예측하고 비행체의 성능을 향상시킬 수 있는 비행체의 설계 등에 대해 연구하는 분야로 이러한 연구 방법에는 풍동을 이용한 실험적 연구방법과 전산유체역학과 같은 해석적인 연구방법이 있습니다. 실험적 연구방법의 예시로는 국방과학연구소의 천음속 풍동과 항공우주연구원의 아음속 풍동이, 해석적 연구방법에는 전산유체역학 해석을 이용한 해석으로 얻은 F-18과 유도무기 주위의 압력계수와 가상 유동장 선도가 있습니다.
공기역학의 연구분야는 비행체의 형상 설계와 설계된 비행체의 공기력에 대한 해석이므로 비행체 설계의 출발점이라고 할 수 있으며 공기역학 분야의 연구결과는 구조역학 분야의 구조설계를 위한 입력자료가 됩니다. 제공된 공기력은 무게에 의한 관성력과 함께 비행체 구조설계를 위한 하중으로 사용됩니다. 조종면의 변위에 따른 공기력 변화인 조종력은 비행체 제어계설계의 기본이 되는 자료입니다. 공기역학에 사용되는 전산유체역학 해석기법은 추진기관의 해석에도 직접 사용이 가능하며, 추진기관의 영향에 따른 비행체의 성능을 해석할 경우에는 두 연구분야의 공동연구가 요구됩니다. 앞에서 언급했듯 비행체 설계의 체계종합적인 특성으로 항공우주학의 세부 연구분야는 이처럼 매우 밀접한 관계를 가집니다.
3. 구조역학
공기 중이나 우주의 안전한 비행을 위해서는 비행체 구조가 충분한 강도와 강성을 가져야 하며 최상의 비행성능을 위해 최대한 가볍게 설계해야 한다는 어려움이 뒤따릅니다. 기체의 각 부품이 적합한 강도와 강성을 갖도록 설계하려면 각 부분에 작용하는 하중을 정확하게 측정해야 합니다. 기체에 작용하는 하중에는 공기력, 추력, 관성력, 조종 계통 구동기로부터 전달되는 힘, 열 하중, 지면으로부터의 반력 등 여러 가지가 있습니다.
항공기를 운용하는 중에는 기체의 표면에 작용하는 표면력과 내부 전체에 분포하는 체적력으로 인해 기체 각부에 발생하는 하중의 특성과 크기를 정확히 계산해야 합니다. 하지만 각 하중은 항공기의 기동과 자세에 따라 변화하므로 모든 비행 상태에 대하여 항공기 구조의 안전도를 입증할 수 없음으로, 예상되는 항중 중에서 가장 위험한 상태인 몇 가지 경우에 대해서만 안전도를 확인하는 방법을 사용합니다. 항공기에 작용하는 힘의 방향과 크기에 의해 항공기 구조 형태가 결정되며 정해진 구조가 비행 중에 작용하는 힘을 충분히 견딜 수 있는지 정확히 해석하고 구조 시험을 통해 이를 입증해야 합니다.
4. 추진/열역학
추진/열역학 분야는 비행체가 대기중이나 우주 공간을 비행하는데 필요한 힘이나 동력을 발생시키고 제공하는 것에 대한 것들을 연구하는 분야입니다. 비행체 주위에 공기력이 발생하기 위해서는 비행체의 전진속도가 필요한데, 항공기가 로켓 등 비행체가 전진할 수 있도록 하는 힘을 보통 추력이라고 하며, 이와 관력된 분야를 추진분야라 합니다. 여기에는 시스템 수준의 추진기관과 이를 구성하는 각종 구성품, 시스템 또는 구성품을 작동시키는 다양한 공학적 원리를 개발하거나 연구하는 것이 포함됩니다. 추진기관은 다양한 비행체의 다양한 엔진, 로켓, 추력기 등 추력을 제공하는 하나의 시스템으로서, 각 시스템을 이루는 구성품에는 연료나 추진제, 점화기 연소기, 분사기, 노즐 등이 있습니다.
추진 분야는 대부분 연료 등을 연소시키며 발생되는 가스를 활용하여 힘이나 동력을 발생시키는 것을 기본으로 하기 때문에, 성능이 우수한 추진기관 개발을 위해서는 효과적인 에너지 변환과 활용이 중요하며, 이와 관련하여 열과 일의 관계를 다루는 열역학이 기본으로 포함됩니다. 이외에도 활용 목적에 부합하는 연료 개발, 연료와 산화제를 이용한 효율적인 연소과정, 연소과정으로부터 발생된 고온, 고압의 가스를 운용하는 장치나 이를 운동에너지로 변환하는 장치의 개발 등 추진 분야는 열-유체 분야 외에도 화학, 물리, 구조, 공력, 제어 등 매우 다양한 분야가 유기적으로 연결됩니다.
일반적으로 추진 분야의 개발이나 원리의 이해에 있어서도 다양한 실험이나 전산해석을 통한 연구가 수행됩니다. 해당 구성품이나 시스템에 따라 유동이나 연소과정을 분석하는 전산유체역학이나 화학반응해석 등의 전산해석기법이 널리 활용되며, 풍동을 이용한 유동 또는 연소 실험, 로켓의 지상연소 실험 등 실험적 연구도 다양하게 수행됩니다. 미국 나사에서 수행한 기스터빈 연소기 내 연소 과정을 전산해석을 통해 모사한 연구가 그 예시입니다. 특히, 최근에는 컴퓨팅 기술이 크게 발전하면서 대용량의 해석이 가능해짐에 따라 추진기관 전 시스템에 대한 전산해석 연구가 널리 수행되고 있습니다. 한국항공우주연구원에서 개발 중인 한국형 발사체에 탑재되는 75톤급 액체로켓 엔진의 지상연소시험이나, 미국 나사에서 수행한 스크램제트엔진의 풍동 시험등이 그 예입니다.
이 외의 분야는 다음장에서 뵙겠습니다.