by
Feb 13. 2022
(6) 날자. 날자. 한 번만 더 날자꾸나-(2)
하윤의 Resolution
우리는 실험이 끝난 후 집으로 돌아오면서, 하늘을 나는 것은 새만의 특권이 아니라는 것을 확신했다.
-오토 릴리엔탈
새처럼 나는 비행기
이전의 글에서, 우리는 새를 보며 비행을 열망한 인간들과 그들이 새의 생물학적인 적응을 응용하여 만들어 낸 인공물인 비행기에 대하여 알아보았다. 이번엔 그 구조가 얼마나 유사한지 살펴보도록 하자.
새가 나는 것을 유심히 살펴보면, '마치 비행기처럼 난다' 는 생각을 할 법 하다. 높은 곳에서 뛰어내리거나 뛰어올라 추진력을 얻고는, 퍼덕이며 양력을 만들고 조용히 활공하며 날갯깃을 비틀어 방향을 전환하는 모습을 보자니 그런 생각이 들 법도 하다. 하지만, 엄밀히 누가 먼저 등장했는지를 따져 본다면, '비행기가 마치 새처럼 난다' 는 말이 더 올바를 것만 같다.
구조적 유사성
새에서 본따서 비행기를 만들었으니, 새의 구조와 비행기 구조를 잘 살펴보면, 그 사이에는 재미있고 놀라운 유사성이 보인다(그림 1). 새가 가지는 날개와 꼬리처럼, 비행기 또한 주익과 미익을 가지고 있다. 이는 비행 안전성을 제공하기 위한 것으로, 비행기가 균형을 잃으려고 한다면 꼬리 날개가 다시 원래 상태로 돌아가도록 만들어 주므로 높은 안정성을 준다¹. 만일 꼬리날개가 앞에 달렸더라면, 약간의 변화가 더 큰 각도 변화를 뒤이어 유도할 것이므로 비행기의 기동은 매우 불안정해질 것이다(이 효과를 이용하기 위해, 재빠른 기동이 필수적인 곡예기나 일부 전투기 등은 앞부분에 카나드Canard 라고 불리는 작은 날개를 달기도 한다(그림 2)).
그림 1. 새 또한 비행기처럼 굽어진 에어포일의 형태를 형성하여 양력을 얻는다. 
그림 2. 카나드(주익 앞부분의 작은 날개 부분) 을 달고 있는 스웨덴 전투기 Saab 37.또한 이전 글에서 앞서 언급했듯 새가 무게 중심을 아래로 조절해 안정적인 비행을 하는 것처럼, 비행기의 화물 중량도 철저하게 계산되고 배치되어 적재된 짐과 연료의 무게 중심이 하단부에 위치하도록 설계되어 있다(심지어, 무게중심 유지를 위해 화물 배치를 고려하는 직업이 따로 존재한다. 로드마스터loadmaster 라고 부른다(그림 3,4)).
그림 3. 항공기 내의 적재 장소에는 다양한 화물이 적재되는데, 흔히 우측에 보이는 ULD에 컨테이너식으로 실려 적재된다. 둥근 동체 내에 맞추기 위해 깎인 모양을 볼 수 있다.
그림 4. ULD 가 적재되는 모습. 짐의 부피와 무게를 고려하여 무게 중심을 알맞게 적재하고, 움직이지 않도록 결속한다. 움직인다면 추락까지 갈 수 있는 중대한 문제다.공기 저항을 줄이기 위하여 가지는 유선형 모습은 말할 것도 없고, 비행기가 이륙 후 공기 저항을 줄이기 위해 랜딩 기어를 동체 내로 접어 넣는 모습도 영락없는 새의 다리를 본떴다. 양력을 제공하는 부드럽게 굽어진 날개의 구조도, 착륙 시 받음각과 양력을 증가시키고 실속을 막는 가변식 장치인 슬랫도, 요, 롤, 피치로 대표되는 항공기의 3 축을 제어하는 조종용 보조 날개인 러더, 에일러론, 엘리베이터와 같은 것들도 결국 근육이 아닌 유압 장치, 깃털이 아닌 금속 판으로 형태만 바뀌었을 뿐 새가 이용하는 것과 근본 원리는 같다².
심지어 인간은 수많은 비행과 시행착오를 거쳐 1970년대 후반에서 80년대가 되어 장착한 윙렛(wing에 지소사 let 을 붙인 단어로, 비행기 날개의 끝부분에 꺾여 올라간 작은 날개 부분이며, 와류에 의해 발생하는 항력을 줄여 비행 효율을 높인다고 알려져 있다)의 원리를 이미 새들은 이용하고 있었다(그림 5,6). 그뿐 아니라, 집단으로 비행하는 새는 이와 같은 와류를 역으로 이용하여 효율적으로 비행하는 v 자형 편대를 그린다고 알려져 있었는데, 이러한 편대 비행을 통해 30퍼센트에 달하는 에너지를 절약하고, 71% 나 더 긴 장거리 비행을 담당할 수 있다고 알려져 있다. 실제로, 여러 전투기가 편대 비행을 할 때 이용하는 것 또한 v 자형 편대다(약 15% 의 연료 절약이 가능하다고 한다).
그림 5. 비행기의 날개 끝에는 날개의 기압차 때문에 소용돌이 모양의 와류가 발생한다. 윙렛은 이 와류를 해소해 주어 비행 효율을 높인다고 알려져 있다.
그림 6. 새가 가지는 윙렛 형태의 날개 배치.그뿐일까, 비행기가 착륙할 때, 대형 여객기의 경우 300톤에 달하는 무게와 시속 300km 에 가까운 속도를 짧은 활주로에서 안전하게 정지시키기 위해 다양한 장치들이 동원된다. 개당 120kg 에 달하는 수십 개의 튼튼한 고압 질소 타이어와(그럼에도 300번쯤 착륙하면 교환한다. 대형기의 경우 타이어 교체 비용만 몇 억에 달한다) ABS 브레이크 시스템은 물론이요(그림 7), 날개 윗쪽의 스포일러로 공기 저항을 높여 감속하고 바닥에 밀착력을 높이고 프로펠러 또는 제트엔진의 역추진을 통해³ 빠르게 감속할 수 있다(그림 8). 새의 착륙 과정을 보면, 비행기와 마찬가지로 날개와 꼬리깃을 크게 펼쳐 항력을 높이면서, 날갯짓을 앞쪽으로 하여 일종의 역추진을 함으로써 감속하는 것을 볼 수 있다.
그림 7. 전 세계 딱 한 대 존재하는 안토노프-225 수송기, 무려 600톤에 달하는 최대이륙중량을 가지며⁴ 이 무게를 온전히 받쳐내기 위해 32개의 타이어를 가진다. 
그림 8. 비행기 엔진의 역추진장치. 열린 부분을 통해 공기를 전방으로 배출하며 빠르게 감속할 수 있고, 심지어 후진도 가능하다⁵!새의 비행 원리
그렇지만, 새는 어떻게 나는 것일까? 비행기는 제트 엔진이나 프로펠러를 통해, 후방으로 공기를 밀어내며(제트 엔진은 연소의 열을 통해, 프로펠러는 물리적 힘을 통해) 반작용으로 전진하고, 이 과정에서 양력을 얻는다. 새는 이와 같은 엔진이 없으므로, 날개를 펄럭이며 아래로 공기를 밀어내고 그 반발력으로 비행하게 된다(사실, 비행기가 새와 같이 날개를 움직이기에는 기술적 문제가 있으므로 고정익과 엔진을 만들어 낸 것이 맞겠지만 말이다(그림 9)).
그림 9. 날개의 구조가 어떻게 퍼덕임을 양력으로 전환하는지에 대해 밝히고, 이를 통해 인공 새 로봇을 만든 논문(L. Matloff et al., Science, 2020)⁶그런데, 여기서 한 가지 흥미로운 질문을 던질 수 있다. 판을 하나 들고, 위 아래로 움직여 보면, 분명 아래로 판을 움직일 때는 공기를 밀어내겠지만, 위로 판을 들어올린다면 그와 똑 같은 만큼 공기를 위로 밀어낼 것이다. 즉, 힘을 전혀 얻을 수 없는 셈이 된다. 그렇다면 새들은 어떻게 비행할 수 있는 것인가? 이 답을 얻기 위해서는, 새의 깃털을 자세히 살펴 보아야 한다. 새가 비행을 할 수 있게 된 것은, 새의 비행용 깃털에서 시작된다.
새의 비행깃은 날개에 달린 큰 깃털로, 새의 ‘손manus’에(치킨을 보고 설명하자면, 날개의 제일 끝에 붙은 삼각형 모양의 구조) 붙은 9-11 개의 일차 비행깃과 ‘팔’에(인간으로 치면 하완으로, 치킨의 ‘윙’에 해당하며 2개의 뼈로 이루어져 있다. 이 중 몸에 가까운 쪽인 자뼈ulna 쪽에 붙어 있다) 붙은 6-40 개의 이차 비행깃으로 나뉜다(그림 10). 비행깃은 다른 깃털과는 다르게, 대칭적으로 생기지 않고 비대칭성을 가지고 있다. 이 비대칭성이 양력을 제공하는 중요한 역할을 하는데, 비대칭 구조로 인해 아래로 공기를 밀어낼 때에는 판판하게 펴지며 공기를 밀어낼 수 있고, 위로 날개를 들어 올릴 때에는 깃판이 길게 붙은 쪽으로 회전하며 수월하게 공기를 통과시켜 비대칭적 힘을 만들어 낼 수 있기 때문이다(그림 11).
그림 10. 새의 주된 비행 방식에 따라 날개의 모양 또한 변화한다. 색을 통해 깃의 분류를 보기 쉽게 정리해 두었다.
그림 11. 비대칭성 비행깃이 양력을 만드는 원리.재미있게도, 이 때의 깃털이 배열된 구조를 세심하게 살펴본다면, 모든 새에서 비행깃은 몸 안쪽을 향하는 쪽이 더 깃판이 넓고, 바깥쪽 깃털은 안쪽 깃털의 위로 겹쳐진 구조를 확인할 수 있다. 이는 비행 시에 몸 안쪽으로 공기를 모음으로써, 다음 번 날개를 들어 올릴 때 하단의 진공에 의한 항력을 감소시키기 위함이라고 추정된다. 또한, 새의 비행 과정을 고속 카메라로 확인해 보면 우리의 생각처럼 단순히 위아래로 퍼덕이는 것이 아니라, 날개를 들어 올릴 때는 접어서 유선형으로 들어 올림으로써 공기 저항을 더 낮춘다(그림 12).
그림 12. 새와 박쥐의 날갯짓 방향 추적. 단순히 위아래로 퍼덕이는 것이 아니라, 타원형 궤적을 그리며 이동한다는 것을 볼 수 있다.이뿐 아니라, 새의 꼬리깃 또한 비행에 중요한 역할을 제공한다. 비행 시에 높게는 30% 에 달하는 추력이 꼬리깃을 통하여 제공된다고 하며, 또한 비행기가 이착륙할 때 추가적인 양력을 얻기 위해 플랩을 펴는 것처럼 새 또한 꼬리깃을 이용하여 이착륙 시의 양력을 섬세하게 조절할 수 있다. 순간적으로 꼬리깃과 비행깃의 각도를 조절함으로써, 재빠른 선회와 같은 자유롭고 부드러운 운동을 할 수 있으며, 이는 새가 포식자로부터 도망가거나⁷, 먹잇감에 접근하는 데 있어 큰 도움이 되었을 것이다. 이와 같은 여러 가지 전략을 이용하여 새는 날갯짓을 통해 양력을 얻는다.
새로부터 배우기
이렇게 비행을 위한 새의 몸 구조는 매우 효율적으로 설계되었으며, 인간의 비행기 또한 다른 비행에 알맞은 날개를 가지고 설계된 것처럼, 서로 다른 전략으로 비행하는 새마다 다른 형태의 최적화된 날개의 모양을 가지고 있다.
예컨대 멀리까지, 장기간 활공하도록 만들어진 글라이더의 길고 얇은 날개처럼, 장기간 활공하며 공중에 머무르는 알바트로스는 유사한 형태의 긴 날개를 가지고 있다⁸. 이런 생물학적 적응을 통해, 새들은 놀라울 정도의 기록들을 보유하고 있는데, 그 외양만 보아도 무게는 2그램 정도인 벌새부터 150 킬로그램에 달하는 타조까지 다양하며, 알바트로스는 그 날개 폭이 3.6 미터에 달한다. 철새인 북극제비갈매기는 매년 8만 킬로미터 가까이 이동하며, 일생 동안 240만 킬로미터를 이동한다. 일부 송골매는 시속 389킬로미터의 낙하 기록을 가져 제일 빠른 생물로 기록되어 있고, 흑꼬리도요는 평균 시속 90km의 속도로 11일간 착륙하지 않고 1만 2천 킬로미터를 비행한 기록을 가지고 있다(그림 13). 루펠독수리는 비행기의 비행 고도를 뛰어넘는 해발 11,300 미터 상공을 비행하며, 많은 새들은 이렇게 고고도로 비행해 히말라야와 같은 산맥도 넘어 다니곤 한다.
그림 13. 흑꼬리도요의 비행 기록. 지구 둘레의 30% 에 달하는 길이를 11일 간, 착륙 없이 비행한 기록이다.