공식적으로 1903년, 라이트 형제가 첫 비행에 성공한 이후 항공기 기술은 눈부신 발전을 거듭해 왔습니다. 지금의 항공기는 그야말로 현존하는 최고의 과학과 공학 기술이 집약된 결정체라고 할 수 있습니다.
최근 해외에 일이 있어 비행기를 타고 가던 중 우연히 창밖의 바퀴가 눈에 들어왔습니다. 거대한 비행기에 비해 너무도 작아 보이는 바퀴, 그것도 뒤에 2개 앞에 1개뿐이었습니다. 그런데 이 3개의 작아 보이는 바퀴로도 항상 문제없이 착륙을 하고 있다는 사실이죠.
과연 이렇게 작은 바퀴 세 개로 무려 수백 톤에 달하는 거대한 항공기의 무게와 착륙 충격을 버텨낼 수 있는 걸까요?
1. 비행기 바퀴는 정말로 작은 것일까?
무심코 바라본 창 밖의 바퀴는 '어라? 바퀴가 생각보다 너무 작은데? 정말 착륙에 문제가 없는 걸까?'라는 의구심이 드는 것도 사실입니다. 실제로 보잉 777과 같은 대형 항공기의 바퀴 지름은 약 1.2m 정도로, 청소년의 키 정도입니다. 그런데 이륙 중량은 약 300~350톤을 넘는다는 사실을 고려하면 바퀴가 너무 작다는 의문이 들 수밖에 없습니다.
그렇다면 왜 바퀴를 더 크게 만들지 않을까요?
1-1. 공기저항과 무게의 최소화
비행기는 하늘을 날아가야 하기 때문에 공기저항을 최소화해야 하며, 바퀴는 이륙 후 기체 내부로 들어가야 합니다. 무게는 항공에 작고 가벼운 바퀴일수록 연료 효율성과 비용측면에서도 유리하기 때문에 안정성 범주 안에서 가능한 작고 가벼운 바퀴가 유리하기 때문입니다.
1-2. 사용 시간이 짧음
비행기 바퀴는 도로 위의 자동차처럼 하루 종일 지면 위를 달리지 않습니다. 이륙과 착륙 시 몇 분 정도만 바닥에 닿기 때문에, 아무래도 내구성보다는 순간 충격에 강한 구조로 설계됩니다.
1-3. 충격 흡수 능력
바퀴가 클 수록 무조건 충격 흡수력이 더 큰 것은 아닙니다. 의외로 작은 바퀴가 착륙 시 충격을 효과적으로 흡수할 수 있는데, 이는 단순히 고무 타이어+휠로 만들어진 것이 아닌, 내부에 쇼크 업소버라는 강력한 충격 흡수 장치가 통합되어 있어, 착륙 시 발생하는 큰 하중을 효과적으로 흡수할 수 있습니다. 바퀴 커질수록 오히려 설계는 더 복잡해지고 이는 무게의 증가로 이어질 수 있기 때문에 이러한 복합성을 줄이고, 무게로 인한 연료소모를 줄여 충격 흡수를 최적화할 수 있게 설계되었습니다.
2. 왜 대부분 비행기에는 바퀴가 3개뿐일까?
대부분의 여객기는 앞쪽에 1개의 노즈기어(Nose Gear), 뒤쪽에 2개의 메인기어(Main Gear)가 장착되어 있습니다. 이 3개의 바퀴는 안정성과 경제적 측면에서 최적의 구조를 제공합니다.
2-1. 삼각형 구조를 통한 안정성의 극대화
안정성의 극대화를 이룰 수 있는 3개 지점에 의한 삼각 비율을 통해 무게 분산을 극대화합니다.
앞쪽의 노즈기어는 방향 전환과 지상의 조종 안정성을 담당하고 뒤쪽의 메인기어는 비행기 무게의 대부분을 지탱하고 착륙 충격을 흡수하는 주된 역할을 하게 됩니다.
2-2. 무게 절감과 연료 소모 최소화
여객기를 운영하는 항공사도 결국 비즈니스를 하는 기업이기 때문에 수익성이 매우 중요합니다.
따라서 안전성을 확보되는 범위 안에서는 가능한 연료 소모를 줄여 지출 비용을 최소화하기 위해 노력하고 있습니다.
바퀴가 많아지면 그만큼 비행기 무게가 늘고 연료 소비가 증가하기 때문에 안정성과 경제성의 최적화를 모두 잡을 수 있는 교집합 안의 최적 균형점으로 3개의 바퀴 구조를 채택하고 있습니다.
3. 착륙의 순간! 바퀴에는 무슨 일이 벌어지는 걸까?
비행기가 착륙을 시도하는 그 순간! 그러니까 착륙을 하는 그 순간에도 속도는 시속 200~300km 이상의 빠른 속도로 활주로에 접촉하게 됩니다. 이 순간 바퀴에는 중력, 가속도, 마찰등 여러 요인에 의해 비행기 무게의 몇 배에 달하는 강력한 하중이 걸리며, 단시간에 큰 충격과 마찰을 견뎌야 합니다. (착륙 시 보잉 747의 바퀴 하나에는 약 20톤의 거대 충격 하중이 발생)
이때 많은 수의 탄소 섬유 디스크 브레이크가 작동되어 1000도 이상의 마찰열을 견디며 엄청난 제동력을 발휘합니다.
또한, 자동차의 ABS처럼 바퀴가 잠기는 것을 방지하는 안티 스키드 시스템이 작동되며 오토 브레이크 시스템이 활주로 길이와 상태에 맞는 최적의 제동력으로 자동 조절합니다.
역추진 장치를 통해 힘을 뒤로 밀어 내게 되는데, 우리가 착륙할 때 갑자기 부우웅~! 소리가 나며 강하게 몸이 앞으로 쏠리는 것이 바로 그것입니다.
4. 세 개의 작은 바퀴가 수백 톤의 비행기를 버텨내는 원리
지속적인 항공기술의 개발로 1970년대 이후 탄소 섬유 복합재료로 만든 브레이크 디스크가 개발되면서 무게 절감, 제동력, 내열성등 필수 적인 부분의 기술을 확보하게 되었고 현대 항공기술의 안정한 제동을 가능하게 되었습니다.
4-1. 고성능 타이어
항공기 타이어는 특수 합성 고무 컴파운드와 나일론, 레이온, 아라미드 섬유와 같은 초강력 소재 강화 직물로 제작됩니다.
마치 하나는 쉽게 찢고 부러뜨릴 수 있지만, 겹겹이 겹친 것은 꿈쩍도 하지 않듯이 겹겹이 쌓인 옷처럼 엄청난 강도를 자랑합니다.
또한, 200~250 PSI가 넘는 엄청난 고압(자동차 타이어는 30~40 정도의 공기압)으로 변형을 막고 폭발 위험이 없는 질소 가스를 충전해 최소 접지면적에 효과적으로 무게를 분산하여 그 엄청난 하중을 잘 견딜 수가 있게 됩니다.
4-2. 특수 휠과 림
언뜻 보면 그다지 두꺼워 보이지 않는 휠이지만 사실 고강도 알루미늄이나 마그네슘 합금으로 만들어져 엄청난 열을 효율적으로 발산하여 과열을 방지하고 뛰어난 내구성과 강도를 가집니다.
또한, 하중의 효과적 분산과 브레이크 시스템과의 시너지 효과를 내고 열을 발산할 수 있도록 볼트 구멍 하나까지 응력 집중의 최소화를 위해 복잡하고 정교하게 계산되어 제작됩니다.
4-3. 쇼크 업소버(랜딩기어 스트럿)
바퀴 시스템의 핵심인 랜딩기어 스트럿은 흔히 말하는 자동차의 '쇼바'처럼 비행기 무게와 착륙 시 발생되는 엄청난 충격을 효과적으로 흡수 분산시켜 동체와 승객에게 전달되는 충격을 최소화시켜 줍니다.
또한 항상 다른 착륙 상황에 대비하기 위해 다단계적으로 충격 흡수가 가능하도록 설계되며 고강도의 강철 합금으로 정밀 가공되어 제작됩니다.
4-4. 고성능 브레이크
마찰열을 1000도 까지도 버틸 수 있는 탄소 섬유 디스크 브레이크가 장착되며 각 바퀴의 회전 속도를 개별 감지하여 바퀴가 감기는 것을 방지, 최적의 제동력을 유지하고 미끄러짐 방지와 타이어 손상을 막아주는 안티 스키드 시스템이 탑재됩니다.
조종사가 착륙 시 특정 제동 강도를 미리 설정할 수 있는 오토 브레이크를 통해 활주로에 닿는 순간부터 최적의 제동력을 자동으로 유지시켜 주고 엔진 배기가스 방향을 역방향으로 전환시켜 주는 역추진 장치를 통해 짧은 활주로와 미끄러운 상황에서도 문제없이 착륙할 수 있도록 해줍니다.
따라서 우리가 타는 여객기는 겉보기에는 단순한 구조처럼 보이지만, 내부에는 집약된 최첨단 기술과 수많은 안전장치들이 집약되어 있는 안전한 교통수단입니다.
비행기 사고는 드물지만 발생하면 그 피해와 그로 인한 정신적 충격이 매우 큰 경우가 많고 뉴스에서도 극적으로 보도되기 때문에 더 위험하게 느껴질 수 있습니다. 하지만 실제로는 자동차 사고율 보다 1000배 이상 낮다는 구체적인 통계를 통해서도 그 안정성을 볼 수 있으며 국제 항공기구와 각국 정부가 매우 엄격한 안전 기준을 적용해 사고를 최소화하려고 노력하고 있습니다.