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BEMIL 군사세계

미국 갈 때보다 미국서 올 때 비행 시간이 더 긴 이유

하늘의 과학(7) 비행기와 벡터

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미국을 오가는 데 비행 시간이 다른 이유


일 년 중 11월 말경에 B 777 여객기로 인천국제 공항에서 동쪽인 미국 샌프란시스코로 가는데 10시간 25분이 걸린다. 반면 샌프란시스코에서 서쪽인 인천국제 공항에 돌아오는 데는 13시간이나 걸린다. 동쪽으로 부는 제트 기류(Jet stream) 때문에 한국에서 샌프란시스코까지 가는 데 비해 돌아오는 데 2시간 35분이나 더 소요된다.



이러한 제트 기류는 제2차 세계 대전 당시 미군 폭격기가 아시아 폭격 임무를 수행하고 귀환하는 과정에서 아시아를 오가는 비행 시간 차이로 발견되었다.


제트 기류는 계절과 지역에 따라 다르지만 일반적으로 대류 경계면 고도 지역인 7~16킬로미터(2만 3000~5만 2000피트) 사이에 형성된다. 이렇게 형성된 제트 기류는 열대 지방의 난기류와 극지방의 냉기류 차이로 인해 계절에 따라 위치와 속도가 다르다.


하절기에 북쪽으로 올라와 북위 50° 근방 시속 65킬로미터 정도, 동절기에는 남쪽으로 내려와 북위 35° 정도에서 시속 130킬로미터 정도로, 동절기가 하절기보다 빠른 것으로 알려져 있다.


따라서 장거리 여객기는 계절에 따라 목적지에 도달하는 비행 시간이 달라진다.

비행기의 진행 방향으로 부는 바람인 배풍

출처ⓒ 사이언스북스, 2018

앞에서 불어오는 바람인 정풍

출처ⓒ 사이언스북스, 2018

여객기가 인천 국제 공항에서 미국으로 갈 때 배풍(Tail wind, 비행기 진행 방향으로 부는 바람)이 불어 벡터의 덧셈으로 속도가 빨라진다. 그림에서와 같이 시속 900킬로미터의 여객기 속도는 시속 80킬로미터의 배풍속도가 더해져 여객기의 지상 속도(Ground Speed, GS)는 시속 980킬로미터가 된다.


제트 기류가 뒤에서 여객기를 밀어주니 여객기 동체는 순항 속도(Indicated Airspeed, IAS)를 유지하더라도 지상 속도는 빨라진다. 반대로 여객기가 미국에서 인천 국제 공항으로 올 때 정풍(Head wind, 앞에서 불어오는 바람)이 불어 여객기의 지상 속도는 벡터의 뺄셈에 따라 시속 820킬로미터가 된다.


제트 기류가 여객기를 앞에서 못 가게 막으니 여객기 동체는 순항 속도를 유지하더라도 지상 속도는 느려져 비행 시간이 많이 소요된다.


아메리카 지역에서 귀국하는 여객기는 비행 시간을 단축하기 위해 제트 기류를 피하는 항로를 선택하는 것이 당연하다. 

조종사가 꼭 알아야 하는 벡터  


비행기가 순항 중에 좌측이든 우측이든 측풍이 불게 되면 추가되는 벡터 값에 의해 좌측, 또는 우측으로 밀리면서 비행기의 진로가 바뀌게 된다. 조종사가 이를 수정해 루트 선상에서 벗어나지 않고 비행하기 위해서는 반드시 벡터(Vector)의 개념이 필요하다.



벡터는 크기뿐만 아니라 방향을 함께 가지는 양을 말한다. 이는 변위, 가속도, 힘, 운동량, 속도(속력은 방향성이 없는 하나의 수치로 정의되지만 속도는 크기와 방향을 갖는 벡터다.) 등과 같이 적절한 물리적 단위를 갖는다.


하지만 질량, 속력, 시간, 온도, 길이, 넓이, 부피, 물건의 개수 등은 적절한 물리적 단위는 갖지만, 방향성이 없는 하나의 크기만으로 정해지는 양으로, 스칼라(Scalar)라 한다.



우선 벡터의 연산에 대해 설명을 하고 이러한 벡터가 비행기에 어떻게 적용되는지 알아보자.


벡터의 덧셈은 두 벡터 , 가 있을 때 백터 를 그린 후, 를 더해 로 구하면 된다.


또 벡터 를 그린 후, 를 더하면 합은 가 되며 벡터는 교환 법칙이 성립된다.

벡터의 덧셈과 교환 법칙

출처ⓒ 사이언스북스, 2018

세 벡터 , , 가 있을 때 벡터 를 더한 후, 를 더해 (+)+를 구할 수 있다.


또 벡터 를 더한 후, 를 더해 +(+)를 구할 수 있으므로 벡터는 결합 법칙이 성립된다.

벡터의 결합 법칙

출처ⓒ 사이언스북스, 2018

벡터의 뺄셈은 두 벡터 , 가 있을 때 +=를 만족시키는 벡터 에서 를 뺀 것을 말하며 -로 나타낸다.


그러므로 아래 그림에서와 같이 에 -를 더하는 것은 에서 를 빼는 것과 동일하며, 를 얻기 위해 에 더해야 하는 벡터다.

벡터의 뺄셈

출처ⓒ 사이언스북스, 2018

저자 장조원

공군 사관 학교 항공 우주 공학과를 졸업하고 서울 대학교 대학원에서 석사 학위를, 한국 과학 기술원(KAIST)에서 항공 우주 공학 박사 학위를 받았다. 공군 사관 학교 항공 우주 공학과 부교수, 미국 메릴랜드 대학교 방문 학자, 캐나다 라이어슨 대학교 겸임 교수 등을 지냈다. 한국 항공 운항 학회 부회장, 한국 가시화 정보 학회 편집 이사, 한국 항공 우주 산학 위원회 공력 해석 및 설계 분과 위원장, 대한민국 공군 발전 협회 연구 위원 등으로 활동하고 있다. 한국 항공 우주 학회 학술상, 현대자동차그룹 우수 논문상, 한국 항공 대학교 최우수 교수상, 교원 업적 종합 부문 최우수상, 한국 항공 운항 학회 우수 논문상, 한국 가시화 정보 학회 우수 논문상 등 다수의 상을 수상했다. 저서로는 항공 우주 과학을 일반인도 읽을 수 있도록 쉽게 풀어 쓴 『하늘에 도전하다』와 『비행의 시대』 등이 있다. 현재 한국 항공 대학교 항공 운항학과 교수, 공군 사관 학교 명예 교수로 있으며, 곤충이나 새와 같은 생체 모방 비행체, 경계층 흐름 제어, 유동 가시화 등을 비롯한 비정상 공기 역학 분야 연구를 활발히 수행하고 있다.

제공 사이언스북스

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