안녕하세요, 독자 여러분! 이번 호에서는 항공우주공학과에 대해 다뤄보려고 해요. 1903년 라이트 형제가 인류 최초로 동력을 이용해 비행을 성공하고, 1957년 10월 4일 소비에트 연방이 세계 최초로 인공위성 스푸트니크 1호를 쏘아 올리면서 시작된 미국과 소련의 ‘우주 경쟁(Space Race)’을 통해 항공 우주 기술은 급속도로 발전해왔어요. 전 세계를 1일 생활권으로 만든 비행기부터 소리보다 빠른 속도를 자랑하는 전투기, 그리고 지구를 벗어나 미지의 세계인 우주로 나아가는 위성까지 항공 우주 기술은 과학기술의 발전을 가장 대표적으로 보여주는 분야 중 하나가 되었습니다. 우리나라는 세계 각국의 항공 우주 기술 발전에 발맞춰 2013년에는 러시아의 도움을 받아 나로호 발사를 성공시켰고, 다가오는 10월에는 국산 기술로 만든 누리호 발사를 앞두고 있습니다. 그렇다면 이러한 항공 우주 학문을 다루는 항공우주공학과에 대해서도 잘 알고 있나요? 다 같이 우리나라의 항공 우주 산업을 이끌어 나가는 항공우주공학과는 무엇이고, 어떤 과목을 배우는지 함께 알아보도록 해요!
그림 1. 2013년에 발사를 성공한 나로호
1. 항공우주공학이란 무엇이고 어떤 공부를 하나요?
항공우주공학이란 이름에서 알 수 있듯이 항공기나 우주선과 관련된 공학 기술들을 다루는 학문입니다.
초반에는 기계와 물리 등을 융합한 종합 학문으로써 출발했지만 현재 많은 기술 발전으로 인해 IT, 광학, 재료 등 더욱 다양한 학문들과 함께 발전되어가고 있는 분야이기도 합니다. 무엇보다도 우주 공학 기술은 정말 빠르게 발전해 나가고 있습니다.
테슬라의 CEO인 일론 머스크가 설립한 우주 개발 기업 ‘스페이스 X’는 우주 로켓 발사를 성공시킨 최초의 민간 기업이 되었고, 최근에는 로켓을 재사용하기 위해 발사한 로켓을 다시 착륙시키는 데 성공하기도 했습니다.
또한 이미 민간인을 태우는 우주여행이 시작되었을 만큼 정말 빠른 속도로 발전하고 있는 분야이기도 합니다.
1“나로호 발사 성공…11번째 스페이스클럽 가입”, 뉴스핌, 2013년 1월 30일 수정, 2021년 7월 24접속,
https://www.newspim.com/news/view/20130130001179
그림 2. 테슬라, 스페이스 X의 CEO 일론 머스크
한편, 항공우주공학과에서 배우는 주요 학문 분야는 크게 4개로 나누어 볼 수 있고, 이 학문 분야들은 공학의 기본이라고 할 수 있는 4대 역학(유체역학, 동역학, 고체역학, 열역학)과 각각 연관이 있습니다. 그럼 이 분야들에 대해 더 자세히 알아볼까요?
그림 3. 전투기 유동 해석
① 공기역학
항공기나 우주선같이 빠른 속도로 움직이는 물체의 경우, 주위 공기의 유동, 즉 유체의 움직임에 의해 그 물체에 여러 종류의 힘이 가해지게 됩니다. 따라서 이러한 물체를 설계할 때는 공기의 흐름을 고려해야 하는데, 공기역학은 여러 실험과 시뮬레이션을 통해 이러한 힘들을 계산하고 최적화하기 위한 연구를 진행하는 분야입니다. 이 분야는 유체역학과 매우 밀접한 연관이 있는 학문 분야이기도 합니다.
2“[기획] 일론머스크의 테슬라와 스페이스X”, 내외경제TV, 2021년 4월 1일 수정, 2021년 7월 24일접속,
https://www.nbntv.co.kr/news/articleView.html?idxno=921012
3“ 전투기 형상 주변 Abrupt Wing Stall 현상 해석”, ASDL, 2021년7월24일접속,
http://mana.snu.ac.kr/research/Abrupt-Wing-Stall
그림 4. 10월에 발사 예정인 누리호
② 추진 및 연소
우리나라가 2013년 쏘아 올린 나로호의 무게는 140t이라고 합니다. 이를 원하는 위치에 쏘아 올리기 위해서는 어마어마한 추진력이 필요하겠죠? 엄청난 무게를 가진 로켓, 항공기가 날아오르기 위해서는 연료를 연소시켜 높은 압력의 가스를 만들고 이를 분사해야 합니다. 이로써 로켓은 가스가 밖으로 나오는 힘의 작용∙반작용 원리에 의해 추진력을 얻게 됩니다. 이 분야는 이러한 추진력을 얻기 위해 필요한 여러 엔진과 가스터빈 등을 연구하고 있습니다. 추진 및 연소 분야는 효율이 높은 엔진을 설계하는 방법을 배우는 열역학과 관련이 있습니다.
③ 유도 항법 제어
달 궤도선이나 항공기에는 주어진 임무를 수행하고 알맞은 궤도를 따라 움직이기 위해서 여러 유도 항법 제어 기술들이 탑재되어 있습니다. 최근에는 이러한 작동 장비들을 소형화하고, 더 정밀하게 유도 및 제어를 할 수 있는 기술들에 대한 연구가 이루어지고 있습니다. 유도 항법 제어는 항공기나 로켓의 실시간 위치를 좌표화하여 여러 가지 운동량을 계산하는 동역학과 관련이 있는 분야입니다.
④ 구조 및 재료응용
현재 로켓을 우주로 발사하기 위해서는 1kg당 1만 달러(약 1200만 원)의 비용이 든다고 합니다. 따라서 발사 비용을 줄이기 위해 여러 연구가 이루어지고 있습니다. 한 예시로 앞에서 언급한 스페이스 X의 로켓 재사용 방법이 있겠죠. 또 다른 방법으로는 항공기나 로켓의 소재 자체를 바꾸는 것입니다.
항공기나 로켓이 공기에 의해 외력을 받았을 때 발생하는 변형이나 손상 등을 미리 구조해석을 통해 확인한다면 개발 과정에서 제품 개발 비용을 절감할 수가 있겠죠? 이러한 항공기나 로켓의 구조와 더 가볍고 튼튼한 재료에 대해 연구하는 분야가 바로 구조 및 재료응용 분야이며 고체역학과 연관이 있습니다.
독자 여러분, 항공우주공학과가 어떤 학과이고, 어떤 공부를 하는지 보다 더 잘 알게 되었나요? 항공우주공학과 학생들은 수업 중에 배우는 내용만이 아니라 ‘하나로’(로켓 관련 동아리), ‘캔셋’(인공위성 관련 동아리), ‘불나비’ (비행기, 드론 관련 동아리)와 같은 학과 내 동아리에 소속되어서 여러 활동과 관련한 심도 있는 공부를 하기도 한답니다! 독자들께서 이 글을 통해 항공우주공학과와 조금이나마 가까워질 수 있는 계기가 되었으면 하는 바람과 함께 소개를 마치도록 하겠습니다!
- Reference
- [1] “항공우주공학기술자”, MAJOR MAP, 2021년 7월 24일 접속, https://www.majormap.net/careers/%ED%95%AD%EA%B3%B5%EC%9A%B0%EC%A3%BC%EA%B3%B5%ED%95%99%EA%B8%B0%EC%88%A0%EC%9E%90
- [2] “공기역학”, 위키백과, 2020년 9월 24일 수정, 2021년 07월 24일 접속, https://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B3%B5%EA%B8%B0%EC%97%AD%ED%95%99
- [3] 김유단 (1995). 유도항법 및 제어기술의 현황 및 발전방향. 한국항공우주학회지, 23(6), 168-177
- [4] “[MIT테크리뷰] 우주를 향한 로켓 비용 절감 5대 프로젝트”, Tech M, 2019년 08월 03일수정, 2021년 07월 24일 접속, https://www.techm.kr/news/articleView.html?idxno=6720
- [5] 서울대학교 항공우주공학과, https://aerospace.snu.ac.kr/