라이트 형제(Wright brothers)

 1903년 12월 17일, 라이트 형제가 인류 최초의 유인 동력 비행에 성공하였다. 그들은 뛰어난 개발 전략과 과학적이고 치밀한 예비 실험, 그리고 보통 사람과는 다른 정열을 바탕으로 불과 4년이라는 짧은 기간에 이 커다란 프로젝트를 성공시켰다.

0. 목차

1. 비행기에 매료된 '라이트 형제'
2. 하늘을 향한 선구자들의 비행기
3. 풍동 실험의 성과는 매우 컸다
4. 라이트 플라이어 1호
5. 1903년 12월 17일, 미국 키티호크
6. 라이트형제의 성공 요인
7. 날개치는 비행기
8. '라이트 플라이어 1호'의 구조

라이트 형제(Wright brothers)

1. 비행기에 매료된 '라이트 형제'

 미국에서 자전거점을 운영하던 '윌버 라이트(Wilbur Wright, 형, 1867~1912)'와 '오빌 라이트(Orville Wright, 동생, 1871~1948)' 형제는 1894년의 어느 날, 독일의 '오토 릴리엔탈(Otto Lilienthal, 1848~1896)'이 '글라이더(Glider)'를 타고 하늘을 나는 사진을 잡지에서 발견하고 마음을 빼앗겼다. 그러나 그로부터 2년 뒤, '오토 릴리엔탈'이 추락사했다는 뉴스를 듣고 큰 충격을 받았다. 그리고 '라이트 형제(Wright brothers)'는 자신의 손으로 비행기를 만들겠다는 생각을 하게 되었다.

 1899년 본격적으로 비행기를 개발하기로 마음먹은 형제는 자연과학의 권위자들이 모인 미국의 '스미스소니언 협회(Smithsonian Institute)'에 편지를 보내, 항공 연구에 관한 여러 가지 자료를 받았다. '라이트 형제'는 영국의 항공 과학자 '조지 케일리(George Cayley, 1773~1857), 그리고 '오토 릴리엔탈' 등 선구자들의 문헌과, 자신들과 라이벌 관계에 있던 '새뮤얼 랭글리(Samuel Langley, 1834~1906)' 교수의 논문을 열심히 읽으면서 '공기 역학(Aerodynamics)'에 관한 공부를 했다.

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2. 하늘을 향한 선구자들의 비행기

1. 다빈치의 날개를 치는 비행기: '레오나르도 다빈치(1452~1519)'가 설계한 비행기 '오니솝터(Ornithopter)'는 사람의 힘으로 날개를 치는 비행기이다. ornitho-는 '새'라는 뜻이다. '오니솝터'는 실제로 비행하지는 않았다. 하지만 '레오나르도 다빈치'는 인간이 하늘을 나기 위한 기계의 고안에 최초로 과학적으로 접근한 사람이다. '날개를 치는 비행기' 이외에 헬리콥터의 스케치도 남겼다.
2. 릴리엔탈의 단엽식 글라이더: '오토 릴리엔탈'은 날개에 작용하는 공기의 힘에 대한 면밀한 데이터를 남겼다. '오토 릴리엔탈'은 '단엽식 글라이더' 이외에 '복엽식 글라이더'도 제작하고 스스로 많은 비행 실험을 했지만, 1896년에 추락사하였다.

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3. 풍동 실험의 성과는 매우 컸다.

 '라이트 형제'는 1900년에 1호기의 글라이더를 제작하고, 1901년에는 2호기의 글라이더를 제작했다. 이때 라이트 형제가 만든 무인 글라이더는 실로 연결되어 연처럼 날았다. 휘는 날개에 의해 기체를 조종하는 메커니즘은 이 글라이더에서 이미 확립되어 있었다. 하지만 이들 글라이더는 기대했던 성능을 보이지 못했다. 날개가 계산대로의 양력을 발생시키지 못한 것 같다.

 '라이트 형제'는 고민한 결과, 날개 모양을 정할 때 참고했던 '오토 릴리엔탈'의 데이터에 의문을 가졌다. 그리고 라이트형제는 '풍동'이라는 실험 장치를 스스로 만들어 날개가 만들어 내는 양력과 저항을 스스로 측정했다. 그래서 '오토 릴리엔탈(Otto Lilienthal)'의 데이터에 오류가 있음을 알아차렸다. '풍동(Wind Tunnel)'이란 항공기나 우주선이 특정 비행속도·고도로 비행하는 환경을 지상에서 유체역학적으로 예측하기 위해 사용하는 장치다. 풍동 실험의 성과는 매우 컸다. 1902년이 되어 제작한 세 번째 글라이더는 기대한 대로의 비행 능력을 보여 주었다. 1903년에는 3호기 글라이더의 비행 실험을 1000회나 되풀이하면서 조종 기술을 익혔다. 그리고 글라이더에 자체 제작한 엔진과 프로펠러를 붙임으로써 '라이트 플라이어 1호'가 마침내 완성되었다.

3-1. 자체 제작한 풍동 실험 장치

 라이트 형제는 밀가루 상자에 '가솔린 엔진(Gasoline Engine)'으로 움직이는 선풍기를 달아서 '풍동 실험 장치'를 자체적으로 만들었다. 내부에는 자체 제작한 '날개의 양력을 재는 저울'을 설치했다. 이 저울에 소형 날개를 붙여 바람에 의해 발생하는 양과 저항을 측정했다. >라이트 형제는 200종에 이르는 날개의 데이터를 입수해 최적의 날개 평면 형태와 휘는 정도를 결정했다.

풍동(Wind Tunnel)

4. 라이트 플라이어 1호

 '라이트 플라이어 1호(Wright Flyer 1)'는 인간이 타고 하늘을 난 세계 최초의 동력 비행기이다. '라이트 플라이어 1호'는 가솔린 엔진으로 구동되는 프로펠러 비행기이다. 전체 길이는 6.4m, 기체 높이는 2.8m, 날개 전체의 폭은 12.3m, 기체 무게는 274kg이다. '라이트 형제'는 기체는 물론 엔진부터 프로펠러에 이르기까지 비행기의 전부를 스스로 제작했다. '라이트 플라이어 1호'에는 라이트 형제가 만든 여러 가지 장치가 들어 있다. 주목할 만한 점은 기체를 제어하기 위한 메커니즘이 확립되어 있었다는 점이다. 그 가운데 아주 뛰어난 발명의 하나가 기체를 선회시키기 위한 구조인 '휘는 날개(Warpin Wing)'일 것이다. 하늘을 나는 새가 날개를 이용해 선회하는 데서 힌트를 얻은 라이트 형제는, 휘어지는 날개를 비틂으로써, 선회를 가능케 하는 메커니즘을 생각해 냈다.

 '라이트 플라이어 1호' 이전의 비행기, 또는 같은 시기에 첫 비행을 다툰 몇몇 비행기는 안정성을 중시해 만들어졌다. 즉, 바람 등에 의해 기체가 균형을 잃으면 자동적으로 세워 주기 위한 구조가 갖추어져 있었다. 그러나 이와 같은 구조는 조종에 대한 기체의 반응을 둔하게 만든다. 한편, 라이트 형제는 비행기를 설계할 때, 스스로의 의사로 조종할 수 있다는 점을 중시했다. 형제는 기체를 아예 불안정한 구조로 해둠으로써, 사람의 조종에 예민하게 반응하는 비행기를 목표로 한 것이다.

5. 1903년 12월 17일, 미국 키티호크

 미국 동해안의 모래밭에 위치한 '기티호크(Kitty Hawk)'는 일정한 강풍이 부는 모래밭이다. 키티호크에는 '킬데블힐스(Kill Devil Hills)'라는 모래 언덕이 있었다. 라이트 형제는 1900년부터 1903년까지 이 비탈면에서 글라이더 실험을 거듭했다. 맞바람을 받은 비행은 큰 양력을 얻을 수 있는 데다, 전진 속도가 감속되므로 착륙을 쉽게 할 수 있는 이점이 있다. 또 모레밭에서 착륙을 하면 충격이 적어서 안전하게 실험을 할 수 있었다. 형제는 이 모래밭에 별다른 시설이 없는 오두막을 짓고 야영 생활을 했다.

 '라이트 플라이어 1호'의 첫 비행은 1903년 12월 14일에 미국 노스캐롤라이나주 '키티호크'에서 시도되었다. 동전을 던진 결과 조종자는 형 '윌버 라이트(Wilbur Wright)'로 정해졌지만, 비행은 실패하고 기체는 파손되었다. 그 수리를 마친 12월 17일, 다시 첫 비행에 도전했다. 이번에는 동생 '오빌 라이트(Orville Wright)'가 조종할 차례였다.

 그 결과, 1903년 12월 17일 오전 10시 35분, '라이트 플라이어 1호'는 아침부터 초속 10~12m의 북풍이 부는 '키티호크(Kitty Hawk)'에서 드디어 인류 최초의 유인 동력 비행에 성공하였다. '라이트 플라이어 1호'는 남북 방향으로 설치한 길이 18m의 '활주용 레일'을 따라, 북쪽을 향해 약 11m 활주한 뒤 드디어 사뿐하게 날아올랐다. 비행 거리가 불과 36m인 인류 최초의 유인 동력 비행의 순간이었다. 현장에 참석한 다른 사람은 불과 5명뿐이었다. 형제는 이날 번갈아 조종해 총 4회의 비행을 성공시켰다.

1. 1회째: 오전 10시 35분, 비행 시간 12초, 거리 36m, 조종 오빌
2. 2회째: 오전 11시 00분, 비행 시간 13초, 거리 58m, 조종 윌버
3. 3회째: 오전 11시 40분, 비행 시간 15초, 거리 58m, 조종 오빌
4. 4회째: 오전 12시 00분, 비행 시간 59초, 거리 260m, 조종 윌버

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6. 라이트형제의 성공 요인

 권위 있는 영국 왕립협회의 회장이던 '켈빈 경(1824~1907)'은 1895년에 '나는 공기보다 무거운 비행 기계에 대해 분자 하나 정도의 신념도 가지고 있지 않다.'라고 말했다. 그로부터 불과 8년 뒤인 1903년, 자전거점을 운영하는 미국인 형제가 그 불가능을 가능으로 바꾸었다. 라이트 형제가 동력 비행기의 개발에 본격적으로 뜻을 둔 것은 1899년의 일이다. 놀라운 점은 단 4년이라는 짧은 기간에, 라이트 형제가 그 개발에 성공했다는 사실이다. 그들에게 성공을 가져다준 요인은 무엇이었을까?

6-1. 릴리엔탈의 데이터를 의심하다.

 고등학교를 졸업하고 곧 사업을 시작한 '라이트 형제'는 전문적인 대학 교육은 받지 않았다. 그러나 개발에 몰두한 그들의 자세는 바로 과학자의 그것이었다고 할 수 있다. 비행기 개발을 결심한 라이트 형제는 선구자들의 문헌을 찾아 그 연구 성과를 배우는 데서 시작했다. '라이트 형제'는 특히 '오토 릴리엔탈(Otto Lilienthal)'의 연구를 중시했고, 그가 만든 날개의 '공기 역학 데이터'에 근거해 글라이더를 제작했다. 그러나 그 글라이더가 예상대로 양력을 만들어내지 못했기 때문에 개발은 이루어지지 못했다.

 고민을 거듭한 결과, 그들은 '오토 릴리엔탈'의 데이터를 의심해, 날개가 만들어 내는 약력과 저항을 자체 제작한 '풍동 실험 장치'로 다시 측정했다. 그리고 '오토 릴리엔탈'의 양력 데이터에 오류가 있음을 알아냈다. 이 과정이 라이트 형제에게 큰 돌파구를 마련해 주었다. 아무리 위대한 선인의 데이터라도 맹신하는 것이 아니라, 스스로를 믿고 과학적인 실험을 철저하게 검증한 것에서 '라이트 형제'의 성공 이유를 찾을 수 있을 것이다.

6-2. 라이트 형제의 라이벌 '새뮤얼 랭글리' 교수

 세계 최초의 유인 동력 비행을 노리던 '라이트 형제'에게 최대 라이벌은 '스시스소니언 협회(Smithsonian Institute)'' 이사장이었던 '새뮤얼 랭글리(Samuel Langley, 1834~1906)' 교수였다. '새뮤얼 랭글리' 교수는 미국 정부로부터 많은 금액을 보조를 받으면서 '유인 동력 비행'의 1번 타자를 노리는 연구를 하고 있었다.

 1903년 10월 7일, '새뮤얼 랭글리(Samuel Langley)' 교수가 개발한 '에어로드롬 호(Aerodrome)'는 많은 관객이 모인 워싱턴 '포토맥 강(Potomac River)'에서 첫 유인 비행에 도전했다. 이곳은 '새뮤얼 랭글리' 교수가 1896년에 '에어로드롬 호'의 축소 모형을 무인으로 비행시키는 실험을 해서 멋지게 성공시킨 장소였다. 실물 크기로 만들어지고, '라이트 플라이어 1호'의 엔진보다 훨씬 뛰어난 엔진을 가지고 있는 '에어로드롬 호'에는 '새뮤얼 랭글리' 교수의 조수가 탔다. 그러나 기체는 비행하지 못하고, 그대로 포토맥 강에 떨어졌다. '새뮤얼 랭글리' 교수는 2개월 뒤인 12월 8일에 다시 도전했지만, 실험은 다시 실패로 끝났다. '라이트 형제'가 첫 비행에 성공하기 바로 9일 전의 일이었다. '새뮤얼 랭글리' 교수의 도전은 실패로 끝났지만, 그의 연구는 항공기 개발에 큰 힘이 되었다.

6-3. 라이트 형제'가 이긴 원인은 무엇이었을까?

 그러면 '새뮤얼 랭글리' 교수의 실패와, '라이트 형제'의 성공 사이에는 어떤 차이가 있었을까? 두 사람의 희비를 가른 최대 포인트는 '유인 동력 비행기'라는 목표에 이르기까지 접근하는 방식의 차이에 있었다.

1. '라이트 형제'의 접근 방식: '라이트 형제'는 먼저 사람이 조종할 수 있는 '글라이더'를 완성시키고, 그 글라이더에 엔진과 프로펠러 등의 추진 장치를 탑재함으로써 '유인 동력 비행기'를 완성시키려 했다. 어디까지나 '인간이 조종하는 비행기'를 노린 '라이트 형제'의 전략은 오늘의 지식으로 보아도 이치에 맞는 것이라고 생각했다.
2. '새뮤얼 랭글리'의 접근 방식: '새뮤얼 랭글리' 교수는 먼저 무인의 작은 비행기를 만들고, 그것을 대형화해 사람이 타도록 하면 유인 비행기가 완성된다고 생각했다. '새뮤얼 랭글리' 교수의 패인은 '작은 모형을 날리는 것'과 '큰 실물을 날리는 것' 사이에는 커다란 기술의 차가 숨어 있음을 알아차리지 못했던 점이었다.

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7. 날개치는 비행기

 '레오나르도 다빈치' 이래 사람들은 오랫동안 새가 날개 치는 것을 모방한 '날개치는 비행기'로 하늘을 노렸지만 모두 실패로 끝났다. 그 후 '조지 케일리(George Cayley)'가 제창한 '고정된 날개를 가진 비행기'는 큰 발전을 이루었다 그 후 100년 사이에 '프로펠러기', '제트기', '로켓 비행기' 등 차례로 새로운 비행기가 등장했지만, 그들은 모두 날개 전체가 변형되지 않는 '고정된 날개'를 가지고 있었다. '라이트 형제'의 '휘는 날개'처럼 날개 전체를 변형시키는 방식은 근대 항공 공학의 상식으로는 적합하지 않다고 알려져 있었다.

 그러나 흥미롭게도 근래에는 다시 '날개 전체를 변형시키는 날개'의 연구가 이루어지고 있다. '액티브 모핑 날개(Active morphing winglet)'라는 날개가 그것이다. 이것은 날개 전체를 적극적으로 변형시킴으로써, 비행 중의 여러 가지 상황에 대응하는 날개이다. 예컨대 새는 이륙할 때, 큰 양력을 얻기 위해 날개를 크게 펼친다. 그러나 고속으로 비행할 때 날개를 크게 펼치면, 큰 저항이 생기기 때문에 오히려 불리해진다. 그래서 새는 고속으로 비행할 때는 날개를 잘 접어서 저항을 작게 한다. 이와 마찬가지로 공중에서 대담하게 모양을 바꿀 수 있는 '액티브 모핑 날개(Active morphing winglet)'의 연구가 미국의 'NASA(미국 항공 우주국)'나 'DARPA(미국 고등 연구 계획국)' 등에서 이루어지고 있다.

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8. '라이트 플라이어 1호'의 구조

1. Wing Warping: For roll control. When the pilot moved the hip cradle from side to side, it pulled wires that twisted the ends of the wings, increasing the angle of attack (and the lift) on one side of the aircraft and decreasing it on the other. When the pilot moved his hips right, the left wing twisted up, the right wing twisted down, and the aircraft rolled to the right.
2. Rudder: For yaw (side-to-side) control. This was attached to the wing warping wires so when the pilot pushed the hip cradle to the right, the rudder yawed the aircraft right. The two controls, rudder and wing warping (or yaw and roll) were "coupled," acting at the same time. In later aircraft, the Wright split these controls so they could be operated independently.
3. Elevator: For pitch control. When the pilot moved the control level, the surfaces of the elevator changed angle of attack and camber. When the pilot pulled back, the angle and camber increased, creating more lift, and the aircraft pitched up. Pushing forward decreased the angle and camber. pitching the aircraft down.
4. Hip Cradle: The pilot laid prone, his head facing forward toward the elevator with his hips in the cradle. By sliding his hips and the cradle left and right, he moved the wing tips and the rudder, controlling roll and yaw.
5. Elevator Control: By pushing and pulling with his left hand on this 12-inch lever, the pilot moved the elevator to control pitch.
6. Engine: To keep their aircraft light, the Wright cast their engine crankcase from an alloy of 92% aluminum and 8% copper. The copper made the aluminum rigid, not as hard as iron but sufficient to handle the stress when the engine was running.. The completed engine generated 12 hp and weighed just 170 lbs., roughly half of what it would have weighted had the case been cast iron.
7. Propellers: 8 ft. in diameter, producing 135lbs. of thrust at 350 rpm. The Wrights realized that propellers were rotary wings generating thrust the same way wings generate lift. They carved their propellers with cambered blades and dramatically increased the thrust.
8. Gas Tank: Capacity 0.4 gallons, gravity fed. Actually, this was a tank within a tank. One tank floated inside the other, eliminating the pressure that might cause the gas to run out too quickly.
9. Radiator: To cool the engine. Water flowed by ahermosiphon effect. Hot water from the engine rose to the top of the radiator, then flowed downward and back into the engine as it cooled. It was ineffective; the engine could not run for more than a few minutes without overheating. On later aircraft, the Wrights added a water pump.
10. Flight Recorder: Anemometer (wind speed gauge), tachometer (rpm counter), and top watch. With these three onboard instruments and a measuring wheel to determine the flight distance, the Wrights could calculate air speed, ground speed, propeller efficiency, and engine output.
11. Air Frame: The straight parts of the airframe were made from spruce, the bent parts were made from ash. Pound for pound, both wood species are stronger the steel. They are also extremely resilient, able to absorb huge shocks and then spring back to shape without breaking.
12. Strut Fittings: These were movable to allow the wings to twist. Metal eyes on the ends of the struts pivoted on hooks attached to the wings.
13. Wing Covering: To create air-tight lift and control surfaces, the Wrights used finely-woven cotton muslin and probably sealed it with "canvas paint" (paraffin dissolved in a solvent such as gasoline). The cloth was stretched over the air frame so the threads ran at 45° angles to the wooden parts. Every thread became a brace, adding substantial strength to the assembly.
14. Rigging: To hold the air frame rigid, the Wrights rigged their Flyer with 15-gauge bicycle spoke wire, running diagonally between the ends of the struts to create a strong but lightweight truss.