라이트 형제가 주도한 비행기의 발명 (1)

비행기가 발명되기 이전의 시대부터, 종류를 불문하고 수많은 기계가 학술적인 기반과 지원 없이 몇몇 사람들의 재간 있는 발상에 의해 발명되었습니다. 그리고 그 후 많은 사람에 의해 조금씩 개선되어 나아지는 과정을 따랐습니다. 하지만 비행기는 단순 발명가들의 재간 있는 발상만으로 개발되기에는 어려움이 있었습니다. 비행기는 발상을 뒷받침해줄 학문적인 지원, 실질적인 실험 진행, 그리고 발명가의 기술 솜씨 등을 모두 갖춰야만 개발이 가능한 기계였습니다.

1880년대 후반, 동력 비행의 가능성을 믿었던 사람들은 하늘을 날기에 충분한 양력과 추력 엔진만 있다면 동력을 사용하는 비행기의 개발 및 실현은 무리 없이 가능할 것이라 생각했습니다. 그 당시 릴리엔탈의 사망은 비행기가 제대로 개발되어 상용화되기 위해서는 안정성을 비롯해 조종성까지도 같이 고려해야 할 중요 사안이라는 사실을 강조하는 계기가 되었으나, 실제 개발자들 중 이를 인지하는 사람은 극소수에 불과했습니다.

 

1903년 12월 17일, 최초의 동력 비행을 성공시킨 두 형제가 있습니다. 이들은 미국 오하이오주에 위치한 데이톤에서 자전거의 판매와 수리를 병행하던 라이트 형제이며, 이들은 비행기를 보다 체계적으로 연구 및 개발해 왔습니다. 두 형제의 업무 분담은 확실했습니다. 둘 중 형인 윌버 라이트는 케일리의 양력, 항력, 추력, 중량 기반의 비행 이론에서 출발하여 릴리엔탈의 활공기 자료를 꼼꼼히 분석했습니다. 그리고 이에 기반하여 날개 형태에 따른 양력과 항력 비율을 계산하여 자체적으로 활공기를 설계하고 디자인하였습니다. 형 윌버 라이트의 활공기 설계 디자인을 바탕으로 동생 오빌 라이트가 제작을 맡아 진행했습니다. 그렇게 만들어진 활공기를 이용해 1900년 9월경 노스캐롤라이나주에 위치한 키티호크 해변에서 두 가지 목적을 가지고 실험을 진행하였습니다.

 

첫 번째 목적은 활공기의 수평 자세각과 풍속을 측정하여 양력과 항력간의 관계를 확인하는 것이었으며, 두 번째 목적은 가능할 시 이 활공기를 타보는 경험을 쌓는 것이었습니다. 하지만 해당 실험을 통해 첫 번째 목적이었던 릴리엔탈이 주장한 항력과 양력에 대한 관계가 실제 실험 결과와는 다르다는 것을 발견하게 되었습니다. 키티호크 해변은 속도가 비교적 일정한 바람이 대서양으로부터 불어오기에 활공기에 가해지는 상대 풍속이 빠를지언정, 지상에서의 활공기 속도는 느렸습니다. 이러한 이유로 활공기를 실험하기에 안전하다는 장점이 있는 지역이었습니다.

라이트 형제는 활공기의 무게와 탑승자의 체중을 모두 고려해 보다 가벼운 구조물로 필요 날개 면적을 설계하기 위해 복엽 활공기 디자인을 채택했습니다. 그 후 활공기에 사람을 태우지 않고 밧줄에 묶어 맞바람을 받게 했을 때 나타나는 기체의 자세를 기준으로 양력을 계산했습니다. 그 결과 해당 실험에서는 양력이 다른 발명가들에 의해 통상적으로 계산된 숫자 대비 부족하다는 점을 확인하는 계기가 되었습니다.

 

이러한 실험 결과를 증명하고 가장 이상적인 날개의 형태를 결정하기 위해 라이트 형제는 날개 실험용 풍동을 만들었습니다. 가로세로 단면이 30cm인 박스에 팬을 장착해 일정한 풍속을 형성하고, 해당 박스 안에 날개 모형을 넣어 다양한 형태의 양력과 항력의 관계를 조사했으며, 실제 활공기 디자인 설계에 위에서 조사한 데이터를 적용시켰습니다. 비록 라이트 형제의 이 실험 장치는 당시에 대대적으로 진행되던 풍동의 학문적 연구보다는 보잘것없어 보였지만, 결과적으로는 비행기의 개발에 큰 역할을 했습니다.

처음 진행한 실험은 활공기를 밧줄에 묶어 잠시 탑승한 상태로 시행하였고, 그 경험에 기반해 활공기가 동력 엔진을 탑재한 비행기로써 탑승자가 자유롭게 운전하기 위해서는 확실한 조종성이 보장되어야 한다고 생각했습니다.

 

그러나 비행기의 개발에 있어서는 안정성과 조종성을 겸비해 제어 부하를 줄여야 하는데 당시에는 안정성의 개념이 정립되지 않았기에 오롯이 조종성에만 지나치게 치중해 개발이 진행되었고, 그 결과 비행기의 조종성이 극도로 민감해져서 조종하기 매우 까다롭고 어렵다는 평가를 얻게 되었습니다. 두 형제는 새가 날개를 좌우로 비틀어 선회하는 형태를 단서 삼아 비행기 조종법에 대해 고안해냈습니다. 라이트 형제는 그들이 설계하고 디자인한 활공기를 사용해 1900년부터 약 3년의 기간 동안 매년 키티호크 해변에서 실험을 진행했습니다. 두 형제는 풍동 실험을 통해 양력을 예측할 수 있게 되었으며, 카나드 형태의 보조날개를 장착해 좌우로 비틀어 비행기의 방향과 자세를 조종하는 방법을 개발하였습니다.