에어로스탯

에어로스탯(aerostat) 또는 공기보다 가벼운 항공기(lighter-than-air aircraft)는 부력에 의존하여 비행을 유지하는 항공기다. 에어로스탯에는 동력이 없는 기구(자유 비행 또는 계류식)와 동력을 갖춘 비행선이 포함된다.

에어로스탯 전체의 비중은 주변 대기의 공기보다 낮다(그래서 "공기보다 가벼운"이라는 이름이 붙었다). 주요 구성 요소는 가벼운 외피로 만들어진 하나 이상의 가스 캡슐로, 자체 무게를 이겨낼 만큼 충분한 부력을 생성하기 위해 대량의 공기를 밀어내는 선화 가스(열기구의 뜨거운 공기, 또는 수소나 헬륨처럼 공기보다 밀도가 낮은 가스)를 담고 있다. 페이로드(승객 및 화물)는 바구니, 곤돌라, 객실 또는 다양한 하드포인트와 같은 부착된 구성 요소에 실릴 수 있다. 바람을 거슬러 비행해야 하는 비행선의 경우, 선화 가스 캡슐은 흔히 더 단단한 외부 외피나 골격에 의해 보호되며, 부력을 조절하는 데 도움이 되는 발로넷과 같은 다른 가스 주머니를 갖추기도 한다.

에어로스탯은 주변 공기 덩어리를 통과하는 전진 운동이 필요 없는 정역학적 부력을 사용하기 때문에 그렇게 명명되었으며, 이로 인해 본질적인 공중 부양 능력과 수직 이착륙 수행 능력을 갖춘다. 이는 항공기 표면(날개) 위로 지속적인 공기 흐름이 있어야 공중에 떠 있을 수 있는 양력을 주로 사용하는 공기보다 무거운 에어로다인과 대조된다. 이 용어는 자유 비행하는 비행선과 대조되는 정적으로 고정된 계류 기구를 가리키는 좁은 의미로도 사용되어 왔다. 이 문서에서는 더 넓은 의미로 이 용어를 사용한다.

 용어 

관습적인 사용법에서 에어로스탯이라는 용어는 주로 정역학적 부력을 사용하여 공중에 떠 있는 모든 항공기를 의미한다.

역사적으로 모든 에어로스탯은 기구(balloon)라고 불렸다. 수평 비행이 가능한 동력식 유형은 조종 가능한 기구(dirigible balloons) 또는 단순히 디리지블(dirigibles, 프랑스어 dirigeable에서 유래하여 "조종 가능한"이라는 뜻)이라고 불렸다. 이러한 동력식 에어로스탯은 나중에 비행선으로 불리게 되었으며, "기구"라는 용어는 계류식(지면에 연결된 것)이든 자유 부유식이든 동력이 없는 유형을 위해 남겨졌다.Wragg, D.; Historical dictionary of aviation, History Press (2008).

보다 최근에 미국 정부 책임처(GAO)는 자유 비행하는 비행선과 정적으로 고정된 계류 기구를 구별하기 위해 "에어로스탯"이라는 용어를 다른 의미로 사용했다.

 유형 
 기구 

기구는 추진 수단이 없는 무동력 에어로스탯으로, 긴 케이블에 계류되어 있거나 바람을 따라 자유롭게 떠다녀야 한다.

자유 기구는 바람의 속도로 이동하지만, 바람과 함께 이동하기 때문에 승객에게는 공기가 잔잔하고 바람이 없는 것처럼 느껴진다. 고도를 변경하려면 부력의 양을 조절하거나 밸러스트 무게를 버려야 한다. 자유 비행 기구의 주요 용도로는 기상 관측 기구와 스포츠용 기구가 있다.

계류 기구는 하나 이상의 계류선이나 밧줄로 고정된다. 선을 팽팽하게 유지할 만큼 충분한 부력이 있으며, 고도는 권양기로 선을 풀거나 감아서 조절한다. 계류 기구는 바람을 느낀다. 둥근 기구는 불안정하여 강풍에 요동치기 때문에, 비강식 비행선과 유사한 유선형의 연기구가 개발되었다. 연기구와 비강식 비행선은 모두 때때로 "블림프(blimp)"라고 불린다. 계류 기구의 주요 용도로는 관측 풍선과 조색기구가 있으며, 비계류 기구의 주요 용도로는 스파이 기구와 방화 기구가 있다.

 비행선 


비행선은 조종이 가능한 동력식 자유 비행 에어로스탯이다. 비행선은 경식비행선, 반경식비행선, 비강식 유형으로 나뉘며, 마지막 유형은 흔히 블림프로 알려져 있다.

경식비행선은 내부의 선화 가스 주머니를 둘러싸는 외부 골격이나 외피를 가지고 있다. 외부 외피는 가스 주머니의 가스가 빠지더라도 그 형태를 유지한다. 20세기의 위대한 체펠린 비행선들이 경식 유형이었다.

비강식 비행선 또는 블림프는 가스를 잃으면 기구처럼 수축한다. 굿이어 블림프는 미국에서 여전히 흔히 볼 수 있는 모습이다.

반경식비행선은 비강식처럼 수축 가능한 가스 주머니를 가지고 있지만, 비행 중에 형태를 유지하는 데 도움이 되는 지지 구조를 갖추고 있다. 최초의 실용적인 비행선인 산투스두몽 6호는 반경식이었다.

일부 비행선은 외피의 형상을 이용하거나 핀 또는 작은 날개를 추가하여 공기 중을 이동할 때 공기역학적으로 추가적인 양력을 얻는다. 일반적인 순항 시 이러한 양력 효과를 이용하도록 설계된 유형을 하이브리드 비행선이라고 한다.

 하이브리드 에어로스탯 
하이브리드 유형은 양력을 제공하기 위해 정역학적 부력과 동역학적 기류를 모두 사용한다. 동적 운동은 하이브리드 비행선처럼 추진력을 사용하여 만들어지거나, 헬리자이트나 카이툰처럼 연과 같이 바람 속에 계류함으로써 만들어질 수 있다.

헬리자이트는 발로넷이 필요하지 않아 전통적인 에어로스탯보다 구조가 간단하며, 공중에 떠 있기 위해 지속적인 전력이 필요하지 않다. 또한 헬리자이트는 매우 안정적이어서 카메라나 과학 장비를 위한 훌륭한 공중 플랫폼이 된다. 헬리자이트는 가장 인기 있는 에어로스탯 디자인 중 하나이며 과학계, 군사, 사진작가, 지리학자, 경찰, 응급 구조대에서 널리 사용된다.

헬리자이트의 크기는 순수 헬륨 양력이 30g인 1미터(가스 부피 0.13m3)부터, 117kg을 들어 올릴 수 있는 14미터(가스 부피 250m3)까지 다양하다. 작은 헬리자이트는 1,000피트 고도까지 비행할 수 있고, 중간 크기는 3,000피트, 큰 헬리자이트는 7,000피트까지 도달할 수 있다.

올솝 헬리자이트는 헬륨 기구와 연을 결합하여 하나의 공기역학적으로 건실한 계류 항공기를 형성한 것으로, 양력을 위해 바람과 헬륨을 모두 활용한다. 헬리자이트는 반경식이다. 헬리자이트는 현존하는 가장 안정적이고 에너지 및 비용 효율적인 에어로스탯으로 간주된다.EU FP7 ABSOLUTE Project: Aerial Platforms Study

피아세키 헬리콥터는 단일 헬리콥터가 제공할 수 있는 것보다 더 무거운 짐을 들어 올리는 능력을 제공하기 위해 퇴역한 헬리콥터 4대의 로터 시스템과 해군 비행선을 사용하여 피아세키 PA-97 헬리스타트를 개발했다. 이 항공기는 시험 비행 중 치명적인 사고를 당했다. 2008년 보잉과 스카이훅 인터내셔널은 이 개념을 부활시켜 스카이훅 JHL-40의 제안된 설계를 발표했다.

 선화 가스 

부력을 제공하기 위해 모든 선화 가스는 주변 공기보다 밀도가 낮아야 한다. 열기구는 뜨거운 공기가 들어올 수 있도록 바닥이 뚫려 있는 반면, 가스 기구는 (차가운) 선화 가스가 빠져나가는 것을 막기 위해 닫혀 있다. 일반적인 선화 가스로는 수소, 석탄 가스, 헬륨 등이 있다.

 뜨거운 공기 
공기는 가열되면 팽창한다. 이는 밀도를 낮추고 양력을 생성한다. 중국에서는 고대부터 작은 열기구나 풍등을 날려 보냈다. 몽골피에 형제가 만든 최초의 현대적인 유인 에어로스탯은 열기구였다. 그러나 초기 기구의 대부분은 가스 기구였다. 열기구 스포츠에 대한 관심은 20세기 후반에 다시 살아났으며 일부 열기구 비행선도 비행되었다.

 수소 
수소는 모든 가스 중 가장 가볍고, 몽골피에 형제 직후에 유인 수소 기구가 비행에 성공했다. 연료를 태울 필요가 없기 때문에 가스 기구는 열기구보다 훨씬 더 오래 공중에 머물 수 있다. 수소는 곧 기구와 이후 비행선 모두에 가장 흔한 선화 가스가 되었다. 그러나 수소 자체는 가연성이며, 힌덴부르크 참사를 포함하여 1930년대의 몇몇 큰 재난 이후 사용되지 않게 되었다.

 석탄 가스 
석탄 가스는 메탄과 다른 가스들의 혼합물로 구성되며, 일반적으로 수소 양력의 약 절반 정도를 가진다. 19세기 말과 20세기 초에는 시영 가스 공장이 흔해져 저렴한 선화 가스 공급원을 제공했다. 일부 공장은 양력을 높이기 위해 수소 비율을 높이고 일산화탄소를 줄인 기구 행사용 특수 혼합 가스를 생산할 수 있었다.

 헬륨 
헬륨은 불연성이자 무독성인 유일한 선화 가스이며, 수소의 거의 대부분(약 92%)에 달하는 양력을 가지고 있다. 20세기 초가 되어서야 대량으로 발견되었으며, 수년 동안 미국만이 비행선에 사용할 수 있는 충분한 양을 보유하고 있었다. 현재 거의 모든 가스 기구와 비행선은 헬륨을 사용한다.

 저압 가스 

현재는 실용적이지 않지만, 공기를 채우는 대신 주변 공기에 대해 진공 상태인 경식의 공기보다 가벼운 구조물을 건설하는 것이 가능할 수도 있다. 이렇게 하면 열이나 특별한 선화 가스 없이도 물체를 지면 위에 띄울 수 있지만, 공기보다 가벼운 경식 진공실을 만드는 구조적 도전은 상당히 크다. 그럼에도 불구하고, 가스 무게를 구조적 무게와 교환하여 가스의 부력 특성과 진공, 그리고 향상된 양력을 위한 열을 결합함으로써 보다 전통적인 에어로스탯의 성능을 향상시키는 것이 가능할 수 있다.

 부력 제어 
에어로스탯의 부력 제어는 부력의 원리와 외피 내부 가스의 조작에 의존한다. 에어로스탯은 주변 공기보다 밀도가 낮아 양력을 제공하는 헬륨이나 수소와 같은 공기보다 가벼운 가스를 사용한다. 생성되는 부력의 양은 가스의 부피, 밀도, 그리고 외부 대기의 밀도에 따라 달라진다. 이러한 변수들을 제어함으로써 에어로스탯을 상승, 하강시키거나 안정적인 고도를 유지하게 할 수 있다. 기본 메커니즘은 종종 밸브와 구획 시스템을 통해 에어로스탯 외피 내 가스의 부피와 압력을 조절하는 것을 포함한다.

상승하기 위해 에어로스탯은 일반적으로 모래주머니나 다른 무게추로 구성된 밸러스트를 투하하여 전체 무게를 줄이고 밀려난 공기보다 가볍게 만든다. 또는 가스의 온도를 조절하거나(열기구의 경우) 외피 내 가스의 부피를 확장할 수 있다. 가스 부피가 증가함에 따라 에어로스탯은 밀도가 낮아지고 상승한다. 이는 가열(열기구의 경우)을 통하거나 서로 다른 구획 또는 외부 대기 사이의 가스 흐름을 관리하는 밸브를 조절함으로써 제어된다. 블림프와 같은 헬륨 기반 에어로스탯은 안정적인 양력을 얻기 위해 외피 내 헬륨의 무결성과 부피를 유지하는 데 의존한다.

하강할 때 에어로스탯은 부력을 줄여야 하며, 이는 가스의 일부를 배출하거나 추가 밸러스트를 실음으로써 수행될 수 있다. 가스를 배출하면 외피의 부피가 줄어들어 에어로스탯이 주변 공기보다 밀도가 높아져 하강하게 된다. 그러나 헬륨은 한정된 자원이며 비행 중에 쉽게 보충할 수 없으므로 배출은 신중하게 이루어져야 한다. 대신, 에어로스탯은 가스를 영구적으로 잃지 않으면서 양력을 줄이기 위해 가스를 외피 내의 더 작은 구획으로 압축할 수 있는 가역적 시스템을 사용할 수도 있다. 이러한 구획을 관리하거나 가스 흐름을 조절함으로써 에어로스탯의 부력을 정밀하게 제어할 수 있다.

고도를 유지하기 위해 에어로스탯은 가스에 의해 생성된 양력이 에어로스탯의 무게와 같아지는 균형을 이룬다. 이 평형은 밸러스트나 가스 부피의 미세한 조정을 통해 달성된다. 정교한 시스템은 자동 밸브와 센서를 사용하여 대기압, 가스 부피 및 온도를 모니터링하여 수동 개입 없이도 에어로스탯이 안정적으로 유지되도록 할 수 있다. 이러한 지속적인 규제를 통해 에어로스탯은 장기간 고정된 고도에서 정지 비행할 수 있으며, 이는 대기 중에서 일관된 위치를 유지하는 것이 중요한 감시, 통신 중계 또는 과학적 관측과 같은 응용 분야에 유용하게 사용된다.

 각주 

 외부 링크 
 DJ's Zeppelin page
 "Illustrations of the Five Major Types of Lighter-Than-Air-Aircraft" Popular Mechanics, June 1930
 The principle of a balloon flight – Video – 유튜브

분류:항공기
분류:풍선