비행

[섬네일|[갈색사다새의 조류 비행.]]
[섬네일|인간이 설계한 비행: 2013년 12월 [히스로 공항에서 이륙하는 유나이티드 항공의 보잉 787.]]

**비행**(飛行)은 물체가 대기 중이나 우주 공간의 진공 속을 행성 표면에 접촉하지 않고 이동하는 운동을 말하며, 우주 공간에서의 비행은 우주 비행이라고도 한다. 이는 활공 비행과 관련된 양력의 생성이나 추진력을 이용하거나, 부력을 이용한 에어로스탯 방식, 또는 탄도 운동을 통해 이루어질 수 있다.

새, 박쥐, 곤충과 같은 동물 비행사부터 날개막 동물, 풍매 씨, 담자포자와 같은 자연적인 활공체/낙하산, 그리고 항공기(비행기, 헬리콥터, 비행선, 풍선 등)와 우주선 및 스페이스플레인을 추진하는 로켓과 같은 인간의 발명품에 이르기까지 많은 것이 비행할 수 있다.

비행의 공학적 측면은 항공우주공학의 영역이다. 여기에는 세 가지 하위 분야가 있다.
* 항공공학 — 대기권을 통과하여 이동하는 운송 수단에 관한 연구.
* 우주항행학 — 우주 공간을 이동하는 운송 수단에 관한 연구.
* 탄도학 — 투사체의 비행에 관한 연구.

## 비행의 유형

### 부력 비행

섬네일|비행선은 공기 치환으로 인한 상향력이 중력과 같거나 크기 때문에 비행한다.
인간은 공기 중에서의 부력 덕분에 지면에서 떠올라 비행하는 공기보다 가벼운 운송 수단을 제작해 왔다.

**에어로스탯**은 주로 부력을 사용하여 항공기에 공기와 동일한 전체 밀도를 부여함으로써 공중에 머무는 시스템이다. 에어로스탯에는 자유 기구, 비행선, 계류 기구가 포함된다. 에어로스탯의 주요 구조 구성 요소는 부력을 제공하기 위해 선화 가스를 담는 가벼운 피부인 외피(envelope)이며, 여기에 다른 구성 요소들이 부착된다.

에어로스탯은 "정압적" 양력을 사용하기 때문에 그렇게 명명되었다. 이는 양력을 발생시키기 위해 주변 공기 덩어리를 통과하는 측면 이동이 필요하지 않은 부력이다. 이와 대조적으로 에어로다인은 주로 공기역학적 양력을 사용하며, 이는 항공기의 적어도 일부가 주변 공기 덩어리를 통과하는 측면 이동을 필요로 한다.

### 공기역학적 비행

#### 무동력 비행 대 동력 비행

날다람쥐와 같이 비행하는 일부 생물은 공기 중에서 추진력을 생성하지 않는다. 이를 활공이라고 한다. 맹금류(활공할 때)나 인간이 만든 글라이더와 같은 다른 것들은 상승하는 공기를 이용하여 상승할 수 있다. 이를 소어링(soaring)이라고 한다. 그러나 대부분의 다른 새들과 모든 동력 항공기는 상승하기 위해 추진원이 필요하다. 이를 동력 비행이라고 한다.

#### 동물 비행

[섬네일|암컷 [청둥오리]]
[섬네일|타우 에메랄드 [잠자리하목]]
[섬네일|[케아앵무]]

동력 비행을 사용하는 생물 그룹은 새, 곤충, 박쥐뿐이며, 많은 그룹이 활공을 진화시켰다. 공룡과 동시대에 살았던 파충류의 목인 멸종된 익룡 또한 매우 성공적인 비행 동물이었으며, 일부 비행 공룡도 존재했던 것으로 보인다. 이들 각 그룹의 날개는 수렴 진화를 통해 독립적으로 진화했으며, 곤충은 비행을 진화시킨 최초의 동물 그룹이다. 비행하는 척추동물 그룹의 날개는 모두 앞다리에 기초하고 있지만 구조적으로 크게 다르다. 곤충의 날개는 다른 대부분의 절지동물 그룹에서 아가미를 형성하는 구조가 고도로 변형된 버전인 것으로 가설화된다.

박쥐는 수평 비행을 지속할 수 있는 유일한 포유류이다. 그러나 사지 사이의 살질 막을 사용하여 나무 사이를 활공할 수 있는 여러 활공 포유류가 있다. 일부는 높이 손실이 거의 없이 이런 방식으로 수백 미터를 이동할 수 있다. 날개개구리는 비슷한 목적을 위해 크게 확장된 물갈퀴 발을 사용하며, 움직일 수 있는 갈비뼈를 한 쌍의 평평한 활공 표면으로 펼치는 날도마뱀도 있다. 크리소펠리아(Chrysopelea, 비행뱀) 또한 움직이는 갈비뼈를 사용하여 몸을 공기역학적 모양으로 평평하게 만들고, 지면에서 사용하는 것과 같은 전후 운동을 사용한다.

날치는 날개 모양으로 커진 지느러미를 사용하여 활공할 수 있으며, 수백 미터를 날아오르는 것이 관찰되었다. 이러한 능력은 수중 포식자로부터 탈출하는 효과적인 수단이었기 때문에 자연선택에 의해 선택된 것으로 생각된다. 기록된 날치의 가장 긴 비행 시간은 45초였다.

몇몇 예외를 제외하고 대부분의 새는 날 수 있다. 가장 큰 새인 타조와 에뮤는 지상에서 생활하는 날지 못하는 새이며, 지금은 멸종된 도도와 신생대 남아메리카의 지배적 포식자였던 공포새(Phorusrhacids)도 마찬가지였다. 날지 못하는 펭귄은 수중에서 사용하기에 적합한 날개를 가지고 있으며, 다른 대부분의 새가 비행을 위해 사용하는 것과 동일한 날개 움직임을 수영에 사용한다. 대부분의 작은 날지 못하는 새들은 작은 섬이 원산지이며, 비행이 거의 이점을 제공하지 못하는 생활 방식을 영위한다.

비행하는 현존 동물 중 나그네알바트로스는 날개폭이 최대 에 달해 가장 크며, 느시는 최대 로 몸무게가 가장 많이 나간다.

대부분의 곤충 종은 성충이 되면 날 수 있다. 곤충의 비행은 두 가지 기본 공기역학 모델 중 하나를 사용한다. 대부분의 곤충에서 발견되는 앞전 와류(leading edge vortex) 생성과 총채벌레목과 같은 매우 작은 곤충에서 발견되는 '클랩 앤 플링'(clap and fling) 기법이다.

많은 종류의 거미, 응애, 나비목은 바람과 대기 전기장에 의해 떠오르는 거미줄 실을 노출시켜 상승 기류와 같은 기류를 타는 벌루닝(ballooning)이라는 기술을 사용한다.

#### 기계적 비행

[섬네일|기계적 비행: [로빈슨 R22 베타 헬리콥터]]

**기계적 비행**은 비행하기 위해 기계를 사용하는 것이다. 이러한 기계에는 비행기, 글라이더, 헬리콥터, 오토자이로, 비행선, 풍선, 오니솝터와 같은 항공기뿐만 아니라 우주선도 포함된다. 글라이더는 무동력 비행이 가능하다. 기계적 비행의 또 다른 형태는 낙하산 같은 물체를 보트가 끄는 파라세일링이다. 비행기에서 양력은 날개에 의해 생성되며, 비행기 날개의 모양은 원하는 비행 유형에 맞게 특별히 설계된다. 날개에는 테이퍼형, 반테이퍼형, 후퇴익, 직사각형, 타원형 등 다양한 유형이 있다. 항공기 날개는 때때로 익형이라고 불리는데, 이는 공기가 그 위를 흐를 때 양력을 발생시키는 장치이다.

##### 초음속

초음속 비행은 음속보다 빠른 비행이다. 초음속 비행은 지상에서 들릴 수 있는 소닉붐을 형성하는 충격파의 형성과 관련이 있으며, 종종 사람들을 깜짝 놀라게 한다. 이 충격파를 생성하려면 상당한 양의 에너지가 필요하다. 이 때문에 초음속 비행은 일반적으로 음속의 약 85%인 아음속 비행보다 효율성이 떨어진다.

##### 극초음속

극초음속 비행은 공기 중의 운동으로 인한 공기 압축에 의해 발생하는 열이 공기에 화학적 변화를 일으킬 정도의 매우 빠른 속도의 비행이다. 극초음속 비행은 주로 우주왕복선이나 소유즈와 같이 재진입하는 우주선에 의해 달성된다.
[섬네일|지구 [궤도에 있는 국제우주정거장]]

### 탄도 비행

#### 대기권 내
일부 물체는 양력을 거의 또는 전혀 생성하지 않으며 운동량, 중력, 공기 저항 및 경우에 따라 추력의 작용 하에서만 또는 주로 이동한다. 이를 탄도 비행이라고 한다. 예로는 공, 화살, 탄알, 폭죽 등이 있다.

#### 우주 비행

본질적으로 탄도 비행의 극단적인 형태인 우주 비행은 우주 기술을 사용하여 우주선이 우주 공간으로 나가고 그 안을 비행하도록 하는 것이다. 예로는 탄도 미사일, 궤도 우주 비행 등이 있다.

우주 비행은 우주 탐사뿐만 아니라 우주여행 및 인공위성 통신과 같은 상업 활동에도 사용된다. 우주 비행의 추가적인 비상업적 용도에는 우주 천문대, 정찰위성 및 기타 지구 관측 위성이 포함된다.

우주 비행은 일반적으로 로켓 발사로 시작되며, 이는 중력을 극복하고 지구 표면에서 우주선을 추진시키기 위한 초기 추력을 제공한다. 일단 우주에 나가면, 추진력이 있을 때나 없을 때의 우주선의 운동은 궤도 역학(astrodynamics)이라고 불리는 연구 분야에서 다룬다. 일부 우주선은 영구히 우주에 머물고, 일부는 대기권 재진입 중에 분해되며, 다른 것들은 착륙이나 충돌을 위해 행성 또는 위성 표면에 도달한다.

#### 고체 추진
2018년, 매사추세츠 공과대학교(MIT) 연구원들은 전기공기역학적 추력으로도 알려진 "이온풍"을 동력으로 사용하여 움직이는 부품이 없는 비행기를 비행시키는 데 성공했다.

## 역사
석기나 창과 같은 초기 투사체부터 오스트레일리아의 부메랑, 열기구인 풍등, 그리고 연에 이르기까지 많은 인류 문화에서 비행하는 장치를 만들어 왔다.

### 항공

조지 케일리는 19세기 전반에 비행을 과학적으로 연구했으며, 19세기 후반에는 오토 릴리엔탈이 200회 이상의 활공 비행을 했으며 비행을 과학적으로 이해한 최초의 인물 중 한 명이었다. 그의 연구는 라이트 형제에 의해 복제 및 확장되었으며, 그들은 활공 비행을 거쳐 마침내 최초의 제어되고 지속적인 유인 동력 비행을 해냈다.

### 우주 비행

우주 비행, 특히 유인 우주 비행은 콘스탄틴 치올콥스키와 로버트 고다드의 이론적 및 실질적 돌파구에 힘입어 20세기 실현되었다. 최초의 궤도 우주 비행은 1957년에 있었고, 1961년에는 유리 가가린이 최초의 유인 궤도 우주 비행에 탑승했다.

## 물리학

[섬네일|공기보다 가벼운 [비행선은 큰 에너지 투입 없이 비행할 수 있다.]]

비행에는 다양한 접근 방식이 있다. 물체가 공기보다 밀도가 낮으면 부력이 생겨 에너지를 소비하지 않고 공중에 뜰 수 있다. 에어로다인으로 알려진 공기보다 무거운 비행체에는 비행 동물과 곤충, 고정익기, 회전익 항공기가 포함된다. 비행체가 공기보다 무겁기 때문에 무게를 극복하기 위해 양력을 생성해야 한다. 공기를 뚫고 이동하는 비행체에 의해 발생하는 공기 저항은 항력이라고 하며, 활공의 경우를 제외하고는 추진력에 의해 극복된다.

일부 운송 수단은 양력 대신 추력을 사용하기도 한다. 예를 들어 로켓과 해리어기가 있다.

### 힘

섬네일|공기보다 무거운 항공기에 작용하는 주요 힘

비행과 관련된 힘은 다음과 같다.
* 추력 (글라이더 제외)
* 양력, 공기 흐름에 대한 반작용으로 생성됨
* 항력, 공기역학적 마찰력으로 생성됨
* 무게, 중력에 의해 생성됨
* 부력, 공기보다 가벼운 비행의 경우

안정적인 비행이 이루어지려면 이러한 힘들이 균형을 이루어야 한다.

#### 추력

[섬네일|[익형 단면에 작용하는 힘]]

고정익기는 공기를 비행 반대 방향으로 밀어낼 때 전방 추력을 생성한다. 이는 프로펠러의 회전 날개, 제트 엔진 뒤쪽에서 밀려 나오는 팽창된 배기가스, 또는 로켓 엔진에서 뜨거운 가스를 분출하는 등 여러 가지 방법으로 수행될 수 있다. 전방 추력은 공기 흐름의 질량에 공기 흐름의 속도 차이를 곱한 값에 비례한다. 가변 피치 프로펠러 날개의 피치를 반대로 하거나 제트 엔진의 역추진 장치를 사용하여 착륙 후 제동을 돕기 위한 역추력을 생성할 수 있다. 회전익 항공기와 추력편향 V/STOL 항공기는 엔진 추력을 사용하여 항공기의 무게를 지탱하고, 이 추력의 전후 벡터 합을 통해 전진 속도를 제어한다.

#### 양력

[섬네일|right|300px|양력은 흐름 방향에 수직인 [공기역학적 힘의 성분으로 정의되며, 항력은 흐름 방향과 평행한 성분이다.]]

비행체에 상대적인 대기 흐름의 맥락에서 **양력**은 흐름 방향에 수직인 공기역학적 힘의 성분이다. 공기역학적 양력은 날개가 주변 공기를 편향시킬 때 발생하며, 공기는 뉴턴의 제3법칙에 따라 날개에 반대 방향으로 힘을 가하게 된다.

양력은 일반적으로 항공기의 날개와 관련이 있지만, 로터에 의해서도 생성된다(로터는 사실상 회전하는 날개이며, 항공기가 공기 중으로 전진할 필요 없이 동일한 기능을 수행한다). "양력"이라는 단어의 일반적인 의미는 양력이 중력에 반대된다는 것을 암시하지만, 공기역학적 양력은 어느 방향으로든 작용할 수 있다. 예를 들어 항공기가 순항 중일 때는 양력이 중력에 반대되지만, 상승, 하강 또는 뱅킹 중에는 양력이 특정 각도로 발생한다. 고속 자동차의 경우, 자동차를 도로 위에 안정적으로 유지하기 위해 양력이 아래쪽으로 작용한다(이를 "다운포스"라고 한다).

#### 항력

유체 속을 이동하는 고체 물체의 경우, 항력은 운동 방향의 반대 방향으로 작용하는 순 공기역학적 또는 수력학적 힘의 성분이다. 따라서 항력은 물체의 운동에 반대되며, 동력 비행체에서는 추력에 의해 극복되어야 한다. 양력을 생성하는 과정에서도 일부 항력이 발생한다.

#### 양항비

섬네일|일반적인 항공기의 속도와 항력 관계
공기역학적 양력은 공기 중을 이동하는 공기역학적 물체(날개)의 운동에 의해 생성되며, 날개의 모양과 각도로 인해 공기를 편향시킨다. 지속적인 직선 및 수평 비행을 위해서는 양력이 무게와 같고 반대 방향이어야 한다. 일반적으로 길고 좁은 날개는 느린 속도에서도 많은 양의 공기를 편향시킬 수 있는 반면, 작은 날개는 동일한 양의 공기를 편향시켜 동일한 양의 양력을 생성하기 위해 더 높은 전진 속도가 필요하다. 대형 화물기는 높은 받음각을 가진 긴 날개를 사용하는 경향이 있는 반면, 초음속 항공기는 날개가 짧고 양력 생성을 위해 높은 전진 속도에 크게 의존하는 경향이 있다.

그러나 이러한 양력(편향) 과정은 필연적으로 항력이라고 불리는 저지력을 유발한다. 양력과 항력은 모두 공기역학적 힘이므로, 양력과 항력의 비율(양항비)은 비행기의 공기역학적 효율을 나타내는 지표가 된다. 양항비는 L/D 비라고 한다. 비행기가 많은 양의 양력을 생성하거나 적은 양의 항력을 생성하면 높은 L/D 비를 갖는다. 양항비는 양력 계수를 항력 계수로 나누어 결정된다(CL/CD).

양력 계수 Cl은 양력 L을 (밀도 r × 속도 V의 제곱의 절반 × 날개 면적 A)로 나눈 값과 같다. [Cl = L / (A * .5 * r * V^2)] 양력 계수는 공기의 압축성에도 영향을 받는데, 이는 고속에서 훨씬 더 크기 때문에 속도 V는 선형 함수가 아니다. 압축성은 항공기 표면의 모양에 의해서도 영향을 받는다.

항력 계수 Cd는 항력 D를 (밀도 r × 속도 V의 제곱의 절반 × 기준 면적 A)로 나눈 값과 같다. [Cd = D / (A * .5 * r * V^2)]

실제 항공기의 양항비는 날개가 비교적 짧은 차량이나 새의 경우 약 4:1에서, 글라이더와 같이 날개가 매우 긴 비행체의 경우 60:1 이상까지 다양하다. 전진 운동에 대한 받음각이 클수록 편향 정도가 커져 추가 양력이 생성되지만, 받음각이 커지면 추가 항력도 발생한다.

양항비는 활공비와 활공 거리도 결정한다. 활공비는 항공기에 작용하는 공기역학적 힘의 관계에만 기초하므로 항공기 무게는 영향을 미치지 않는다. 무게가 미치는 유일한 영향은 항공기가 활공하는 시간을 변화시키는 것뿐이다. 더 높은 비행 속도로 활공하는 더 무거운 항공기는 더 짧은 시간 안에 동일한 접지 지점에 도착하게 된다.

#### 부력

공기 중에서 물체를 밀어 올리는 공기 압력은 위에서 아래로 누르는 압력보다 크다. 두 경우 모두 부력은 밀려난 유체의 무게와 같다. 아르키메데스의 원리는 물에서와 마찬가지로 공기에서도 적용된다.

일반적인 대기압과 상온에서 공기 1세제곱미터의 질량은 약 1.2킬로그램이므로 무게는 약 12 뉴턴이다. 따라서 공기 중의 어떤 1세제곱미터 물체든 12뉴턴의 힘으로 부양된다. 1세제곱미터 물체의 질량이 1.2킬로그램보다 크면(즉, 무게가 12뉴턴보다 크면) 놓았을 때 땅으로 떨어진다. 이 크기의 물체 질량이 1.2킬로그램 미만이면 공중으로 떠오른다. 질량이 같은 부피의 공기 질량보다 작은 물체는 공중으로 떠오르며, 다시 말해 공기보다 밀도가 낮은 물체는 떠오른다.

#### 추력 대 중량비

**추력 대 중량비**는 이름 그대로 순시 추력과 무게의 비이다(여기서 무게는 지구의 표준 가속도 g_0에서의 무게를 의미한다). 이는 로켓 및 기타 제트 엔진과 그러한 엔진에 의해 추진되는 비행체(대개 우주 우주발사체 및 제트 항공기)의 특징인 무차원 매개변수이다.

추력 대 중량비가 국지 중력 강도(g 단위로 표시)보다 크면 전진 운동이나 공기역학적 양력 없이도 비행이 가능하다.

추력 대 중량비에 양항비를 곱한 값이 국지 중력보다 크면 공기역학적 양력을 이용한 이륙이 가능하다.

### 비행 역학

[섬네일|이 [보잉 737에서 보이는 것처럼 항공기의 날개와 수평 안정판이 위쪽으로 기울어진 각도를 상반각(dihedral angle)이라고 한다.]]

**비행 역학**은 3차원 공간에서 공기 및 우주 비행체의 방향과 제어에 관한 과학이다. 세 가지 중요한 비행 역학 매개변수는 피치, 롤, 요로 알려진 비행체의 질량 중심을 축으로 하는 3차원 회전각이다.

이러한 차원의 제어에는 각안정성, 즉 비행 자세(이는 다시 고도, 기수 방향에 영향을 미침)를 제어하는 수평 안정판, 에일러론 및 기타 가동식 공기역학 장치가 포함될 수 있다. 날개는 종종 약간 위쪽으로 각을 이루고 있는데, 이는 고유한 롤 안정성을 제공하는 "양의 상반각"을 갖는다.

### 에너지 효율

추력을 생성(높이를 얻기 위해)하고 공기를 뚫고 나가는 데(양력과 관련된 항력을 극복하기 위해) 에너지가 필요하다. 비행 생물과 물체는 근육/모터의 효율과 이것이 전방 추력으로 얼마나 잘 전환되는지에 따라 차이가 있다.

추진 효율은 비행체가 단위 연료당 얼마나 많은 에너지를 생성하는지를 결정한다.

### 항속 거리

동력 비행 물체가 달성할 수 있는 항속 거리는 궁극적으로 항력뿐만 아니라 보드에 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있는지, 그리고 그 에너지를 얼마나 효율적으로 추진력으로 바꿀 수 있는지에 의해 제한된다.

동력 항공기의 경우 가용 에너지는 연료 분율(이륙 중량 중 연료가 차지하는 비율)과 사용되는 연료의 비에너지에 의해 결정된다.

### 출력 대 중량비

지속적인 비행이 가능한 모든 동물과 장치는 이륙을 달성하기에 충분한 양력 및 추력을 생성할 수 있도록 상대적으로 높은 출력 대 중량비가 필요하다.

## 이륙과 착륙

비행할 수 있는 운송 수단은 다양한 **이륙 및 착륙** 방식을 가질 수 있다. 일반적인 항공기는 이륙을 위한 충분한 양력이 발생할 때까지 지면을 따라 가속하고, 착륙을 위해 그 과정을 반대로 한다. 일부 항공기는 저속에서 이륙할 수 있는데 이를 단거리 이륙이라고 한다. 헬리콥터나 해리어기 같은 일부 항공기는 수직으로 이륙하고 착륙할 수 있다. 로켓 또한 대개 수직으로 이륙하고 착륙하지만, 일부 설계는 수평으로 착륙할 수 있다.

## 유도, 항법 및 제어

### 항법
항법은 현재 위치를 계산하는 데 필요한 시스템(예: 나침반, GPS, LORAN, 별 추적기, 관성 측정 장비, 고도계)이다.

항공기에서 성공적인 항공 항법은 길을 잃지 않고, 항공기에 적용되는 법규를 위반하지 않으며, 탑승자나 지상에 있는 사람들의 안전을 위협하지 않고 항공기를 한 장소에서 다른 장소로 조종하는 것을 포함한다.

공중 항법에 사용되는 기술은 항공기가 시계 비행(VFR) 하에 비행하는지 아니면 계기 비행(IFR) 하에 비행하는지에 따라 달라진다. 후자의 경우, 조종사는 오로지 비행계기와 비콘과 같은 무선 항행 보조 시설을 이용하거나 항공 교통 관제의 레이더 관제 지시에 따라 항행한다. 시계 비행의 경우, 조종사는 적절한 지도를 참조하여 시각적 관찰과 결합된 추측 항법(pilotage라고도 함)을 주로 사용하여 항행한다. 이는 무선 항행 보조 시설을 통해 보완될 수 있다.

### 유도

**유도 시스템**은 선박, 항공기, 미사일, 로켓, 인공위성 또는 기타 이동하는 물체의 항법에 사용되는 장치 또는 장치 그룹이다. 일반적으로 유도는 목표를 향한 벡터(즉, 방향, 속도)의 계산을 담당한다.

### 제어

일반적인 고정익 **항공기 비행 제어 시스템**은 비행 중 항공기의 방향을 제어하기 위해 조종면, 각각의 콕핏 제어 장치, 연결 장치 및 필요한 작동 기구로 구성된다. 항공기 엔진 제어 장치 또한 속도를 변화시키므로 비행 제어 장치로 간주된다.

#### 교통
항공기의 경우, 항공 교통은 항공 교통 관제 시스템에 의해 통제된다.

우주선 충돌 방지는 충돌을 방지하기 위해 우주선을 제어하는 과정이다.

## 비행 안전

**항공 안전**은 항공 사고에 대한 이론, 조사 및 범주화와 규제, 교육 및 훈련을 통한 이러한 실패의 예방을 포괄하는 용어이다. 이는 또한 대중에게 항공 여행의 안전성을 알리는 캠페인의 맥락에서도 적용될 수 있다.

## 같이 보기

* 계기 비행
* 비행기
* 날개

## 각주


분류:공기역학