모처럼 떠나는 가벼운 여행길!

하지만 그만큼 가벼운 나의 지갑!

그렇게 우리는 싼 좌석을 찾아간다.

얄팍한 주머니 사정을 생각해 저가항공을 이용해본 사람이라면, 내가 원하는 좌석을 지정하면 돈을 더 내는 경험을 해봤을 것이다. 좌석을 지정하면 몇천 원~ 몇만 원 정도 더 비싸기 때문에 보통 자리 선택을 포기하고 자동으로 배정되는 자리를 선택하게 되기 마련. 원하는 자리에 돈을 더 내야 하는 게 한편으로는 야속하면서도, 그만큼 저렴한 표를 얻었으니, 그러려니 한다.

하지만, 막상 자리를 배정받고 보면 조금 의아한 부분이 보인다. 내 자리를 포함한 다른 승객들이 배정받은 자리가 듬성듬성 배치되어 있는 것. 게다가 비행기에 오르내리는 출입구는 앞쪽에 있으니까 앞쪽에 앉는 것이 조금 더 편한데, 앞쪽에 빈자리가 있어도 날개 근처로 자리가 배정되곤 한다. 일찍 신청했으면 좋은 자리 줘야 하는 것 아닌가? 퍼스트 컴 퍼스트 서브드! 앞쪽에 뻔히 자리 있는데 스테이크에 소금 뿌려놓은 것마냥 승객들을 듬성듬성 배치해놓다니. 소금 된 기분이다. 짜다 짜.

사실 항공사가 승객들의 편의를 생각하지 않았을 이유는 없다. 듬성듬성 배치도 다 이유가 터. 실제로 우리가 무의식적으로 배정받는 좌석에도 꽤 사려 깊은 뒷이야기가 숨어있다. 오늘은 우리가 왜 '그 자리'에 앉게 된 것인지, 알아보도록 하자.

저가항공 Ryan air의 자리 배치 영상. 정말 듬성듬성 배치된다.

글을 진행하기에 앞서 한 번 생각해보자. 우리 자리의 위치가 비행기에 어떤 영향을 줄까?

래프팅을 하거나, 바다낚시를 가기 위해 조그마한 배에 올라탔을 때, 파도에 휩쓸린 배가 뒤집어지려 하거든 우리는 안간힘을 다해 배가 기우는 반대 방향으로 몸을 기울인다. 같은 맥락으로 배 왼쪽에 물고기 떼가 나타나서 사람들이 우르르 왼쪽으로 몰리면, 배는 무섭게 왼쪽으로 기울어버릴 것이다.

비행기도 마찬가지다. 승객들이 어디에 앉는지, 어디에 짐을 올려놓는지에 따라 무게가 쏠릴 수도 있다. 이를 흔히 "무게중심이 쏠린다."고 표현하는데, 무게중심의 위치는 배나 비행기의 균형을 유지하기도 하고, 깨뜨리기도 하는 굉장히 중요한 요소다. 그러니 아무래도 오늘 글은 비행기의 무게중심에 대한 이야기에서 출발하는 것이 좋겠다.

비행기에서 시소를 보다
무게중심과 공력중심

'공력중심'이란 말이 있다. 조금 어려운 가!  생소한 용어인지라 울렁증을 일으킬 수도 있지만 말만 어렵지, 별로 어려울 것 없는 단어다. 무게중심 친구 정도랄까? 모쪼록, 두 '중심'들은 비행기의 균형을 다루기 위해 꼭 필요한 단어이니 뒤로가기 누르지 말고 차분히 읽어가 보자.

비행기에 작용하는 가장 중요하면서도 큰 두 힘이 있다. 바로, 중력과 양력. 중력과 양력이 조화를 이루어야 비행기는 고도를 유지하면서 안전하게 나아갈 수 있다. 이때, 중력이 작용하고 있는 곳을 대표하는 점을 우리는 '무게중심(Center of Gravity)'이라고 한다. 무게중심에 비행기의 모든 무게가 걸린다고 얘기할 수 있는 것이다. 한편, 양력은 우리 모두가 알듯이 날개에서 발생한다. 그리고 이 양력이 작용하는 지점들을 대표하는 점을 찍을 수 있는데, 이 점을 '공력중심(Aerodynamic Center)'라고 한다.

무게를 대표하는 점, 무게중심! 그리고 양력을 대표하는 점, 공력중심! 끝!

공돌이의 노트 #1 - 진짜 공돌이들을 위한 노트. 그냥 넘어가도 좋아요.
공력중심(AC)은 사실 항공을 공부하는 사람들을 괴롭히는 헷갈리는 개념 중 하나다. 정확한 정의는 "날개의 받음각의 변화에도 모멘트가 일정하게 유지되는 지점"인데, 공학을 전공하는 것이 아니라면 굳이 정확하게 이해할 필요는 없기 때문에 "양력의 중심!" 정도로 간단히 풀이하고 넘어간다.
*풍압중심(Center of Pressure)과는 다른 개념*

무게와 양력을 대표하는 점이라는 건 알겠지만... 이것들이 비행기의 균형과 어떤 관계가 있는 것인지 감이 잘 오지 않을 것이다.

그래서 그다음 작업을 준비해놓았다.

머릿속에 시소를 상상해보자. 이 시소가 바로 비행기다. 음. 잘 안 떠오른다면 위에 올라온 그림을 보며 스스로 최면을 걸어보시라.

시소의 가운데에는 시소를 받쳐주는 받침대가 있다. 이 받침대가 시소를 들어 올려주고 있으니 받침대는 비행기의 날개, 즉 공력 중심을 상징한다고 할 수 있다. 그렇다면 무게중심은? 그렇다. 바로 시소에 올라탄 우리, 그러니까 비행기에 실린 승객, 연료, 그리고 짐들이다.

만약 우리가 받침대 바로 윗부분인 시소의 한가운데에 서 있다면, 시소는 기울지 않을 것이다. 비행기도 똑같다. 우리가 받침대 위에 서 있듯이 날개 근처에 있는 공력중심과 무게중심이 정확히 포개진다면 비행기는 기울지 않는다. 하지만 우리가 시소의 어느 한쪽으로 걸어가게 되면 시소는 바로 우리가 서 있는 쪽으로 기울어버린다. 즉, 비행기의 머리나 꼬리가 무거워져(우리가 시소 위에서 걸어가) 무게중심(우리가)이 공력중심(받침대)에서 벗어나게 된다면 비행기는 고꾸라지는 것이다.

하지만 시소의 균형을 완벽하게 맞춘다는 것은 쉽지 않은 일이다. 시소도 어려운데 비행기는 오죽할까? 그리고, 설령 균형을 기가 막히게 맞췄다 하더라도 이 균형은 금방 깨지고 말 것이다. 우리는 비행 중 화장실을 들락날락 거리기도 하며, 승무원들은 기내 맨 앞부터 뒤까지 걸어 다닌다. 어디 그뿐인가? 비행기를 날리기 위한 엄청난 양의 연료도 시시각각 연료통에서 엔진으로 흘러 들어가니, 비행기의 무게중심은 이동할 수밖에 없어 보인다. 아무래도 비행기의 균형을 맞추기란 여간 어려운 일이 아닌 것 같다.

그럼에도 비행기는 흐트러짐 없이 자세를 유지하고 앞으로 잘만 나아간다. 이는 비행기가 기울지 않게 잡아주는 무엇인가가 있다는 뜻일 터.

우리가 열심히 시소의 균형을 맞추기 위해 애쓰고 있을 때,

옆에 친구가 하나 걸어오더니 한 마디 던진다.

“뭐하러 균형 맞추면서 사서 고생을 하냐? 한 명이 끝에 잡아주면 되잖아.”

시소를 잡아주는 친구
꼬리날개

그렇다. 시소를 기울지 않게 하고 싶거든 한쪽 끝에서 시소를 잡아주면 될 일이다! 아이고 명쾌해라. 비행기에도 이런 존재가 있다. 비행기의 한쪽 끝에서 비행기를 잡아주는 존재, 바로 저번 편의 주인공인 꼬리날개다. 

무게중심과 공력중심의 위치가 어긋나 비행기가 앞이나 뒤로 고꾸라지려고 할 때면, 꼬리날개는 시소를 잡아주듯이 비행기가 넘어가지 않도록 적당한 양력을 올바른 방향으로 만들어낸다. 비행기의 머리가 무거워 비행기가 앞으로 고꾸라지려고 하거든, 꼬리날개는 비행기의 꼬리를 아래로 눌러 비행기가 앞으로 넘어가지 않게 잡아준다. 시소가 넘어가려고 하니, 반대편에서 친구가 시소를 힘껏 눌러주는 것과 같은 것이다.

공돌이의 노트 #2
비행기의 앞쪽에 무게가 너무 쏠리면, 이륙에 문제가 생기기도 한다. 머리가 잘 들리지 않아 이륙이 힘든 것인데, 실제로 일부 항공사는 승객들이 앞쪽에 몰려 앉았을 경우 이륙 시에만 승객들 일부를 뒷좌석으로 이동시키기도 한다. 순항할 때 원래 자리로 돌아온다고 한다.

비행 중 바람의 방향이 바뀌고, 연료가 이동하고, 승객들과 짐이 이리저리 흔들려도 비행기가 균형을 잡을 수 있었던 것은 날개들 덕분이다. 특히 앞뒤 무게 균형이 안 맞으면 수평 꼬리날개가 비행기 꼬리를 눌러주거나 들어주며 비행기가 균형을 잡고 똑바로 나아갈 수 있게 해준다. 꼬리날개 참, 저번 편부터 보면 볼수록 고마운 존재다.

이제 원래의 문제로 돌아와서 고민해보자.

지금까지 승객들이 어디에 앉느냐에 따라 무게중심이 이동한다는 이야기를 했다. 그런데, 무게중심이 쏠려도 균형을 확실하게 잡아주는 든든한 꼬리날개가 있으니 우리가 어디에 앉는지는 별로 문제가 안 되는 것 같은데... 그럼에도 굳이 우리의 자리를 저렇게 분산시켜놔야하는 이유는 무엇인 걸까?

친구가 시소를 잡아주니 너무 편하다. 

그 친구에게 시소를 계속 잡아달라고 하니 친구가 한마디 더 한다.

“시소 잡아주면 뭐 해줄 건데”

공짜는 없다
균형잡기의 비용, 공기저항

세상이 정말 그런 것 같다.

필요한 것들은 다 공짜가 아니다. 슬프다.

비행하는 데에는 양력이 필수적이다. 비행기를 띄우는 데에는 물론이고, 꼬리날개로 비행기의 균형을 잡아주기 위해서도 양력을 만들어내야 한다. 한편, 항공 분야에는 불변의 진리가 하나 있다.

바로, 양력은 곧 공기저항이라는 진리.

공기저항은 양력에 비해서는 훨씬 적지만, 양력의 제곱에 비례해 커지는 경향이 있다. 그러니까 양력이 2배 되면 공기저항은 4배가 되는 것이다. 따라서, 연료를 아끼기 위해서는 딱 필요한 만큼의 양력만을 쓰는 것이 정말 중요하다. 그런데 만약 비행기의 균형이 안 맞아 꼬리날개에서 꼬리를 눌러주는 힘을 만들어야 한다면?

양력은 곧 공기저항이다.

꼬리날개는 꼬리날개대로 힘을 만들어내야 하니 공기저항이 증가할 것이고, 꼬리날개가 비행기를 아래로 누르니 주날개는 그만큼의 힘을 보상하기 위해 더 큰 양력을 만들어낼 것이다. 즉, 비행기의 균형이 맞지 않으면 주날개와 꼬리날개 모두 만들어내는 힘이 커지게 되고 결국 전체적으로 공기저항이 커지게 된다. 한 마디로 비행기의 균형이 깨질수록, 비행기는 더 많은 연료를 소모한다는 의미가 된다. 시소를 잡아주는 친구가 더 많은 일을 할수록, 더 비싼 밥을 사줘야 하는 꼴인 것.

연료를 최대한 아껴야 하는 항공사 입장에서는 결코 달갑지 않은 일이다. 따라서, 항공사는 항공기의 무게중심을 최대한 공력중심에 맞추어 꼬리날개가 최대한 일을 덜 하게 만드는 것이 이득이다. 시소의 균형을 그래도 최대한 맞춰 잡아주는 친구를 덜 힘들게 해야 초콜릿 하나 사주는 정도로 그 친구를 달랠 수 있는 것이다.

안정성과 경제성의 저울질
우리가 그 자리에 앉은 이유

한편, 비행기의 무게중심과 공력중심의 관계는 연료 소모량뿐만 아니라 항공기의 안정성에도 영향을 미친다.

사실 항공기들은 안정적으로 비행하기 위해 정확히 균형이 맞는 상태보다는 머리가 조금 무거운 상태로 비행한다. 저번 편에서 '정적 안정성'을 설명하며 차창 밖으로 부채를 펼치는 실험을 떠올려보면 이해가 될 것이다. 무게중심을 상징하는 손이, 날개를 상징하는 부채보다 앞에 있을 때 안정하다는 얘기를 했었다. 무게중심과 공력중심도 똑같다. 무게중심이 날개와 관련된 공력중심보다 앞에 있을수록 비행기는 안정해진다. 즉, 머리가 무거울수록 비행기는 안정해진다.

반면, 지금까지 우리는 머리도, 꼬리도 무겁지 않은, 정확히 균형이 맞을 때 연료를 가장 아낄 수 있다는 얘기를 해왔다. 그러니까, 연료를 아끼기 위해서는 머리가 무겁지 않게 최대한 균형을 맞춰야 하지만, 안정적으로 날자니 머리를 무겁게 해야 하는 것. 때문에 최적의 무게중심은 비행기의 안정성을 보장하면서도 연료를 최대한 아낄 수 있는, 공력중심보다 약간 앞쪽 어딘가로 정해지곤 한다. 그리고 항공사들은 이 경제성과 안정성을 고려한 위치에 무게중심을 올려놓기 위해 최대한 노력한다.

자, 다 왔다.

이것이 바로, 우리가 원하는 좌석을 선택하면 돈을 더 내는 이유다. 우리가 원하는 좌석을 선택하는 대신, 이상적인 무게중심에서 벗어난 만큼의 비용을 지불하는 것이다. 그것이 연료를 더 소모하는 방향이었든, 안정성을 조금 해하는 방향이었든. 또한, 우리가 좌석 선택권을 포기하면, 항공사는 무게중심을 이상적인 지점에 최대한 맞춰보기 위해 승객들을 비행기의 주날개 부근부터 차례대로 소금 뿌리듯이 배치하게 된다.

우리의 자리는 안정성과 경제성의 저울질을 통해 결정된 것이었다.

 공돌이의 노트 #3
항공기의 꼬리가 지나치게 무거워져 무게중심이 공력중심보다 뒤로 가면 굉장히 위험한 상황이 발생한다. 저번 편에서 다뤘던 안정성이 크게 저하되는 것이 이유다. 실제로 2013년, National Airways 소속의 점보 화물기가 군용 차량을 싣고 이륙한 직후, 결박이 풀려 차량들이 뒤로 쏟아졌고 항공기는 결국 중심을 잃고 추락했다. 추락 장면이 생생하게 찍혀 많은 화제가 됐던 사건이다.

생각보다 중요한
비행과 무게중심

알게 모르게, 우리가 비행기에 타서 열심히 졸고 있는 사이, 비행기의 무게중심은 가장 이상적인 위치를 찾아 조금씩 이동하기도 한다.

움직임이 많은 이착륙 시에는 비행기의 안정성이 경제성보다 우선시되는 반면, 움직임이 적은 순항 때는 경제성이 조금 더 우선시된다. 따라서 순항 때는 무게중심을 약간 뒤로 옮겼다가, 이착륙 시에만 다시 앞으로 옮기는 것이 좀 더 효율적이라 할 수 있는데, 무게중심 옮긴다고 사람을 옮길 수는 없으니 비행기들은 연료를 옮긴다. 이착륙 시에는 주날개에 있는 앞쪽 연료통에 연료가 모여있다가, 몇몇 조건이 맞으면 순항 시에는 연료 일부가 꼬리날개 쪽 연료통으로 이동해 무게중심을 뒤로 옮긴다.

연료를 이용해 무게중심을 이동하는 것이 일반 여객기들에는 약간의 이득을 위한 작업이지만, 음속을 넘나드는 비행기에는 비행 가능 여부를 결정하는 굉장히 중요한 요소가 되기도 한다. 음속을 돌파하면 공력중심 자체가 이동해버리곤 하는데, 이는 시소 받침대 자체가 움직인 꼴인지라 무게중심은 이에 맞춰 열심히 이동해야 항공기가 균형을 잡을 수 있다. 

초음속 여객기였던 콩코드의 경우, 음속을 돌파하면서 연료를 뒤로 보내 무게중심을 뒤로 옮기고, 이착륙 시에는 연료를 앞으로 이동시켰다. 무게중심을 이동시키지 못하면 이착륙이 불가능했을 정도로 무게중심의 위치는 중요했기 때문에, 고장을 대비해 연료 탱크당 연료를 이동시키는 펌프만 4개씩 장착했다고 한다.

꽤나 길고 긴 이야기였다. 분명 우리가 어디에 앉는지 궁금해서 읽기 시작했는데, 갑자기 비행기의 무게중심과 공력중심에 대한 이야기가 나오더니, 꼬리날개에 안정성과 연료까지.. 너무 어려워진 것은 아닌가 걱정이 조금은 된다.

좌석의 위치와 가격을 결정하는 데에는 비행기의 무게중심 외에도 다양한 요인들이 작용한다. 무게중심도 그중 하나였을 뿐이며, 실제로 많은 항공사들은 좌석 위치에 따른 추가 비용을 지불하지 않기도 한다. 그러니, 사실 오늘 글의 진짜 주제는 비행기의 무게중심에 대한 이야기였다 해도 무방할 것 같다. 앞으로 비행기의 날개 근처에 자리를 배정받았거든, 아 나는 무게중심 잘 잡아주고 있구나.. 생각해보도록 하자.

비행과 관련된 이론적인 내용을 실제로 우리가 밀접하게 경험하게 된다는 점에서 흥미를 느꼈기를 바라며, 오늘의 글을 이만 줄인다.

 진짜 공돌이를 위한 노트 - 자세히 알고 싶은 여러분께.
1. 항공기의 안정성은 공력중심과 무게중심 사이의 거리가 아닌, 중립점(Neutral Point)과 무게중심 사이의 관계로 정의됩니다. 하지만 글의 난이도 조절을 위하여 공력중심으로 진행됐습니다.
2. 공력중심은 정의상 그 자체로 기본적인 모멘트를 갖고 있습니다. 따라서 정확히 균형이 맞기 위해서는 무게중심과 공력중심이 약간은 빗겨나가 있어야 합니다.

/사진: jetphotos.net(Tombarelli Federico, Adam Nogly, Saurabh Patel, Randall Johnson, Luca Xavier Bozzo), avstop.com