[과학을읽다]비행기가 구름 위로 날아가는 이유

이륙하기 위해 활주로를 달리고 있는 여객기.[사진=유튜브 화면캡처]

[아시아경제 김종화 기자]수백명의 사람을 태우고 수천~수만㎞ 넘는 거리를 하늘로 이동해야 하는 비행기는 엄청난 양의 연료를 소비합니다.

국내선에 주로 운항하는 B737기의 경우 2만6035ℓ의 항공유를 실을 수 있습니다. 연료인 항공유의 무게만 23t에 달합니다.

연료를 가득 채우고 B737기가 비행할 수 있는 거리는 5500km입니다. 김포-부산간 항로는 직선이 아닌 지그재그형이므로 비행거리는 500㎞ 정도 됩니다. B737의 연료 탑재량과 항속거리로 대략적으로 계산해보면 서울-부산간 연료 소모량은 2400ℓ정도로 추산됩니다.

그렇다면, 인천-뉴욕간 항로에는 얼마나 많은 연료가 소모될까요? 이 항로의 비행거리는 6882마일, 1만1075km, 비행시간은 14시간 입니다. 연료 탑재량도, 항속거리도 최소 B737의 2배는 돼야 한다는 계산이지요.

그래서 국제선의 경우 이보다 훨씬 큰 B747-400 같은 비행기가 투입됩니다. B747-400은 동체 길이 70.6m, 날개 폭 64.4m, 꼬리높이 19.4m, 무게 179t, 최대 이륙 중량 397t의 장거리노선 전용 대형 여객기입니다.

B747-400기의 연료탱크에는 무려 21만6840ℓ의 항공유가 실립니다. 이는 현대차 쏘나타 3000대 가량을 가득 채울 수 있는 양입니다. 이 엄청난 양의 연료는 보통 날개와 기체 일부에 실립니다.

B747-400의 항속거리는 1만3450㎞이니까 연비는 리터당 0.062㎞, 62m를 비행할 때마다 1ℓ가 소비되는 셈이지요.

시간당 1만2751ℓ가 소비되고, 14시간을 날아가니 전체 연료 소모량은 17만8514ℓ 정도입니다. 편도로 쏘나타 약 2500대 분의 연료가 소모된다는 계산입니다.

이렇게 연료 소모가 엄청나다보니 항공업계는 연료를 아끼기 위해 다양한 방법을 동원합니다. 비행기가 구름 위로 높이 날아가는 이유도 연료를 아끼기 위한 방법 중 하나입니다.

보통 민간 항공기는 국제선의 경우 3만5000~4만ft(피트)(1만700~1만2200m), 국내선의 경우 2만5000~2만9000ft(7620~8840m)의 고도에서 운항합니다. 높은 고도로 올라갈수록 공기의 저항을 덜 받을 수 있어 연료효율이 좋아집니다.

그러나 일정 고도 이상은 엔진에 따라 다르지만 오히려 연료효율이 떨어지기 때문에 너무 높은 고도로 올라가지 않습니다. 그래서 각 항공기마다 기준이 되는 적절한 높이의 순항고도를 유지하면서 운항합니다. 압축공기와 기화된 연료를 혼합해 엔진을 구동시키는 항공기 엔진의 특성상 너무 높은 고도에서는 공기 자체가 희박해 공기를 압축하는데 더 많은 연료가 소모되기 때문입니다.

비행기를 띄우는 힘인 양력에도 유리하지 않습니다. 양력은 공기압이 높은 저고도에서 오히려 많이 발생합니다.

구름 위를 날아가는 비행기.[사진=유튜브 화면캡처]

연료를 아끼는 가장 좋은 방법은 비행기의 무게를 줄이는 것입니다. 항공사 입장에서는 승객과 짐을 많이 실을수록 수익이 남습니다. 그래서 연료를 줄이려고 하지요. 인천-뉴욕 노선을 운항할 때 연료를 꽉 채우지 않습니다. 목적지 공항에 도착할 수 있는 적정량을 계산해서 채우게 됩니다.

국내선의 경우는 항상 절반만 채우고 운항합니다. 고고도로 운항하지도 않습니다. 순항고도에 도달하자마자 바로 내려와야 하기 때문에 국제선과 국내선의 순항고도가 서로 다른 것입니다.

이밖에 순항고도에서 제트기류 등을 타고 비행하는 뒷바람인 '배풍', 이착륙시는 '정풍'인 정면에서 부는 앞바람을 활용하면 연료 소모가 적습니다. 지구 자전의 영향도 받습니다. 적도부터 북위 30도 부근까지는 무역풍인 북동풍이 불고, 북위 30~60도까지는 편서풍인 남서풍, 북위 60도부터 북극까지는 편동풍인 북동풍이 붑니다.

남반구는 반대로 적도~남위 30도까지는 남동 무역풍, 남위 30~60도까지는 편서풍인 북서풍. 남위 60도부터 남극지방은 편동풍인 남동풍이 불지요. 지구의 자전 때문에 부는 바람의 방향을 따라 비행하면 연료비도 아끼고 운항시간도 짧아지지만, 역풍으로 비행하면 연료소모도 많고, 운항시간도 길어집니다. 같은 노선인데도 올 때와 갈 때의 운항시간이 달라지는 이유입니다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr