항공우주공학과

비행체 개념설계

Aircraft Conceptual Design

항속거리·탑재량 같은 요구 성능으로부터, 비행 내내 전체 무게를 지탱할 날개면적과 필요한 연료량을 서로 맞물린 관계식으로 반복 계산해 비행체의 초기 크기·형상·무게를 결정하는 설계 단계. 연료가 많이 필요하면 기체가 커지고, 기체가 커지면 다시 더 많은 연료가 필요해지는 순환 관계를 수렴시키는 게 핵심.

ex) 새 여객기를 설계할 때 목표 항속거리·좌석 수만으로 대략적인 기체 크기를 먼저 추정하는 단계.

기체 구조역학

Airframe Structural Mechanics

비행 중 날개에는 양력이 위로, 자중이 아래로 작용해 날개 뿌리에 큰 굽힘모멘트가 걸리고, 동체에는 기동 시 관성력과 객실 여압 압력이 함께 작용하는데, 이 모든 하중을 견디면서도 무게를 최소화하도록 스트링어·리브·스킨으로 이루어진 응력외피 구조를 해석·설계하는 학문.

ex) 비행기 날개가 비행 중 위아래로 크게 휘어도 부러지지 않고 원래 형태로 돌아오도록 설계되는 구조.

피로 및 파괴역학

Fatigue & Fracture Mechanics

이착륙 시 충격과 매 비행마다 객실 여압이 걸렸다 풀리는 반복 하중이 수만 번 누적되면, 항복강도보다 훨씬 낮은 응력에서도 미세균열이 서서히 자라나다 어느 순간 급속히 전파돼 파괴에 이르는 과정을 예측해, 균열이 위험 크기에 도달하기 전에 반드시 점검·교체하는 안전 수명을 설계하는 학문.

ex) 여객기 동체가 일정 비행 횟수마다 미세균열 여부를 정밀 점검받는 정비 주기의 근거.

스마트 복합재료

Smart Composite Materials

탄소섬유 복합재료 내부에 광섬유 센서나 압전 소자를 함께 매립해, 구조물 스스로 내부 응력·손상 여부를 실시간 감지하거나(자가진단), 전압을 가해 형상을 미세하게 바꿔 진동을 능동적으로 제어할 수 있는 차세대 항공 복합재료.

ex) 날개 내부에 매립된 센서가 미세 손상을 조종석에 실시간으로 알려주는 차세대 구조 건전성 모니터링(SHM).

스텔스 형상설계

Stealth Shape Design

레이더 전파가 기체 표면에서 발신원 방향으로 되돌아가지 않고 다른 방향으로 산란되도록 표면을 각진 다면체나 매끄러운 곡면으로 설계하고, 전파를 흡수하는 특수 도료(RAM)를 코팅해 레이더 반사 면적(RCS)을 최소화하는 기술.

ex) F-35 전투기의 각진 표면과 내부 무장창이 레이더 반사를 최소화하도록 설계된 것.

공탄성과 플러터

Aeroelasticity & Flutter

비행체 구조는 완전히 강체가 아니라 공기력을 받으면 미세하게 휘고 비틀리는데, 이 변형이 다시 주변 공기 흐름을 바꾸고 그 바뀐 공기력이 다시 구조를 변형시키는 상호작용(공탄성)이 특정 속도 이상에서는 서로를 계속 증폭시켜 발산적으로 진동이 커지는 플러터 현상으로 이어질 수 있음. 이 불안정이 시작되는 임계속도를 정확히 예측해 비행 포락선(운항 가능 속도 범위) 밖에 두는 게 항공기 안전 설계의 핵심 검증 항목.

ex) 신형 항공기가 실제 비행시험 전 풍동실험으로 플러터가 발생하는 속도를 미리 확인해 안전 마진을 확보하는 것.

착륙장치(랜딩기어) 설계

Landing Gear Design

착륙 순간 기체 전체의 하강 운동에너지를 유압-공압 완충장치(올레오 스트럿)가 흡수해 동체와 승객에게 전달되는 충격을 완화하고, 지상에서는 조향과 제동까지 담당하는 시스템. 착륙 시 순간적으로 걸리는 하중이 비행 중 어떤 하중보다도 커서, 랜딩기어 구조는 별도의 엄격한 충격하중 기준으로 설계됨.

ex) 착륙 순간 바퀴가 완충장치 안으로 눌려 들어가며 충격을 서서히 흡수해 기체에 전달되는 충격을 줄이는 것.

손상허용설계

Damage Tolerance Design

완벽히 무결점인 구조를 만드는 게 불가능하다는 전제 아래, 제작이나 운용 중 이미 미세한 균열이 존재한다고 가정하고 그 균열이 정기점검 주기 안에 위험 크기로 자라나지 않을 만큼 구조가 충분한 여유를 갖도록 설계하는 철학. 균열이 아예 없을 것이라 가정하는 안전수명설계보다 훨씬 현실적이고 보수적인 접근으로, 현대 여객기 설계의 표준.

ex) 여객기 동체 패널에 존재할 수 있는 미세균열이 다음 정비 때까지 위험 크기로 자라지 않을 것을 보장하는 설계 기준.

압축성/비압축성 유체역학

Compressible & Incompressible Fluid Dynamics

마하수 (속도 와 음속 의 비)이 0.3 미만이면 공기 밀도 변화가 무시할 만큼 작아 비압축성으로 단순화해 해석할 수 있지만, 마하수가 커질수록 공기가 압축되며 밀도가 크게 변해 압축성 효과(충격파 등)를 반드시 고려해야 하는 별도의 방정식 체계로 다뤄야 함.

ex) 프로펠러 경비행기(저속)와 전투기(고속)의 유동 해석에 전혀 다른 이론 체계를 적용하는 이유.

초음속/극초음속 유동해석

Supersonic/Hypersonic Flow Analysis (CFD)

음속을 넘는 초음속에서는 기체 앞에 충격파가 생겨 압력·온도가 불연속적으로 급변하고, 마하 5 이상의 극초음속에서는 공기 분자가 해리·이온화되는 화학반응까지 일어나는데, 이런 복잡한 유동을 해석적으로 풀 수 없어 컴퓨터로 격자를 나눠 근사하는 전산유체역학(CFD)으로 충격파 위치와 열적 하중을 계산함.

ex) 극초음속 미사일이나 재진입 캡슐이 받는 극심한 공력가열을 CFD로 미리 예측하는 것.

비행체 주위의 열전달

Aerothermal Heat Transfer

고속으로 비행하는 기체 표면은 공기 분자와의 마찰과 압축으로 운동에너지가 열로 바뀌어 매우 뜨거워지는 공력가열 현상을 겪는데, 이 열이 기체 구조를 손상시키지 않도록 내열 소재나 열을 흡수하며 표면이 서서히 깎여나가는 삭마재로 열 방호 시스템을 설계함.

ex) 우주선이 대기권에 재진입할 때 표면 온도가 수천 도까지 오르는 것을 견디는 내열 타일.

소음 저감 기술

Aeroacoustic Noise Reduction

엔진 배기 제트가 주변 공기와 강하게 섞이며 생기는 난류나 날개 표면의 공기 박리로 발생하는 공력 소음을, 배기구 형상을 톱니 모양으로 바꿔 혼합을 부드럽게 하거나 흡음재를 적용해 줄이는 기술.

ex) 최신 여객기 엔진 배기구가 톱니 모양(쉐브론)으로 설계돼 이착륙 소음을 줄이는 것.

쿠타-주코프스키 정리와 양력

Kutta-Joukowski Theorem & Lift

날개 단면(익형)이 유체 속을 지날 때 형상 때문에 날개 주위에 생기는 순환 (공기가 날개를 휘감아 도는 정도)가 있으면, 이 순환과 유속 의 곱에 비례하는 양력 이 발생한다는 정리. 단순히 "날개 위 공기가 빨라서 압력이 낮다"는 설명보다 훨씬 엄밀하게, 날개 형상이 만드는 순환이 양력의 근본 원인임을 수학적으로 규명함.

ex) 날개 형상(캠버, 받음각)을 바꿔 원하는 순환과 양력을 만들어내도록 설계하는 익형 설계의 이론적 기반.

경계층 이론

Boundary Layer Theory

점성이 있는 실제 유체는 물체 표면에 바로 붙은 얇은 층(경계층) 안에서만 속도가 0에서 자유흐름 속도까지 급격히 변하고, 그 바깥은 점성을 무시해도 되는 흐름으로 근사할 수 있음. 경계층이 얇고 표면에 붙어 흐르면(층류·부착) 항력이 작지만, 압력이 높아지는 구간에서 경계층이 표면에서 떨어져나가는 박리가 일어나면 항력이 급증하고 양력이 급격히 떨어짐(실속).

ex) 날개 받음각이 너무 커지면 표면의 경계층이 떨어져나가 갑자기 양력을 잃는 실속 현상의 근본 원인.

유도항력과 날개끝 와류

Induced Drag & Wingtip Vortices

날개 아랫면의 높은 압력 공기가 날개 끝을 돌아 윗면의 낮은 압력 쪽으로 흘러들어가며 소용돌이(와류)를 만드는데, 이 와류가 날개 뒤쪽 공기 흐름을 아래로 꺾어(하향세류) 양력 벡터를 살짝 뒤로 기울여 추가적인 항력(유도항력)을 발생시킴. 날개폭이 길수록(가로세로비가 클수록) 이 손실이 줄어들어, 활공기나 장거리 여객기가 유독 길고 가느다란 날개를 갖는 이유가 됨.

ex) 여객기 날개 끝에 위로 살짝 꺾인 윙렛을 달아 날개끝 와류를 줄이고 연료 효율을 높이는 것.

가스터빈(제트) 엔진

Gas Turbine/Jet Engine

압축기로 공기를 고압으로 압축하고, 연소기에서 연료와 섞어 태워 얻은 고온·고압 가스로 터빈을 돌려 압축기를 구동한 뒤, 남은 에너지로 배기가스를 고속 분사함으로써 추력 를 얻는 엔진. 추력은 배출되는 공기의 질량유량 과 배기속도 가 유입속도 보다 얼마나 빠른지에 비례함(운동량 보존).

ex) 여객기 엔진이 앞에서 빨아들인 공기보다 훨씬 빠른 속도로 뒤로 뿜어내며 추력을 만드는 원리.

액체/고체 로켓추진

Liquid/Solid Rocket Propulsion

대기 중 산소 없이도 자체적으로 산화제와 연료를 반응시켜 추력을 얻는 방식으로, 액체 추진은 탱크에 저장된 연료·산화제를 펌프로 연소실에 공급해 추력 조절이 가능하고, 고체 추진은 미리 굳혀둔 추진제 덩어리가 한 번 점화되면 끝까지 연소되는 대신 구조가 단순함. 로켓 방정식은 추진제 질량비()가 클수록 얻을 수 있는 속도 변화량 가 커짐을 보여줌.

ex) 누리호가 여러 단으로 나뉘어 다 쓴 연료탱크를 버리며 가벼워져 속도를 더 낼 수 있는 이유(다단 로켓).

차세대 이온추진

Next-Gen Ion Propulsion

추진제(주로 크세논)를 전자충돌로 이온화한 뒤 강한 전기장으로 가속해 초고속으로 분사하는 방식. 화학 로켓보다 추력은 매우 작지만 같은 추진제 양으로 훨씬 오래, 훨씬 큰 총 속도 변화를 만들어낼 수 있어(높은 비추력) 장기간 우주선을 서서히 가속하는 데 유리함.

ex) 심우주 탐사선이 수개월에 걸쳐 이온엔진으로 서서히 가속해 먼 행성까지 도달하는 것.

연소공학

Combustion Engineering

연료와 산화제가 만나 화학반응으로 열과 압력을 만들어내는 과정을, 연료 분사·혼합·점화·화염 전파까지 화학반응속도론과 유체역학을 함께 적용해 분석하는 학문. 연소가 불안정하면 압력 진동이 엔진을 손상시킬 수 있어 안정적인 연소 설계가 핵심 과제.

ex) 로켓엔진 연소실 내부에서 연료와 산화제가 균일하게 섞여 안정적으로 타도록 분사기를 설계하는 것.

터보기계 설계

Turbomachinery Design

제트엔진의 압축기·터빈처럼 회전하는 날개(블레이드) 열을 여러 단으로 배치해, 공기 흐름과 에너지를 주고받는(압축기는 에너지를 흡수해 압력을 높이고, 터빈은 에너지를 뽑아내 압축기를 구동) 회전기계를 유체역학·구조역학을 함께 고려해 설계하는 학문.

ex) 제트엔진 안에서 수십 개의 블레이드 단이 정밀하게 맞물려 공기를 단계적으로 압축하는 설계.

라발 노즐과 초킹

de Laval Nozzle & Choked Flow

로켓·제트엔진의 노즐은 처음엔 좁아지다가(수축부) 다시 넓어지는(확산부) 독특한 형상을 갖는데, 목(가장 좁은 지점)에서 유동 속도가 정확히 음속에 도달해 유량이 그 이상 늘지 않는 초킹 상태가 되면, 그 뒤로 이어지는 확산부에서는 압축성 유체 특유의 성질 때문에 오히려 단면이 넓어질수록 속도가 계속 빨라져 초음속까지 가속됨. 이 형상 설계가 배기가스를 초음속으로 분사해 추력을 극대화하는 핵심 원리.

ex) 로켓엔진 노즐이 병목 모양 뒤에 나팔처럼 벌어지는 독특한 형상을 갖는 이유.

브레이튼 사이클

Brayton Cycle

가스터빈 엔진이 공기를 압축(단열압축)하고, 일정 압력에서 연료를 태워 열을 가하고(등압가열), 터빈에서 팽창시켜 일을 뽑아낸 뒤(단열팽창), 대기 중으로 배출하는(등압방열) 네 과정을 반복하는 열역학 사이클. 압축비가 높을수록, 터빈 입구 온도가 높을수록 이론 열효율이 높아져, 소재 기술의 발전으로 터빈 입구 온도를 얼마나 견디게 만드느냐가 엔진 효율 경쟁의 핵심이 됨.

ex) 최신 제트엔진이 내열 합금과 냉각 기술로 터빈 입구 온도를 계속 높여 연비를 개선하는 것.

하이브리드·전기 추진

Hybrid & Electric Propulsion

배터리로 전기모터를 돌려 프로펠러나 팬을 구동하는 전기추진은 배기가스가 없고 소음이 적지만 배터리의 에너지밀도가 항공유보다 훨씬 낮아 장거리 비행에는 한계가 있어, 소형기는 배터리만으로, 대형기는 가스터빈 발전기와 배터리를 함께 쓰는 하이브리드 방식으로 탄소배출을 줄이려는 차세대 추진 분야.

ex) 도심항공교통(UAM)용 소형 기체가 배터리 전기모터로 소음과 배출가스 없이 근거리를 비행하는 것.

비행동역학 및 제어

Flight Dynamics & Control

비행체에 작용하는 양력·항력·추력·중력과 이들이 만드는 롤·피치·요 모멘트를 뉴턴 운동방정식으로 분석하고, 목표 자세·궤적과 현재 상태의 오차를 계속 피드백해 조종면(플랩, 러더 등)을 자동 조정함으로써 원하는 자세와 궤적을 유지하는 학문.

ex) 여객기 오토파일럿이 순항 중 기류 변화에도 자동으로 자세를 안정시키는 것.

GPS/INS 결합 항법시스템

GPS/INS Integrated Navigation

GPS는 절대 위치를 정확히 알려주지만 신호가 끊기면 무용지물이고, 관성항법(INS)은 자이로·가속도계로 가속도를 적분해 어디서든 위치를 추정할 수 있지만 시간이 지날수록 오차가 누적되는데, 칼만필터로 두 센서의 장점만 결합해 GPS 신호가 잠깐 끊겨도 정밀하고 안정적인 위치·자세 추정을 유지하는 시스템.

ex) 터널이나 도심 고층빌딩 사이에서 GPS 신호가 약해져도 INS가 위치 추정을 이어가는 것.

미사일 유도알고리즘

Missile Guidance Algorithms

목표물과 미사일 사이의 상대 위치·속도를 센서로 계속 관측하며, 목표물의 시선각 변화율에 비례해 미사일의 진행 방향을 조정하는 비례항법유도(PN guidance) 등의 알고리즘으로 목표물의 회피 기동에도 실시간으로 경로를 수정해 명중률을 높이는 제어 기법.

ex) 움직이는 항공기를 요격하는 미사일이 목표의 회피 기동에 실시간으로 대응해 경로를 수정하는 것.

자율비행 제어

Autonomous Flight Control

조종사 없이 카메라·라이다·GPS 등 센서 정보만으로 주변 환경을 인식하고, 장애물을 회피하며 목적지까지의 최적 경로를 스스로 계획·수정해 비행하는 무인기(드론) 제어 기술. 센서 융합과 실시간 의사결정이 핵심.

ex) 택배 배송 드론이 사람 개입 없이 장애물을 피해가며 목적지까지 자율비행하는 것.

확장칼만필터

Extended Kalman Filter (EKF)

기본 칼만필터는 시스템이 선형이라는 가정 아래 최적의 예측-보정을 반복하는데, 비행체의 자세 운동처럼 실제 항법 문제 대부분은 비선형이라 그대로 적용할 수 없음. 확장칼만필터는 비선형 모델을 매 순간 현재 추정값 근처에서 선형으로 근사(테일러 전개)한 뒤 기본 칼만필터의 예측-보정 사이클을 적용해, 비선형 시스템에서도 센서 잡음을 걸러내며 실시간으로 최적에 가까운 위치·자세 추정을 유지함.

ex) 드론이나 미사일이 GPS·IMU 등 여러 잡음 섞인 센서 데이터를 통합해 정확한 위치·자세를 실시간 추정하는 항법 알고리즘의 핵심.

PID 제어

PID Control

목표값과 현재값의 오차 에 비례하는 힘(P, 즉각 반응), 오차가 누적된 만큼 보정하는 힘(I, 정상상태 오차 제거), 오차가 변하는 속도에 반응하는 힘(D, 과도한 진동 억제)을 합쳐 제어 입력 를 계산하는 가장 널리 쓰이는 피드백 제어 기법. 세 이득 를 어떻게 조율하느냐에 따라 응답 속도와 안정성 사이의 균형이 결정됨.

ex) 드론이 목표 고도에서 벗어나면 PID 제어기가 오차 크기와 변화 속도에 맞춰 모터 출력을 실시간으로 조정해 다시 고도를 맞추는 것.

SLAM(동시적 위치추정 및 지도작성)

Simultaneous Localization and Mapping (SLAM)

GPS를 쓸 수 없는 실내나 미지의 환경에서, 라이다·카메라 센서로 주변 지형지물을 관측하며 지도를 만드는 동시에 그 지도 안에서 자신의 위치를 스스로 추정하는 기술. 지도가 없으면 위치를 알 수 없고, 위치를 모르면 정확한 지도를 만들 수 없는 닭과 달걀 문제를, 두 추정을 서로 보정하며 반복적으로 풀어냄.

ex) 실내 배송 드론이나 GPS 음영 지역의 무인기가 사전 지도 없이도 주변을 스캔하며 스스로 위치를 파악하고 이동하는 것.

우주역학

Astrodynamics

지구 같은 중심체 주위를 도는 위성의 궤도가 케플러의 법칙에 따라 타원을 그리며, 공전 주기 의 제곱이 궤도 긴반지름 의 세제곱에 비례한다는 관계를 뉴턴의 만유인력 법칙으로부터 유도해, 위성·우주선의 궤도 운동을 예측·설계하는 학문.

ex) 정지궤도 위성이 지구 자전 주기와 같은 24시간 공전주기를 갖도록 궤도 고도를 정확히 계산하는 것.

인공위성 궤도 및 자세제어

Satellite Orbit & Attitude Control

대기 저항이나 다른 천체의 중력섭동으로 서서히 어긋나는 궤도를 소형 추력기로 주기적으로 보정하고(궤도유지), 태양전지판은 항상 태양을, 안테나·카메라는 항상 목표 방향을 향하도록 반작용휠이나 자기토커로 위성의 자세를 미세하게 제어하는 기술.

ex) 통신위성이 태양전지판을 계속 태양 쪽으로 향하게 자세를 미세 조정해 전력을 안정적으로 확보하는 것.

위성 탑재체 설계

Satellite Payload Design (Cameras/Radar)

위성의 실제 임무(지구관측, 통신, 항법 등)를 수행하는 카메라·레이더·통신중계기 등을 설계하는 작업으로, 우주의 진공·방사선·극한 온도 환경에서도 장기간 오작동 없이 정밀하게 작동해야 하는 특수한 신뢰성 요구를 만족시켜야 함.

ex) 지구관측위성이 수백 킬로미터 상공에서 지상의 수십 센티미터 물체까지 식별하는 고해상도 카메라 탑재체.

우주환경 시험

Space Environment Testing

위성이 발사 후 실제로 겪게 될 진공, 영하 100도에서 영상 100도를 오가는 극한 온도 변화, 강한 방사선 등의 우주 환경을 지상의 진공챔버·열진공시험 설비로 미리 재현해, 위성과 부품이 우주에서도 정상 작동하는지 발사 전에 검증하는 시험.

ex) 위성을 실제 발사하기 전 진공챔버에서 우주와 동일한 환경을 재현해 부품 오작동 여부를 검증하는 것.

호만전이궤도

Hohmann Transfer Orbit

낮은 궤도에서 높은 궤도로(또는 그 반대로) 옮겨갈 때, 두 원궤도에 접하는 타원궤도를 이용해 출발 지점과 도착 지점 딱 두 번만 엔진을 분사해 이동하는, 이론상 연료를 가장 적게 쓰는 궤도 전이 방법. 첫 분사로 원래 궤도에서 타원궤도로 올라타고, 타원의 반대쪽 끝(목표 궤도와 접하는 지점)에서 두 번째 분사로 다시 원궤도로 만드는 2단계 기동.

ex) 정지궤도위성이 발사 직후의 낮은 지구궤도에서 목표로 하는 높은 정지궤도까지 연료를 최소로 써서 이동하는 경로.

우주쓰레기와 충돌회피

Space Debris & Collision Avoidance

수명이 다한 위성이나 로켓 파편이 궤도에 남아 초속 수 km로 떠돌면, 작은 파편이라도 충돌 시 운동에너지가 막대해 정상 작동 중인 위성을 파괴할 수 있음. 지상 레이더로 궤도상 물체를 지속적으로 추적해 충돌 확률을 계산하고, 위험이 높으면 위성을 미리 기동시켜 회피하거나, 임무 종료 후 위성을 대기권으로 재진입시켜 태워버리는 등 궤도 환경을 관리하는 분야.

ex) 국제우주정거장(ISS)이 파편과의 충돌 위험이 감지되면 궤도를 미세하게 조정해 회피 기동을 하는 것.

위성통신 링크버짓

Satellite Communication Link Budget

위성이 송신한 전파는 거리가 멀어질수록 신호 세기가 거리의 제곱에 비례해 급격히 약해지는데(자유공간 손실), 송신 출력·안테나 이득에서 이 손실과 수신기 잡음을 모두 빼고 더해 지상국이 실제로 수신하는 신호 대 잡음비를 미리 계산하는 설계 절차. 이 값이 통신 규격이 요구하는 최소치를 만족해야 안정적인 통신이 보장됨.

ex) 정지궤도위성의 약한 신호를 지상의 대형 접시 안테나가 큰 이득으로 증폭해 수신하도록 링크버짓을 맞추는 것.