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6. 공학 프로그램 개요 프로그램명 공학 3 : 내 손으로 만드는 비행기 프로그램 소개 항공 과학이 적용되는 다양한 분야를 알아보고, 대학 진로를 앞두고 있는 고등학생들 에게 다양한 세계를 보여주며, 또한 비행기를 직접 제작하여 날려 봄으로써 비행기의 구조와 비행기에 작용하는 힘에 대해서 탐구하도록 하는 프로그램이다. 수업모델/대 상 / 차시 융합기본형/ 고등학교 1-2학년군/3차시 관련 직업군 항공공학자, 우주비행사, 항공관제사, 기계공학자, 유체역학자, 유체(풍력, 수력) 에너지학자, 표면처리공학자 기본핵심역량 창의적 문제해결 능력, 의사소통 능력 영역핵심역량 탐구, 창의성 융합연계 교육과정 교 과 단원 내용 개념 요소 기술 제조 기술 체험과 문제해결 활동 제조기술, 수송기술 과학 힘과 운동 항력, 양력 수학 벡터 벡터와 그 연산 차시 주제 학습 목표 및 수업 내용 준비물 1 양력의 원리와 승강타 방향타 -항공우주산업의 현주소를 알아보고, 항공 관련 대 학 학과와 진출할 수 있는 영역, 그리고 우리 주 변에서 항공 과학에 적용된 예를 살펴보고, 항공 역학의 기초를 배우고 만들어 보자. LM01 전동세트 우드락본드 투명테이프 2 무인 비행기 (무인기) -무인 비행기를 원리를 탐구하여 창의적으로 만들 어 보자. M15 전동세트 우드락본드 투명테이프 3 보잉 여객기 -보잉여객기를 창의적으로 제작하고 여객기의 다양 한 이야기에 대해 탐구해 보자. LT02 전동세트 우드락본드 투명테이프

공학 3 : 내 손으로 만드는 비행기 · 에너지학자, 표면처리공학자 기본핵심역량 창의적 문제해결 능력, 의사소통 능력 영역핵심역량 탐구,

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6. 공학

1 프로그램 개요

프로그램명 공학 3 : 내 손으로 만드는 비행기

프로그램 소개

항공 과학이 적용되는 다양한 분야를 알아보고, 대학 진로를 앞두고 있는 고등학생들

에게 다양한 세계를 보여주며, 또한 비행기를 직접 제작하여 날려 봄으로써 비행기의

구조와 비행기에 작용하는 힘에 대해서 탐구하도록 하는 프로그램이다.

수업모델/대

상 / 차시

융합기본형/

고등학교 1-2학년군/3차시관련 직업군

항공공학자, 우주비행사,

항공관제사, 기계공학자,

유체역학자, 유체(풍력, 수력)

에너지학자, 표면처리공학자

기본핵심역량창의적 문제해결 능력,

의사소통 능력영역핵심역량 탐구, 창의성

융합연계

교육과정

교 과 단원 내용 개념 요소

기술 제조 기술 체험과 문제해결 활동 제조기술, 수송기술

과학 힘과 운동 항력, 양력

수학 벡터 벡터와 그 연산

차시 주제 학습 목표 및 수업 내용 준비물

1양력의 원리와

승강타 방향타

-항공우주산업의 현주소를 알아보고, 항공 관련 대

학 학과와 진출할 수 있는 영역, 그리고 우리 주

변에서 항공 과학에 적용된 예를 살펴보고, 항공

역학의 기초를 배우고 만들어 보자.

LM01 전동세트

우드락본드

투명테이프

2무인 비행기

(무인기)

-무인 비행기를 원리를 탐구하여 창의적으로 만들

어 보자.

M15 전동세트

우드락본드

투명테이프

3 보잉 여객기-보잉여객기를 창의적으로 제작하고 여객기의 다양

한 이야기에 대해 탐구해 보자.

LT02 전동세트

우드락본드

투명테이프

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2 교수 ․ 학습 과정안

1차시 활동

활동주제 양력의 원리와 승강타 방향타 차시 1/3

준 비 물LM01 전동세트, 우드락본드, 투명테이프

*모형 항공기 키트 구매처 : 엔이유 에듀테인먼트 043 291 8777

학습목표

- 항공우주산업에 대해 이해한다.

- 베르누이의 원리와 받음각 붙임각 대해 이해한다.

- 승강타와 방향타에 대해 안다.

 

단계 활동 내용 자료

배경상황 및

탐구 문제

제시(도입)

배경 상황 제시 및 진로와 관련된 스토리텔링

1. 항공기 기술자는 어떤 일을 하는지 알아봅시다.

(한국고용정보원 사이버진로교육센터(http://jobvideo.or.kr)에서 항공기

기술자 동영상 다운 후 시청)

2. 우리나라 항공과학의 현주소에 대해 생각해 보자

☆ 항공기는 공중에 떠 있는 물체이다. 즉, 자동차가 중력의

영향으로 인하여 2차원 적으로 움직이는 반면, 항공기는 3차원

적으로 움직이는 물체이다.

1. 항공기의 3차원적인 움직임(록히드 마틴社의 최신전투기 F-35)

http://www.youtube.com/watch?v=b18Qf2vvA6Q

2. 항공기가 하늘에 있을 때 항공기에 미칠 수 있는 힘에는 어떤

것이 있는지 생각해 보자.

☆ 양력의 발생원리와 비행기가 기본적으로 필요로 하는 세가지

움직임에 대해 알아보자

1. 피칭(Pitching)

2. 요잉(Yawing)

3. 롤링(Rolling)

동영상

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

1. 항공우주산업의 정의와 의의

- 항공기, 우주비행체, 관련 부속기기류 또는 관련 소재류를

제작·가공·생산·개조 및 수리하는 모든 생산활동으로 기술집약적인

고부가가치 산업이다.

- 항공우주산업은 지식·기술 집약 산업, 생산 및 기술 파급효과가

큰 선도 산업, 규모의 경제가 작용하는 산업, 수요의 소득탄력성이

큰 미래산업, 위험부담이 큰 모험산업, 쌍방독과점 시장특성을

가진 산업 등의 특성을 가지고 있다.

2. 항공우주산업 관련 분야에는 어떤 것이 있을까?

- 정밀기계가공, 화학처리가공, 판금성형, 엔진제작, 부품가공,

조립생산, 정비용 부품 생산, 경항공기용 소형 엔진 및 여객기용

대형 엔진부품 생산, 위성태양열 축적판 등 위성체 구조물 생산,

신호전송장비, 명령수신장비, 우주발사체 구조물 생산, 무인항공기

체계설계, 과학관측로켓 설계, 복합소재 및 알루미늄합금 생산 등

그 한계가 무한하다.

3. 생활속의 항공우주과학의 예

① 연을 이용한 발전기

http://imnews.imbc.com/replay/2014/nwdesk/article/3410210_13490.html

② 동계 스포츠 속 항공우주과학

- 봅슬레이 썰매 제작과 스케이트 유니폼

http://imnews.imbc.com/replay/2014/nwdesk/article/3410213_13490.html

4. 항공 관련 대학과 학과 및 전문학교

- 한국항공대학교 : 국내 유일의 항공전문대학교

- 서울대학교, 인하대학교, 카이스트 등 다수의 대학에서

항공관련 학과를 운영중 (항공기계공학, 항공우주공학,

항공기시스템공학, 항공전자공학, 정보통신공학, 항공재료공학 등)

- 항공 기술 실무자를 위한 교육기관

한국항공대학교 부속 항공기술교육원, 서울한서항공직업전문학교,

아세아항공전문학교 등

(항공기술자가 되기 위해서는 반드시 대학을 졸업할 필요는 없다.)

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

5. 항공기의 기본구조

① 조정석 : 항공기를 조정하는 조종사가 타는 곳

② 엔 진 : 항공기가 앞으로 나아가는 힘인 추력을 만드는 곳

③ 주날개 : 양력을 발생시키는 장치

④ 플 랩 : 대표적인 고양력 장치로써 이륙과 착륙시 주로 사용

⑤ 에일러론 : 항공기의 보조익으로써 항공기를 선회시킬 때 사용

⑥ 랜딩기어 : 항공기의 바퀴를 이르는 말

⑦ 수직꼬리날개 : 항공기의 수직안정성에 관여하며 방향타가 있다.

⑧ 수평꼬리날개 : 항공기의 수평안정성에 관여하며 승강타가 있다.

6. 항공기에 영향을 주는 네가지 힘

① 양력 : 항공기를 하늘로 올리는 힘

② 중력 : 만유인력으로 인해 항공기를 지구 중심으로 당기는 힘

③ 추력 : 항공기를 앞으로 나아가게 하는 힘

④ 항력 : 항공기가 앞으로 나아가지 못하게 방해하는 힘

7. 양력발생의 원리

7.1 베르누이의 정리

- 유체의 속도가 증가하면 압력이 낮아지고,

반대로 속도가 감소하면 압력이 높아진다.

실제 비행기 양력이론

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

7.2 양력발생 적용 예제

예제1) 종이 위에 입금불기 예제 2) 굴뚝 위의 춤추는 공

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=g9XYYiL8Bk4

7.3 받은각과 붙임각

- 받음각(영각)은 바람이 부는 방향에 대한 날개의 각도를 말한다.

비행기의 자세가 조종이나 무게의 변화등에 의해 변하면 그 때마다

변하게 되며, 기체에 고정된 것은 아니다.

이에 비해 시위선과 동체의 기준선을 포함하는 수평면과의 각도를

나타내는 붙임각은 대체적으로 고정된 값으로 표시된다. 붙임각은

비행기의 중요한 항목 등을 나타낼 때, 날개의 조립이나 조정할 때

등의 기준으로 사용된다.

- 받음각이 증가하면 양력도 증가 하지만, 항력도 증가한다.

하지만 작은 받음각은 항력보다 양력의 증가하는 양이 많기 때문에

공기 속을 가르며 날 수 있다.

- 받음각을 급격하게 증가시키면 양력은 급격히 감소하고, 항력은

급증하게 되는데, 이러한 상태로 비행하면 실속(stall)에 들어가게

되어 추락의 원인이 된다.

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

8. 승강타와 방향타의 역할은 무엇인지 알아보자

8.1 승강타

- 승강기(Elevator)는 조정면의 일종으로 보통 항공기의 후방에 있어

항공기의 피치를 변화시키면서 방위를 조정하는 것으로 또한 날개의

받음각을 변화시킨다. 증가한 받음각은 날개의 모양에 의해서 큰

항력을 발생시켜 속도를 느리게 만든다. 반면, 받음각을 줄이면

속도가 증가하게 된다. 양쪽으로 분리하여 승강기가 있지만, 작동은

동시에 일어난다.

① 상승시(승강타를 위로 올릴 때)

승강타를 위로 올리면 승강타의 윗부분의 항력이 증가하여, 기체의

꼬리 부분이 아래로 내려가게 된다. 이때 추력선이 위를 향하게

되면서 비행기는 상승하게 된다.

② 하강시(승강타를 아래로 내릴 때)

승강타를 아래로 내리면 승강타의 아랫부분의 항력이 증가하여,

기체의 꼬리 부분은 위를 향하게 된다. 이때 추력선은 아래를

향하게 되므로 비행기는 하강하게 된다.

8.2 방향타

수직안정판 뒤쪽에 경첩으로 고정시킨 조종날개면으로 조종석의

방향키 페달로 조작한다.

① 비행기의 방향타를 좌측으로 꺾으면, 방향타 좌측면의 항력이 커

져서 비행기의 꼬리부분을 오른쪽으로 밀게 된다. 이때 추력선은 좌

측방향을 향하게 되므로 비행기는 좌측으로 선회하게 된다.

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

② 비행기의 방향타를 우측으로 꺾으면, 방향타 우측

면의 항력이 커져서 비행기의 꼬리부분을 왼쪽으

로 밀게 된다. 이때 추력선은 좌측방향을 향하게

되므로 비행기는 좌측으로 선회하게 된다.

9. 비행기가 필요로 하는 세가지 움직임에 대해 알아보자.

9.1 피칭(Pitching) - “키놀이” 이라고도 함

- 물결치듯이 위, 아래로 비행하는 현상

- 수평안정판의 승강타로 조정한다.

9.2 요잉(Yawing) - “빗놀이” 이라고도 함

- 비행기의 진행방향으로부터 팽이가 회전하듯 좌, 우로 회전하는

운동

- 수직안정판에 있는 방향타로 조정한다.

9.3 롤링(Rolling) -“옆놀이” 이라고도 함

- 시계방향이나 반시계방향으로 한쪽 날개가 올라가면 반대 날개는

내려가는 변화를 말한다.

- 주날개의 에일러론으로 조정한다.

10. LM01 전동비행기를 만들어 보자

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단계 활동 내용 자료

감성적 체

험 공유 및

평가(정리)

1. 우리나라 항공 과학의 현주소에 대해 말해보자

2. 생활 속에서 항공과학 적용되고 있는 것이 무엇인지 말해보자.

3. 우리나라 항공기술은 세계 10위에 속한다.

주요 항공산업은 항공기 부품 제작 납품과 항공기 정비에

치우지고 있는데, 그 이유가 무엇인지 설명해보자.

☆. 비행기의 구조

1. 비행기의 구조 명칭에 대해 말해보고,

각 명치에 대한 특징을 설명해보자

2. 항공기가 비행할 때 영향을 주는 힘은 무엇이 있으며,

어떻게 작용되는지 설명해보자.

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단계 활동 내용 자료

감성적 체

험 공유 및

평가(정리)

3. 베르누이의 정리에서 양력발생이 어떻게 이루어지는지

설명해 보자.

4. 붙임각과 받음각에 대해 무엇이고, 차이점이 무엇인지

설명해 보자.

5. 승강타와 방향타의 역할이 무엇인지 설명해보자.

6. 비행에 필요한 세가지 움직임이 있는데,

무엇인지 설명해보자.

7. 비행 조종사가 되려면 어떠한 방법이 있는지 설명해보자

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학생용 활동지

1. LM01 전동비행기를 만들어서 충전 후 날렸을 때

① 비행기가 우회전 하며, 급격하게 추락할 경우에 원인이

무엇인지 설명해 보자.

② 비행기를 날렸을 때 앞으로 나아가지 못하고, 앞으로

추락하는 원인을 설명해 보자.

2. 받음각을 작게 했을 때와 크게 했을 때 비행 형태에 대해

설명해 보자.

3. 수평안정판(수평꼬리날개)의 붙임각을 주었을 때와

안주고 붙였을 때의 비행 형태를 설명해 보자.

① 수평안정판에 붙임각을 안주었을 경우 승강타를 올린다음

비행을 시켰을 경우 어떻게 비행하는지 설명해보자.

4. 방향타를 좌 또는 우측으로 꺽어서 고정시킨 다음

비행을 했을 때 비행형태를 설명해 보자.

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2차시 활동

활동주제 무인 비행기(무인기) 차시 2/3

준 비 물 LM15 전동세트, 우드락본드, 투명테이프

학습목표

- 무인 비행기 대해 안다.

- 나선후류에 대해 안다.

- V테일에 대해 안다

단계 활동 내용 자료

배경상황 및

탐구 문제

제시(도입)

1. 무인기란 무엇이며, 어떠한 역할을 하는지 생각해 보자.

동영상 “AeroVironment Raven B UAS - Day Mission” 관람

(http://www.youtube.com/watch?v=BcerPCn3MlA&feature=player_detailpage)

2. 나선후류가 무엇인지 알아보자

3. V테일에 대해 알아보자

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

1. 무인 비행기

1-1. 무인기란 무엇일까?

과학기술이 발전함에 따라 인간이 수행하기 힘들고 지루한 일들을

기계에 의존하게 되었습니다. 초창기 장거리 항공기의 조종실에는

5명이나 되는 조종사가 탑승했다. 또한 2차 세계대전 당시 폭격임무에

사용되었던 B-17 플라잉 포트리스는 10명의 비행사가 있어야 완전한

기능을 할 수 있도록 만들어졌다. 하지만 통신장비와 항법장치, 컴퓨터

기술의 눈부신 발달에 따라 현대의 여객기에는 2명의 조종사가 비행기를

조종한다.

미래에는 조종사가 필요하지 않은 항공기를 이용하여 먼 거리를

안전하고 편안하게 여행할 수 있을지도 모른다. 현재 여객, 화물수송이

아닌 전투, 정찰과 같은 임무에 사용되는 무인기는 이미 1910년대부터

개발되기 시작하였습니다. 무인기의 장점은 사람이 하던 위험하고 힘든

임무를 대신 수행할 수 있다는 점입니다. 넓은 지역을 오랜 시간

돌아다니며 산불을 감시하거나 방사능으로 오염되어 사람이 들어갈 수

없는 지역을 조사하고 대공미사일 등이 설치되어 격추될 위험이 큰

지역을 정찰하는 등의 임무는 무인기가 활약하기에 적당할 것이다.

1-2. 무인기는 어떻게 활용될까?

무인기는 기상관측이나 태풍추적 등의 용도에 사용될 수 있다.

현재 기상측정에 이용되는 라디오존데는 측후소가 없는 바다에서는

이용할 수 없다는 단점이 있습니다. 라디오존데란 낙하산이나 기구에

기압계, 온도계 등을 장착하여 대기 상층의 기상을 측정하는

기상관측장치이다. 무인기는 넓은 지역을 비행하며 기상관측 활동을

하도록 개발되고 있다. 1998년 개발된 에어로 존데는 하루 이상 비행을

하며 기상관측활동을 할 수 있도록 만들어졌다.

무인기가 수행하는 여러 가지 임무

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

현재 기상관측, 어군탐지, 해안경비 등의 임무를 수행할 무인기가

개발되고 있다. 이 무인기는 오랜 시간 먼 바다 위를 비행하며 바다

속의 물고기들이 어느 곳에 얼마나 분포되어 있는지 조사함으로써

조업활동과 생태 조사에 유용하게 이용된다. 또한 무인기에 장착되어

있는 카메라를 이용하여 해안의 경비임무도 수행하게 된다. 무인기는

넓은 지역의 농약 살포에도 이용되고 있다. 현재 일본에서는

원격조종사에 의해서 수동 조종되는 농업용 무인 헬리콥터가 판매되고

있다. 또한 넓은 지역을 비행하면서 농작물의 작황을 조사하는 용도로도

사용이 가능하다.

무인기는 폭발적으로 증가하는 무선통신 서비스 분야에서 유용하게

사용될 수 있다. 통신 서비스에 이용될 무인기는 비행선과 날개가 매우

큰 비행기의 형태가 있다. 비행선은 고도 20㎞정도의 성층권에서 장시간

머무르며 각종 통신 서비스를 수행하게 된다. 고도 36㎞의 성층권에서

100일 정도 머물며 대기 성분을 분석할 수 있는 초장기 체공

풍선(ULDB)이 미국에서 개발 중이다.

'호박'이란 별명으로 불리는 초장기 체공 풍선은 인공위성 발사비용의

10분의 1도 되지 않는 비용으로 인공위성이 수행하는 임무의

상당부분을 대체할 수 있는 장점이 있다. 비행기는 날개가 매우 크게

만들어져서 장기간 하늘을 체공하며 통신 서비스를 제공하게 된다.

2001년 시험비행 당시 2.3㎞까지 상승하는데 성공한 무인기 헬리오스는

날개 길이가 무려 75미터나 된다. 통신 서비스에 이용될 비행선과

비행기의 개발이 완료된다면 현재 통신을 하기 위해 우주로 올려지는

값비싼 인공위성을 대체할 수 있을 것이다.

현재 무인기가 가장 유용하게 사용되는 분야는 군사용이다. 1960년대

베트남전쟁에서 군사용으로 사용되기 시작했던 군사용 무인기는

1970년대부터 전투에서 큰 활약을 하기 시작하였다. 정찰과 목표물의

위치를 파악할 뿐만 아니라 훈련용 표적이 되기도 하고 최근에는

미사일을 이용하여 적진을 성공적으로 공격하기도 했다. 현재 보다

우수한 성능을 갖는 무인기가 세계 각국에서 연구되고 있으며 멀지 않은

미래에는 무인기들이 각종 공중전임무를 맡게 될지도 모를 것이다.

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

2. 나선후류

2-1. 나선후류

항공기의 프로펠러 회전에 의해서 항공기 후방에 후류가 발생한다.

이 같은 후류는 시계방향으로 동체를 휘감는 나선형 후류가 된다.

발생되는 후류는 동체를 휘감으면서 동체를 지나 후방부의 수직 안정판

(Vertical Pin)에 부딪히면서 항공기의 꼬리는 수직축을 중심으로 우로

움직이게 되고 기수는 좌로 움직이게 된다. 초경량 항공기 중 엔진이

뒤에 있는 기종은 회전하는 프로펠러가 동체 축을 중심으로 회전하는

것이 아니라(회전하는 후류가 동체를 감싸고 도는 것이 아니라) 동체축

위에서 회전하므로 후류는 수직안정판의 우측을 치게 되어 꼬리가 좌로

움직이고, 기수는 반대로 우로 움직이게 되는 것이다.

유입되기전의 기류는 프로펠러를 조종석에서 보면 회전력이 없고,

시계방향으로 회전을 한다. 유입된 이후 기류는 프로펠러의 회전력에

의하여 동체를 감싸며 회전을 한다.

나선후류-1

나선후류 -2

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

3. V테일

3-1. V테일 특징

비행기의 수직 안정판(수직 꼬리날개) I자 형태를 V자 형태로 만든

것을 말한다.

3-1-1. V테일의 장점

① 경량화가 가능하다.

② 적의 레이더에 잘 걸리지 않는다.

- 측면에서 가장 레이더를 많이 반사시키는 곳이

수직꼬리 날개이다. 이것을 억제하는 방법은 수직날개를

좌우로 기울여서 레이더 전파를 다른 곳으로 흘려보내는 것

③ 스텔스 기능을 한다.

④ 수직 꼬리 날개를 작게 만들 수 있다.

3-1-2. V테일의 단점

① 스텔스 페인트를 자주 칠해줘야 한다.

② 유지비가 많이 든다.

3-2. V테일 작동

V테일은 엘러본과 같이 2로 나뉘어진 툭수한 꼬리날개의 형태로

승강타(Elevator)와 방향타(Rudder)의 기능을 함께 가지고 있다.

4. M15 전동비행기를 만들어 보자

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단계 활동 내용 자료

감성적 체

험 공유 및

평가(정리)

1. 무인기의 종류가 어떤 것이 말해보고, 각각의 어떠한 역할을

하는지 말해보자.

2. 우리나라에서 개발하고 있는 무인기는 무엇이며, 어떻게 활용

되는지 말해보자.

3. 미래에는 무인기의 활용 범위에 대해 토론해 보자.

4. 나선후류가 무엇인지 말해보자

5. 일상생활 속에서 나선후류와 같은 현상이 무엇이 있는지

말해보자.

6. 스텔스 기능에 대해 말해보자.

7. 항공기 설계와 우주로켓 설계에서 다른 점은 무엇인지 말해보자.

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학생용 활동지

1. M15 전동비행기를 만들어서 충전 후 날렸을 때

어느 방향으로 비행하는지 설명해 보자.

2. LM15 전동비행기는 나선후류의 영향을 어떻게 받는지

설명해보자.

3. V테일을 서로 반대 방향으로 밖으로 꺾어서 테이프 고정 후

날렸을 때 비행형태가 어떻게 되는지 설명하고, 원인이

무엇인지 설명해 보자.

4. 초소형 무인기에 대해 설명해 보자.

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3차시 활동

활동주제 여객기 보잉 747기 차시 3/3

준 비 물 LT02 전동세트, 우드락본드, 투명테이프

학습목표

- 보잉 747기에 대해 안다.

- 윙릿과 윙팁에 대해 안다.

- 상반각에 대해 안다.

단계 활동 내용 자료

배경상황 및

탐구 문제

제시(도입)

1. 최초의 항공여객기는 무엇이 있었는지 생각해 보자.

동영상 “Graf Zeppelin 1929 Around Globe Trip, Full Documentary” 관람

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=d4jq7oRxw-g)

2. 윙릿과 윙팁에 대해 알아보자.

3. 상반각에 대해 알아보자.

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

1. 항공 여객기 발달

세계 최초의 여객기 역할을 한 것은 1910년 6월 프랑크푸르트와

뒤셀로즈를 연결하는 체펠린 비행선이었다. 이 비행선은 공기보다

가벼운 수소로 기내를 채웠으며 뒤쪽의 프로펠러로 전진하는 속력을

내었다. 크기는 어마어마했지만 그 시절 항공기 중에선 최고의 속도를

자랑하였다. 그러나 수소에 불이 붙었을 때 수소폭탄이 되는 커다란

위험성이 있었다. 실제로 1930년 후반 비행선 힌덴브루크호가

폭발하면서 더 이상 수소 비행선은 사용되지 않게 되었다.

그 다음은 실제 여객기가 등장하게 되었는데 러시아의 볼쇼이

발티스티라는 비행기였다. 고작 9명을 태울 수 있는 소규모였지만

발코니도 설치되었다. 이후 세계 1차대전이 벌어졌고 각 나라가

폭격기를 개발하게 되면서 기술이 급격히 발전하여 대형기가 더욱 쉽게

운용되었다. 독일에서 만든 도니어 코멧기라는 최초 단엽 여객기가 그

예인데 이 비행기는 본체의 전 부분이 금속으로 되어 있고 현재

여객기와 유사하게 조종석도 복좌식이었다. 독일의 항공 기술에 자극

받은 세계열강들은 더욱 더 개발에 박차를 가하게 되었다.

동영상 “힌덴부르크호 추락사고” 관람

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

2. 보잉 747기

항공기 중량

- 최 소 중 량 : 214.503Kg

- 최대이륙중량 : 442.253Kg

속 도

- 순항 속도 : Mach 0.855(918Km/h)

- 최대 속도 : Mach 0.92(988Km/h)

수용능력

- 605명(최대)

- 467명(국제선)

최대항속거리

- 15,000Km

보잉 747기

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

2. 보잉 747기

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

2. 보잉 747기

보잉 747(영어: Boeing 747)은 팬아메리칸 월드 항공의 요구로 미국의

보잉이 개발한 대형 여객기이다. 점보 제트기(영어: Jumbo Jet)라고도

불리는 보잉 747은 안토노프 An-225, 에어버스 A380 다음으로

세계에서 가장 거대한 비행기이다.

보잉 747은 보잉이 1965년 미 공군의 거대 화물기 프로젝트를 위해

만든 것을 기반으로 한다. 록히드 마틴사에게 패한 이후 1969년에

팬아메리칸 월드 항공의 요구를 통해 만들어졌다. 처음 보잉사에서

초음속기가 곧 여객 항공기 시장을 지배하리라 전망 하였으므로

화물기로 쉽게 변경할 수 있게 설계되었다. 원래는 현재 에어버스

A380처럼 완전한 2층 구조로 설계되었으나 연료 효율과 사고 시 대피를

용이하게 하기 위하여 1층 구조의 광동체 비행기로 설계를 변경하였으나

그 당시 동시 개발 중이던 초음속기 콩코드기에 곧 시장이 빼앗길 것을

우려한 보잉은 화물기의 판매 또는 전환을 용이하게 하기 위하여 현재와

같은 반복층 구조의 747로 다시 설계를 변경하였다. 1966년 팬아메리칸

월드 항공은 첫 보잉 747-100기를 25대 주문했다. 보잉 747의 크기가

크고 생산 방식도 새로웠기 때문에 보잉은 미국 워싱턴 주 에버렛에

공장을 신설했고, 그 곳에서 보잉 717과 보잉의 협동체 제트 항공기

(707,727,737,757)을 제외한 모든 항공기들을 제작했다. 현재

에어버스의 에어버스 A380과 경쟁을 위해 최신 파생형인 747-8의

개발이 이루어지고 있으며 중화인민공화국의 경우 8~10년 이내

중화인민공화국판 보잉 747인 C 919를 개발할 계획으로 알려져

있다. 보잉 747-8에 현재 같이 개발중인 787의 기술이 상당부분

적용되었으며, 어퍼 덱과 전체 길이가 증가하였다. 화물기(F)버전이 먼저

롤아웃 되었으며, 2011년 2월에 여객기 버전인 인터컨티넨탈(I)이

롤아웃 되었다. 현재 양 버전 모두 시험 비행중으로 보잉은 올해

4분기까지 F버전의 전 테스트를 완료하고 각 항공사에 인도하기로

계획을 세웠다. I버전은 2012년부터 루프트한자를 시작으로 향후

순차별로 인도될 예정이다.

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

3. 항공기의 상식

3-1. 이코노미클래스 증후군

항공기에서 장거리 여행시, 좁은 좌석이나 비좁은 자세 등이 원인이

되어 “이코노미클래스 증후군”이라는 특수한 병이 있다.

- 장거리 비행시 1시간 간격으로 스트레칭을 하고, 자주 움직여주고,

물을 마셔야 혈전증을 막을 수 있음

3-2. 비행기 낙하산

비행 중인 여객기는 바깥 대기압이 높기 때문에 문이 열리지 않는다.

문이 열린다고 해도 승객이 낙하산을 메고 뛰어 내렸을 때 동체에 부딪

칠 위험이 많다. 운좋게 밖으로 튕겨 나간다고 해도 엄청난 대기

압력과 추위 대문에 도저히 견뎌 낼 재간이 없다. 보통 국제선

여객기의 고도가 약 3만 피트(1만m)내외 이므로 외부 온도는

약 –57℃정도여서 얼어 죽기 십상이다.

미국의 비행기 전문 제작 회사에서 소형 단발 비행기로 이 시험을

했다고 한다. 이 시험에 따르면 엔진이 정지하는 등 비상 상황이 발생

할 때 동체에 장착된 낙하산으로 활공하며, 안전하게 지상에 착륙할

수 있을 것이라고 한다. 머진 않아 실용 가능한 비행기 낙하산이 개발

될 것으로 믿는다.

3-3. 비행기 무덤

1969년 월남전 이후, 미국정부는 폐기 처분할 항공기와 임시 보관할

장소가 필요했다.

미국정부는 특히 유사시를 대비해 항공기가 부식하지 않고, 50년

이상 보존이 가능한 지역을 찾다보니 1년 내내 강우량이 100mm이하로

건조한 기후의 켈리포니아 지역의 모하비 사막을 최적의 항공기 보관

장소로 선택했다. 세계의 모든 기종의 항공기가 그대로 방치가 돼

있는데, 이 가운데 쓸모가 있는 비행기의 경우 다시 새 주인을 찾아

취항을 할 수 있으며, 그렇지 않은 경우 위탁 처분을 통해 부품의

일부가 재활용 되거나 혹은 버려진 다. 오늘날 미국의 모하비 사막에는

약 9천여대의 항공기가 보관 혹은 폐기된 상태로 있다.

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

4. 윙릿

4-1. 윙릿

새는 날개를 움직여서 양력을 얻지만 비행기는 날개에 공기를

부딪치게 해서 양력을 얻게 된다. 비행기의 종류에 따라 날개는 수많은

형태를 지니고 있고, 그에 따른 특성도 형태에 따라 차이가 있다. 우선

날개의 기본 모양을 보면 빠른 속도로 달리게 되면 공기의 흐름이 날개

단면의 주위에 흐트러지게 되고 이때 날개 단면의 상하부 길이 차이로

인하여 윗부분은 아랫부분보다 기압이 낮아진다. 힘은 항상 높은 곳에서

낮은 곳으로 향한다. 즉 상대적으로 고기압인 하부에서 상부로의 힘이

생기게 된다.

날개의 길이는 양력에 중요한 영향을 미치는데 양력을 받으면 공기의

흐름은 날개하부에서는 바깥쪽으로 날개상부에서는 안쪽으로 향하게

된다. 이것을 속박와류라고 한다. 이 속박와류로 인하여 날개의 끝

부분에서는 아래에서 위로 가는 공기의 흐름이 생기게 된다. 이 공기의

흐름 때문에 날개 끝의 상단에는 상부를 누르는 와류가 형성된다.

이렇게 날개 끝의 상부를 누르는 와류를 꼬리와류라 부른다. 이

꼬리와류로 인하여 항공기의 양력을 감소시키는 현상이 나타나는데 이를

유도항력이라 한다. 유도항력은 날개가 길수록 더 약해지고, 짧을수록

커진다.

날개 가까이에 좌석배정을 받은 사람이라면 운항도중 신기하게도

“비행기의 날개가 흡사 새의 날개처럼 아래위로 부드럽게 움직이고

있다는 것을 금새 알 수 있다”. 그리고 그 흔들리는 폭은 자그마치 상하

50m정도라고 한다. 금속으로 되어 있는 딱딱한 날개지만 기류가 좋지

않은 곳을 지날 때 버드나무 가지처럼 흔들리도록 설계해 놓았다.

이렇게 주날개가 움직이도록 하여 날개에 걸린 힘을 분산시키고 충격을

줄여서 동체의 흔들림도 작게 할 수가 있는 것이다. 즉 쾌적한 운항을

좌우하는 가장 큰 요소가 주 날개의 설계에 있다는 것이다.

주 날개의 단면을 살펴보자. 주 날개의 단면은 둥그스름한 상자와 같은

날개형태를 지니고 있는데 항공기마다 가지각색이다. 주 날개의 골격을

보면 동체로부터 좌우로 3개의 길다란 판자가 뻗어 있는 형상이다.

이것을 스파(spar)라고 하는데 스파에서 직각방향으로 작은 격자(格子)가

나와 있다. 이런 모양은 흡사 문살과 창호지처럼 보인다.

항공기가 공중을 비행할 때 날개에는 날개 윗면과 아랫면의 속도

차이로 인한 압력 차이 때문에 양력이 발생한다. 하지만 날개 끝

부근에는 와류(소용돌이, Tip Vortex)가 생겨서 양력은 감소하고 유도

항력이라는 유해 성분이 생겨서 날개의 성능을 떨어뜨린다. 그래서 이

유도 항력을 줄이기 위하여 가로 세로 비(AR)가 큰 날개를 개발 ․ 생산

하였다. 실제로 가로세로비가 큰 날개는 가로 세로비가 작은 날개의

거의 두 배에 해당하는 양력을 발생시킨다.

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

그래서 항력을 줄이려면 날개 폭을 넓혀서 날개 끝부분에서 발생하는

와류(소용돌이)의 영향을 줄이는 것이 제일 좋다. 즉 날개를 가늘고 길게

하면 되는 것이지만 문제는 고속에 견딜 수 있도록 튼튼하게 하자면

중량이 늘어나는 문제가 생긴다. 그래서 날개를 길게 하는 대신 날개

끝에 다른 ‘작은 날개’를 갖다 붙이는 방법을 고안했는데 이것이

윙릿(winglet)이다. 이 윙릿으로 날개 끝에 모이는 와류를 위로 분산,

이동시켜서 항력을 줄이고 있다. 물론 윙릿 역시 또 다른 작은 날개

형태로 그 끝에 와류를 발생시킨다. 하지만 이 곳은 주날개 위를 지나는

공기 위로 멀리 떨어져 있기 때문에 날개의 공기 흐름에 거의 영향을

주지 않아 결과적으로 날개의 성능을 향상시키는 것이다.

윙릿(winglet)

여객기의 날개 끝 와류

를 확대한 그림

종래에도 유도항력 감소를 위해 날개너비를 넓히거나 날개 끝에 생기는

소용돌이의 발생을 억제할 목적으로 익단판(翼端板)이나 익단연료탱크를

부착하였으나, 구조의 복잡성과 중량의 증대 등이 결점으로 지적되었다.

이에 대해 윙릿은 구조강화에 의한 중량적인 손실에 비해 저항감소

효과가 훨씬 크다.

윙릿은 미국항공우주국(NASA)의 R.위트컴이라는 사람이 고안하였는데

연료절감에 큰 효과가 있다고 한다. 예를 들면, 에어버스나 DC-10

기종에 윙릿을 부착할 경우, 순항속도 마하 0.82 에서 항력감소가 3.6

%라는 큰 값이 나와서 그만큼 연료가 절감된다고 하니 대단한 발명이

아닐 수 없다 하겠다. 윙릿의 기본 원리는 날개 아래에서 날개 위로

올라가려고 하는 소용돌이 공기를 날개 쪽으로 올라오지 못하게 막는

일종의 방어벽이다.

윙릿이 연료절감에 초첨이 맞추어져 있는만큼, B747-400 같은

대형기는 비행시간이 긴 국제선 구간에서는 효력을 발휘하지만,

비행시간이 짧은 국내선 구간에서는 오히려 연비가 낮아지는 경향이

있다고 한다.

※ 참고로 윙릿의 크기는 B747-400 기준으로 폭 3m, 높이 1.8m로

건장한 남자 키만 하다

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탐구 문제

해결 (전개)

5. 상반각

5-1. 상반각이란.

비틀어올림(washin) 또는 비틀어내림(washout)이 있어 시위[翼弦]의

궤적이 평면이 아닐 경우는 날개의 기준면과 수평면이 이루는 각을

말한다.

일반적으로 비행기가 좌우로 기울면 내려간 날개 쪽으로 미끄러진다.

상반각이 있으면 좌우날개의 양력의 불균형이 이루어져 기울어짐이

회복된다. 비행기의 가로안정은 방향안정과 옆미끄럼안정으로

분류된다.

비행기가 기체축을 중심으로 경사(bank)지면 내려간 쪽으로

미끄러진다.

이 미끄럼을 막고 기울어짐을 복원시키는 것이 상반각이다(상반각

효과).

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

위 그림을 설명하면,

1) 날개가 위로 들린 각도를 상반각이라 한다.

2) 무언가의 이유로 항공기가 기울어졌다. 중력은 여전히 수직아래로

향하지만 항공기 입장에서 보면 중력이 그림 기준으로 왼쪽 아래로

틀러진 셈이다. 그래서 항공기는 왼쪽으로 미끄러지기 시작한다.

그리고 이 옆 미끄러짐 때문에 측풍이 생긴다.

3) 대각선으로 옆으로 미끄러지므로 고도도 같이 약간 잃게 되며,

이 고도의 손실과 옆미끄러짐각 등을 합치면, 대각선으로 윗

방향으로 바람이 분다. 오른쪽 날개 보다 더 큰 가도로 윗방향으로

바람을 받는다. 그래서 왼쪽 날개의 양력 역시 더 커지면서 항공기를

다시 원래 상태로 되돌리려는 회전력이 생긴다.

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단계 활동 내용 자료

탐구 문제

해결 (전개)

예시1)

양력 A 양력 B

예시2)

양력 A 양력 B

예시1)은 평상시 비행할 때 양력이 고루 분포되지만, 예시2)의 경우는

옆 미끄러짐 현상이 생기면서 날개의 양력 발생 면적이 양력A 보다

양력B의 면적이 작기 때문에 양력A의 날개가 위로 올라가게 되어

원래 상태로 복원된다.

6. 여객기 보잉 747기인 LT02 전동비행기를 만들어보자.

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감성적 체

험 공유 및

평가(정리)

1. 최초의 항공 여객기는 무엇이 있는지 설명해보자.

2. 윙릿의 특징에 대해 설명해 보자.

3. 윙릿의 설치하는 이유에 대해 말해보자.

4. 상반각이 무엇이며, 어떠한 역할을 하는지 설명해 보자.

5. 하반각을 가진 비행기들은 어떤것들이 있는지 설명해 보자

6. 윙릿은 장거리 비행기에 설치하는데, 그 이유에 대해 설명해

보자.

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학생용 활동지

1. LT02 전동비행기를 만들어서 충전 후 날렸을 때

어느 방향으로 비행하는지 설명해 보자.

2. LT02 전동비행기를 거꾸로 날렸을 경우 어떠한 현상이

생기는지 설명해 보자.

3. 2개인 모터를 하나만 가동시켰을 경우

비행기가 어떻게 비행하는지 설명해 보자.

4. 충전시간을 똑같이 한 후

윙릿을 올렸을 때 비행 시간과 올리지 않았을 때의 비행시간이

어떻게 차이가 나는지 설명해 보자.

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3 체험 시설

위치 설립 목적 체험 방법

항공우주연구원

대전시

유성구

과학로

169-84

다목적 실용위성의 개발

위성기술 확보

나로우주센터 건립

나로호 개발

미래 항공우주 핵심기술 개발

항공기, 인공위성, 로켓

에 대한 이해와 실제 연

구시설을 관람, 견학

인터넷 신청 가능

나로우주센터

전남

고흥군

봉래면

화반로

490

우주과학기술 전시

우주과학기술 교육

우주센터 방문자센터 기능

우주과학관

우주과학에 대한 기본원

리, 로켓, 인공위성, 우주

공간 등을 소재로 한 전

시품, 작동체험전시품, 4D

영상관, 야외전시장 등

항공우주박물관 경남 사천

실물항공기, 엔진, 각종모형물

항공발달사, 항공기의 구조, 비행원

리, 우주 탐험 등 항공우주부문 각

종 교육자료

6.25 전쟁관련 역사적인 유품과 각

종자료 및 조국분단을 극복하고 민

족 통일로 가는 관련자료 등

첨단 항공우주과학에 대

한 대국민 항공우주 문화

체험장

하계관람 9:00-18:00

동계관람 9:00-17:00

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4 평가 계획

영역 평가 내용 방법

인지적영역

(1) 항공기의 작용하는 네가지 힘에 대해 설명할 수 있는가?

(2) 나선후류에 대해 무엇인지 설명할 수 있는가?

(3) 윙릿과 상반각에 대해 설명할 수 있는가?

자기평가

지필평가

정의적영역

(1) 전동비행기 제작에 자발적인 참여나 의지를 보이는가?

(2) 항공기나 비행조종사에 대하여 관심을 갖고 더 알아보려는

태도를 갖는가?

(3) 우주항공 관련 직업에 대한 관심을 보이는가?

자기평가,

관찰법

핵심역량영역

영역

(1) 문제를 해결하기 위하여 능동적으로 사고하고 행동을

실천하는가?

(2) 새로운 시각으로 문제를 발견하고, 문제해결을 위한 다양한

방안을 강구하는가?

자기평가

관찰

평가자료 1 자기 평가표 학년 반 번호

이름

평가지표평가점수

5 4 3 2 1

1 항공기의 작용하는 네가지 힘에 대해 설명할 수 있다.

2 윙릿과 상반각에 대해 설명할 수 있는다.

3 항공 관련된 직업에 종사하고 싶다.

4 항공 관련 활동이 제공된다면 적극적으로 참여하고 싶다.

5 항공과학에 관한 책을 더 읽고 싶다.

6이번 시간을 통해 문제를 해결하기 위하여 능동적으로

사고하게 되었다.

7이번 시간을 통해 문제해결을 위한 다양한 방안을

강구하게 되었다.

총 점

활동 소감

과제를 수행하면서

좋았던 점

과제를 수행하면서

어려웠거나 아쉬웠던 점

칭찬해주고 싶은

구성원과 그 이유