들어가면서

새처럼 하늘을 날고 싶었던 인류의 꿈은 1903년 12월 17일 미국의 라이트 형제의 비행에 의해 처음으로 실현되었다. 이후 항공기의 성능은 눈부시게 향상해, 수백 인승의 대형 비행기가 난무해, 쾌적한 해외 여행을 즐길 수 있는 시대가 되었다. 우주 개발의 발전도 눈부시고, 1957년 구 소련의 인공 위성 스푸트니크(sputnik) 1호의 첫 비행에 이어, 1969년 미국의 아폴로 11호에 의해 인류는 처음으로 달 표면에 착륙하였다. 현재 인공위성은 정보 통신이나 일기 예보에서 우리들의 일상 생활에 관계되게 되었다.

항공·우주 공학에서 배우는 내용

항공기나 로켓의 특징은 「가볍다」「강하다」「빠르다」「고성능」이고, 이것들을 철저하게 추구하는 자세가 항공·우주 공학의 특징이다. 구조 역학, 제어 공학, 유체 역학, 추진 공학, 항행 역학이 항공·우주 공학을 구성하는 주된 요소이다. 학부 4년 동안의 교육은 전체로서, 우주보다도 항공에 중점을 두고 있다. 여기서 1903년 라이트 형제의 첫 비행의 시대로 거슬러 올라가, 「가볍다」「강하다」「빠르다」「고성능」을 생각한다. 수평으로 나는 비행기에는 진행 방향으로의 엔진 추진력과, 그것과 역방향으로 항력이 작용해, 연직하향에는 중력과, 상승에는 양력이 작용한다. 양력은 속도의 2승과 날개 면적에 비례하고, 항력도 마찬가지 이다. 다만 항력의 비례정수는 양력의 비례정수보다도 작다. 비행기가 떠오르기 위해서는 중력보다 큰 양력이 필요하다. 양력을 얻기 위해서는 날개 면적을 늘리는 것이 하나의 방법이지만, 큰 날개의 강도를 유지하려고 하면 부재가 많아져 무거워져 버린다. 기체는, 「가볍다」「강하다」의 양쪽 모두가 요구된다. 1903년에는 경금속이 없어 그들의 기체는 대부분이 천과 나무였기 때문에, 날개의 크기에는 한계가 있었다. 처음으로 풍동(인공적으로 고속 기류를 일으키게 하는 터널 모양의 장치)를 고안하여 실험하고, 과학적인 방법을 많이 채용했던 것이 라이트 형제의 성공으로 연결되었지만, 속도를 올려 충분한 양력을 얻기 위해 필요한 가볍고 강한 엔진을 개발한 것이 최대의 요인이었다. 당시에 이미 자동차가 만들어졌었지만, 가볍고 파워 있는 엔진은 없었다. 4기통·12마력·3300cc·중량 73kg의 당시 최신예 고성능 엔진을 탑재한 플라이어(flier)호는 풍속 9m의 역풍 속에서 12초간 36.6m를 첫 비행했다.
비행기가 무거워지면, 큰 양력이 필요하게 되고, 큰 추진력이 필요하게 된다. 커다란 엔진은 당연 무거워지기 때문에, 게다가 항공기의 중량이 늘어나 큰 추진력이 필요하게 되고…..이러한 악순환을 반복한다.
로켓에서도 같은 일이 일어나, 2톤 정도의 인공 위성의 발사에 많은 연료와 기체의 중량이 필요하다(HⅡA 로켓은 길이 53m, 중량 320톤). 여분의 중량이 많아지면, 필요한 연료와 기체의 중량은 늘어나, 항공기보다도 더욱 극단적인 악순환이 일어난다. 기체·날개·엔진 등 모두에 대해, 가볍고 강함이 요구된다. 알루미늄(aluminium)·두랄루민(duralumin)·티탄(titan)등의 경금속은, 항공기 개발의 요청으로부터 생겨났다고 해도 과언은 아니다. 경금속 이외에도, 탄소 섬유 재료는 항공·우주 공학으로부터 생겨난 재료이다.
각 대학의 항공 우주 공학 코스에서는, 기초로서 1, 2년 차에서 수학, 물리, 화학, 도학, 계산기 소프트 웨어, 외국어, 역학, 해석 역학, 진동학 및 연습 등을 배워, 그것들의 기초 지식 위에 전문 과목을 이수한다. 이하에서 항공·우주 공학의 요소에 대해 설명해, 관련하는 전공 과목 수업 명(밑줄을 표시)과 학년을 나타낸다.
가볍고 강한 재료를 사용해, 효율이 좋은 항공기의 구조를 만들기 위해서는, 구조 역학이 필요하다. 항공기의 가볍고 강한 구조를 만들기 위해서, 많은 아이디어나 기술이 있다. 동체는 박판 장각 구조로 불려, 구부린 얇은 판자재가 뒤 편으로부터 한 쌍으로 짜여 진다. 페일 세이프(fail-safe) 구조 라고 하는 부재의 조립 방법에 의해서 하나의 부재가 파괴해도, 구조 전체에 영향을 주지 않고 안전하게 비행할 수 있다. 페일 세이프의 사고방식은, 구조만이 아니라, 항공·우주 공학 전체에 침투하여 있다. 2년차의 재료 역학 및 연습이나 고체 역학의 수업에서, 재료에 힘이 더해졌을 때, 일어나는 변형이나, 재료 내부에 작용하는 힘(응력이라고 부른다)을 배운다. 부재를 짜맞추어 구조물을 만드는 경우에는, 구조물 전체의 해석이 필요하다. 이것은 응용 구조 이론(3년)에서 배운다.
항공기 주변의 공기 흐름을 분명히 하고, 항공기에 어떠한 양력이나 항력이 작용하는지를 조사하기 위해서는 유체 역학을 배울 필요가 있다. 풍동에 모형을 두고, 기류중의 기체나 날개에 걸리는 힘을 측정하는 실험을 실시한다. 또한 컴퓨터 시뮬레이션(simulation)에 의해, 유체의 미분방정식을 푸는 것도 실시한다. 유체가 가지는 성질 중에서 압축성(밖으로부터 압력을 가하면 밀도가 증가하는 성질)과 점성(끈기 상태)은 특히 중요하다. 저속의 공기류는, 밀도를 일정하다고 생각해도 좋고, 물과 같은 비압축성 유체라고 생각할 수 있다. 매초 100m를 넘는 속도가 되면, 공기의 밀도 변화가 나타나, 압축성 유체라 불리는 상태가 된다. 또한 항공기체의 표면에서는 점성의 영향이 나타나 기체로의 항력이 된다.
2년 차의 비압축성 유체 역학, 점성 유체 역학, 3년 차의 압축성 유체 역학, 계산 유체 역학에서 유체역학을 배운다.
현재의 항공기 추진 장치의 주역은 제트 엔진 이지만, 이것은 독일에서의 첫 비행(1939년) 이래 보급 되었다. 배기 가스를 후방에 분출하는 것으로 작용·반작용의 법칙에 의해서 전방으로 추진력을 얻는다. 제트 엔진은, 전부터 공기 주입구, 축류 압축기(컴프레서 compressor), 연소기, 축류 터빈(turbine), 배기 노즐(nozzle)의 순으로 부품이 늘어서는 구조로 되어 있다. 흡수된 공기는 압축기에서 고압 되어, 연소기에서 연료(제트 연료는 등유와 거의 동일)와 혼합되어 연소되고, 만들어진 고온 가스는 축류 터빈을 회전시켜 배기된다. 터빈과 압축기는, 공통의 축을 가지고, 터빈의 회전력이 압축기를 회전 시킨다.
로켓 발사에서는 부스터(booster)라고 불리는 고체 로켓과, 액체 수소·액체 산소의 주 엔진을 이용한다. 고체 추진 약은, 연료와 산화제의 분말을 다듬어 굳힌 것으로, 1분 정도의 단시간에 불이 붙어 발사 추진력의 상당한 부분을 담당한다. 수소는 적은 질량에서 가장 효율 좋은 추진력을 내는 연료이다. 추진 공학에 관련하는 과목은, 2년 차의 열역학 및 연습, 3년 차의 기체 연소론, 전열 공학, 4년 차의 원동기 요소론 이다.
항공기의 운동은, 추진력·항력·양력·중력과 3개 축 주위의 회전 운동(롤링roringu, 요잉, 피칭pitchingu)에 지배된다. 주 날개에 비교해 꼬리 날개는 작고 두드러지지 않지만, 주 날개만으로는 불안정하여, 회전운동을 억제하고 안정화 하기 위해 꼬리 날개는 불가결하다. 항공기의 운동과 안전성은 항행 역학의 문제이고, 3년 차의 항공기의 역학, 비행 안정 조종성론 에서 배운다.
제트 여객기와 같이 복잡하고 대형의 시스템에는, 도달하는 곳에 자동 제어 장치가 설치되고 있다. 고속화한 컴퓨터를 이용하고, 기체의 운동을 제어하여, 자동 비행이나 자동차 착륙을 할 수 있다. 여기에는 기체의 운동을 계획하고, 엔진이나 날개를 조작하는 시스템의 모델화와 제어계 설계가 필요하다. 로켓이나 인공 위성의 자세 제어 등 많은 이용 분야가 있다. 2년 차의 제어 공학 제1 및 연습, 3년 차의 제어 공학 제2, 전자회로 공학, 4년 차의 최적 제어 이론 에서 배운다.
나고야(名古屋)지역은 일본의 항공 우주 산업 제조의 중심지 이고, 메이지대(名大)에서는 풍부한 실무 경험을 가져 기업의 제일선에서 활약하는 기술자를, 비상근 강사로 초청하여, 실용면을 중시한 수업을 실시하고 있다. 항공 우주기 공작, 항공 우주 재료학, 항공 우주기의 강도와 강성, 로켓 공학, 헬리콥터 공학, 자동 조종 장치 개론, 항공 우주기 설계, 우주 시스템 설계 등의 수업이 있다.

졸업연구

메이지대에서는 4월이 되면, 졸업 연구의 지도교원이 정해지고, 4년 차 생은 연구실에 소속한다. 많은 학생이 8월말의 대학원 입시 수험 공부에 시간을 소비하기 때문에, 본격적인 졸업 연구는 9월 이후이다. 학생이 연구라는 것을 처음으로 경험하고, 연구에 대한 자주성을 배양하는 귀중한 기회이기 때문에, 중시하고 있다. 연구 테마는 학생의 독자 아이디어로 결정하는 경우가 있는가 하면, 지도교원과 상담하여 결정하는 경우도 있다. 반드시 항공·우주 공학 분야의 테마라고는 할 수 없다. 타 분야의 연구에 흥미를 가지고 연구하는 것이 가능하다면, 전혀 문제는 없다. 타 분야의 연구에 적극적으로 몰두하고 있는 교원도 많다. 구체적인 졸업 연구의 일례를 나타내기 때문에 참조되길 원한다.

졸업생의 진로

메이지대에서는, 1학년 25명 중 8할 이상이 대학원에 진학 한다. 대학 4년간의 교육과 연구에서 항공·우주 공학의 기초는 습득할 수 있으나, 현대의 고도화된 기술의 개발과 연구에 대응하기 위해, 대학원에서의 교육과 연구에 의해 실력을 양성하고자 생각하는 학생이 많이 때문이다. 또한 대학원 중점화에 따라, 대학원의 교육과 연구를 강화·충실히 한다고 하는 방침이 배경에 있다. 대학원 석사·박사 석사자도 포함한 주된 취직처는 중공업의 항공 우주 부문, 인공위성 등의 우주 기기, 항공 우주 연구 개발 기관, 자동차 및 관련 기기, 철도, 대학이나 연구소의 연구·교육직 이다. 항공·우주 공학 이외의 분야에도 많은 사람이 활약하고 있다. 기초와 목표가 확실히 되어 있다면, 어느 분야에서도 활약할 수 있다고 생각된다.

기초를 확실히 몸에 익혀, 보다 고성능인 항공·우주기를 추구

항공·우주 공학을 배우는 학과를 가진 대학은 많지 않다. 이들 학과의 대부분은 공학부에 설치 되어 있고, 광범위한 기초 지식을 기반으로 항공기 개발이나 우주 개발을 위한 전문 지식을 몸에 익혀 간다.

폭넓은 지식을 항공·우주기에 응용

이 분야의 학과로서는, 항공 우주 공학과가 가장 많이 설치 되어 있다. 항공기나 우주기의 설계나 개발, 운용을 위한 수학, 물리학, 화학 등을 기초과목으로서 배운다. 구조역학이나 공기역학, 우주 환경등의 전문적인 지식을 몸에 익힌다. 항공 우주학과도 마찬가지로 수학이나 물리학을 기초로, 응용역학, 유체역학, 전자기학 등의 응용력을 양성해 간다.
항공 공학과에서는 항공 우주 기술의 기초로부터 최신 기술의 응용까지 이론과 실험을 병용한 실천 교육이 행해진다. 커리큘럼에 항공 역학·구조강도·원동기·제어 및 설계에 관한 과목이나 우주 공학이나 추진 시스템 등의 우주 개발에 관련한 전공 과목이 있다.
항공 시스템 공학과에서는 기계 공학·항공 공학 전반에 걸친 지식과 기술을 배운다. 조종 시스템을 설계하고 플라이트 시뮬레이터(flight simulator)에서 조작하는 학습 등을 통하여, 항공 공학에서 중심이 되는, 컴퓨터에 의한 고도 시뮬레이션 기술을 몸에 익힌다.
기계 항공 공학과에서는, 소형의 정보 기기로부터, 전송기기, 대형기계 시스템, 발전 플랜트(plant)에 이르기까지 폭넓은 범위의 산업 분야를 배운다. 역학을 중심으로 한 기초 학문의 위에, 항공 우주기 특유의 개발형 설계를 시행하기 위한 시스템 공학을 배우고, 항공 우주기를 둘러싼 환경에서 생기는 문제의 해결을 목표로 한다.
기계·항공 공학과에서는 역학을 중심으로 한 기초를 배운 뒤에 항공·우주기나 스페이스 스테이션(space station)등의 개발을 유지하는 기초 이론과 해석 방법을 습득한다.
기계 지능·항공 공학과에는 열과 흐름, 재료와 평가, 설계와 창성, 시스템과 제어, 정보와 디바이스의 다섯 가지 분야와 기계 시스템 디자인, 나노 메커닉스(nano mechanics), 항공우주, 양자 사이언스(science), 바이오 로보트 시스템, 에너지 환경의 여섯 가지 코스가 있고, 이들을 조합한 교육을 시행한다. 폭넓은 학문 영역에 관한 기본적인 이해력과, 전공에서의 확고한 기초 지식을 습득해 간다.

실험·연습·실습에서 기술을 양성한다.

우주 항공 시스템 공학과에서는 실험, 연습, 제도, CAD, 정비실습 등을 통하여 항공 우주 산업 만이 아니라, 다른 산업분야에서 설계나 생산에 종사할 수 있는 폭넓은 기술을 몸에 익힌다.
기계 우주 학과에서는 극한적이고 더욱 우주적인 고도의 기계 공학(기계 우주학)의 기초적 소양을 몸에 익힌다. 에너지, 재료, 기계 시스템·제어를 중요시하는 기초 공학을 중시하면서, 우주 시스템 공학, 로봇 공학에 대표되는 시스템 종합 공학적인 과목도 배울 수 있다.
시스템 디자인 학과에서는 항공 우주 시스템 공학을 배우는 코스가 있다. 공기 역학, 추진 공학, 우주 이용 공학 등의 항공 우주 공학의 기둥이 되는 분야를 강의·실험·연습 등에 의해 배워 간다.