"소닉붐을 없애라!" 초음속 비행기는 '진화' 중
"소닉붐을 없애라!" 초음속 비행기는 '진화' 중
  • 김승준
  • 승인 2016.10.19 14:55
  • 조회수 17367
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콩코드를 넘어서다

1969년 발행된 콩코드 첫 비행 기념 우표
1969년 발행된 콩코드 첫 비행 기념 우표

소리가 퍼지는 속도보다 빠른 초음속 제트 여객기 ‘콩코드’. 콩코드는 1969년 첫비행에 성공한 이후 1976년부터 27년 동안 승객들을 뉴욕에서 파리까지 3시간 30분 만에 수송하며 활약했습니다. 그렇지만 비싼 항공료와 연료비, 한정된 좌석, 소닉붐으로 인한 소음공해 때문에 결국 2003년 11월 26일 운행을 중단했습니다. 

이후 많은 사람들이 차세대 초음속 제트기를 디자인하기 위해 노력했습니다. 이전에 콩코드가 갖고 있던 문제점들을 보완한 새로운 ‘콘셉트 디자인’을 MIT의 한 연구진이 2012년에 내놓았습니다. 


날개가 한 쌍만 있을 필요는 없다

왕 교수의 사진, 출처: MIT 항공우주학부
왕 교수의 사진, 출처: MIT 항공우주학부

MIT항공우주학 교수인 왕(Qiqi Wang)은 현재의 단엽 제트기의 효율성에 의문을 가졌습니다. 단엽기는 좌우에 날개가 각각 하나씩 달린 전형적인 비행기를 말합니다. 같은 대학교의 항공우주학 박사 후(後) 과정인 후(Rui Hu), 스탠포드 대학교의 공학교수 안토니 제임슨(Antony Jameson)은 단엽기에 비해 초음속 비행에서 저항을 덜 받는 복엽기 모델을 컴퓨터로 만들게 됩니다. 복엽기는 양 옆에 각각 두 짝씩 총 4개의 날개가 달린 형태입니다. 이 연구 결과는 2012년 항공기술지(the Journal of Aircraft)에 실리기도 했습니다. 


소닉붐을 없애는 기술

소닉붐 발생 시 눈에 보이기도 하는 공기응축현상, 소닉붐 자체는 음파라서 비가시적  출처:snowbrains.com ‘소닉붐은 어떻게 일어나는가’
소닉붐 발생 시 눈에 보이기도 하는 공기응축현상, 소닉붐 자체는 음파라서 비가시적 출처:snowbrains.com ‘소닉붐은 어떻게 일어나는가’

왕 교수는 공기저항을 덜 받아야 연료 소모를 줄이고 소닉붐 규모 또한 감소시킬 수 있다는 점을 알고 있었습니다. 소닉붐을 잠깐 알아볼까요. 고등학교 물리2 교과서를 참고하면 음속에 가까워진 제트기 전·후면에서는 도플러 효과로 인해 공기 압축이 일어납니다. 음속을 돌파하는 마하1의 속도가 되면 커다란 충격파가 제트기 주변에 생성되는데요. 이것이 소닉붐입니다. 

왕 교수는 “소닉붐은 비행체가 초음속으로 날면서 만드는 충격파인데 지면으로도 향한다”며 “이 소리는 총소리와 맞먹고, 초음속 제트기는 이 소음 공해 때문에 지금까지 지상비행 허가를 받을 수 없었다”고 말했습니다. 


부즈만 복엽기의 발전형

부즈만 박사의 모습, 출처: 콜로라도 대학 부즈만 연구소
부즈만 박사의 모습, 출처: 콜로라도 대학 부즈만 연구소

왕 교수는 독일의 공학자였던 아돌프 부즈만(Adolf Busemann)이 1950년에 냈던 초음속 복엽기 아이디어를 참고했다고 언급했습니다. 부즈만은 계산을 통해 단엽기보다 복엽기가 소닉붐을 덜 만든다는 사실을 알아냈습니다. 각 날개의 디자인은 길고 평평하게 늘린 삼각형 형태로 돼 있습니다. 상하 날개에서 각각 생성되는 소닉붐을 서로 상쇄하는 구조라고 합니다. 

이 디자인에도 결함은 있었습니다. 초음속 비행을 할 때는 괜찮지만 그 속도까지 도달하는 가속과정 중에 날개 사이의 좁은 틈으로 공기가 잘 유입되지 않는 특정 속도 구간이 있는 겁니다. 그 때 큰 저항이 생깁니다. 


700번 이상의 디자인 변화 

왕 교수의 초음속 비행기 디자인 모식도, 출처: 사이언스 데일리
왕 교수의 초음속 비행기 디자인 모식도, 출처: 사이언스 데일리

이런 문제를 해결하기 위해 왕, 후, 제임슨은 부즈만의 복엽기 모델을 컴퓨터 시뮬레이션으로 다양한 속도에서 운행해 봤습니다. 주어진 속도에서 저항을 최소로 받게끔 하는 게 핵심이었습니다. 700가지 이상의 이중 날개 디자인을 적용해가며 최적의 날개 구조를 연구했습니다. 

그들은 두 날개의 내부 면의 마찰을 줄여 공기유량을 늘리고 공기가 잘 흐르게끔 신경썼습니다. 위 아래 날개의 상부, 하부 끝을 각각 세워주면서 초음속에서 콩코드가 받던 저항의 절반만 받는 비행기를 디자인할 수 있었습니다. 


연료 효율이라는 두 번째 토끼

비행기 급유, 출처: www.skyhaber24.com
비행기 급유, 출처: www.skyhaber24.com

왕 교수는 콩코드보다 저항을 절반 이하로 줄일 수 있다면 연료 소모도 절반 이하로 감경하는 결과를 기대할 수 있다고 말했습니다 왕 교수는 “이륙할 때 승객들만 태우는 게 아니라 연료도 싣고 간다는 것을 생각해보면, 필요한 연료가 줄었을 때 무게도 줄어드는 연쇄적 이점이 있음을 알 수 있다”고 설명합니다. 


앞으로의 연구 방향과 전망

음속의 3배로 나는 제트기 SR71 blackbird 출처:NASA
음속의 3배로 나는 제트기 SR71 blackbird 출처:NASA

2020년까지 NASA는 초음속 여객기를 개발하기 위해 수많은 디자인을 실험 연구 중 입니다. 이 초음속 여객기를 'X플레인'이라 일컫습니다. 마하3.5까지 속도를 낼 수 있는 SR71 blackbird 제트기를 만든 록히드마틴 항공사도 이 X플레인 개발에 참여 중이라고 합니다. 2016년 현재 영국, 러시아에서도 소정의 성과가 나오고 있는 것으로 알려졌습니다. 초음속 비행기의 안전성, 경제성을 확보하기 위한 노력은 이처럼 세계 각국에서 계속되고 있습니다.

여러 X플레인 중에서 트러스 지지구조가 있는 디자인, 출처: NASA
여러 X플레인 중에서 트러스 지지구조가 있는 디자인, 출처: NASA

왕 교수 연구팀의 다음 목표는 비행에 영향을 주는 다른 요소들을 적용한 3차원 모델 개발입니다. MIT 연구진이 초음속 비행에 최적화된 비행기 디자인을 찾는 동안 일본의 연구진은 한 걸음 더 들어갔습니다. 비행하는 중 초음속 비행에 적합하도록 구조가 변형되는 '가변 디자인'을 만드는 겁니다. 이것은 부즈만의 복엽기를 현대적으로 재현하는 작업이라고 할 수 있습니다. 

왕 교수는 이를 두고 “이제 사람들은 부즈만의 디자인을 진보시킬 아이디어를 많이 갖게 됐다. 몇 년 안에 극적인 향상을 이뤄 큰 변화를 줄 수 있을 것으로 전망된다”고 평했습니다. 

이 기사는 <사이언스 데일리> 보도 등을 참고해 작성했습니다.

학생 기자단 김승준(tmdwns422@scientist.town)




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