미항공우주국(NASA)과 연합한 공동 연구팀이 최근 완료한 비행시험으로부터 항공역학분야의 난제 중 하나로 해당 분야 엔지니어들을 괴롭혀 온 소닉 붐(sonic boom)을 거의 완벽히 극복할 수 있는 전기가 마련되었다.

사진 상: F-18 소닉붐 포착사진(2003년)
사진 하: 최초로 초음속 비행을 한 척 이거. 그는 에드워드 공군기지의 교장 등 역임.

56년전 최초로 음속의 벽을 깨고 초음속 비행을 했던 척 이거호(Chuck Yeager)가 날았던 똑같은 비행 시험 영역에서 수행된 지난 8월 27일의 F5E의 초음속 비행은 장관이었다. 해당 비행시험팀이 공력(공기역학, aerodynamics) 및 형상설계(configuration design) 엔지니어들과 함께 만천 하에 당당히 증명해 낸 것은 공기역학과 유체역학 이론 및 실험 정신에 온전히 기반을 두고 항공기 형상을 변경시킴으로써 초음속 항공기에서 발생할 수 있는 소닉 붐 자체의 모양도 바꿀 수 있으며 따라서 소닉 붐에 의해 생겨나는 귀를 찢는 듯한 굉음(소음)의 레벌도 현저히 줄 일 수 있다는 것. 이론 상으로만 가능하다고 여겨져왔던 것을 실제 비행(actual flight)을 통해 증명해 낸 것은 항공 역사 이래 지난 8월 27일이 최초라 더욱 의미가 크다.

국방 연구 분야 최첨단 프로젝트를 이끌어 온 항공우주국의 이번 공동 연구과제는 SSBD (Shaped Sonic Boom Demonstration; 형상화된 소닉 붐 시연 사업)이라고 명명되어 7백만 달러에 이르는 예산을 NASA 랭리(버지니아주 햄튼 기지 소재), NASA 드라이든 비행 연구소 (캘리포니아주 에드워드 공군기지 소재), 그리고 유명한 항공방산업체인 노쓰롭 그루먼 사(캘리포니아주 엘 세군도 소재)가 공동 출자하는 형식으로 진행되었다. 비단 세 군데 뿐 아니라 기타 다른 정부 기관 및 민간 업체들의 재정 지원이 있었음은 물론이다.

“이번 시연은 지난 40여년간 불가능하다고 여겨져왔던 것을 깨기 위해 몽상과 꿈을 쫓아 갔던 숨많은 엔지니어들의 혼과 땀을 혼연일체시켰을 때 실현 가능한 최정점에 위치해 있는 그런 사건입니다.” 워싱턴에 위치한 NASA의 항공우주 기술 분야 본부의 기체 시스템 부서를 관장하고 있는 책임자 리차드 블레치앤의 소회이다. 떨리는 그의 목소리는 이어진다.

“사실 항공 엔지니어들 사이에 이미 소닉 붐(sonic boom)이라는 문제가 언젠가는 풀릴 것이라고 예견되어 온 바 있으나, 실제로 구현될 수 있다고 비행 시험을 통해 확인한 것은 이번이 처음이죠. 사실 초음속 항공기의 경우 지상에 엄청난 소음과 진동을 야기하는 소닉 붐을 해결하는 것이 그야말로 지상과제 중 하나였거든요. 특히 항공분야에서는 정복해야할 여러 난제 중에 반드시 우선 순위에 꼽히곤 했던 그런 문제였답니다.”

하늘 위 대기 상을 지속적으로 날아가는 항공기는 공기와의 마찰에 의한 기압파(air-pressure wave)를 만들어 내는데, 바다 위를 항해하는 커다란 선박의 선수가 활시위 모양으로 생기어 주변 바다에 특이한 형상의 조파(물결)를 만들어내는 것을 연상해도 좋을 것 같다. 비행기가 음속을 너머 날아가게 되면(해면 고도 기준으로 시간당 750 마일의 속도, 그러니까, 시속 150 km 보다 10배 가량 빠른 속도라고 할까?) 비행기 기체의 외부의 공기에 의한 압력파가 모여 충격파(shock wave) 를 형성하게 되고, 지상 위의 사람에게는 해당 압력 파장이 지상에 닿는 순간 소닉 붐(sonic boom, 음속이라는 장벽을 뚫으므로 발생하여 귀에 들리는 뻥 터지는 소리라고나 할까?)으로 들리게 되는 법 (boom 이라는 단어의 뜻 중 하나가 대포, 천둥 등이 치는 소리라고.)

이번 비행 시험을 통해 시연해 낸 것은 바로 항공기의 외형 형상을 특수하게 가져갈 경우, 공기 중에 발생하는 압력파가 서로 만나는 것을 방지할 수 있다. 다시 말해, 이쪽 저쪽의 압력파 둘이 만나야 “뻥”터지는 소리가 날 터인데, 둘이 만나지 못하도록 비행기 형상을 가져갔으므로, 음속을 통과하는 순간에도 지상에 전달되는 공기압의 파장은 미미하여 실제 소닉 붐이 발생할 때 들리는 굉음에 비하여 현저히 감소된 수준의 소리만이 전달되는 것이다.

이번 비행 시험에는 노쓰롭그루먼 사가 기존의 F-5E의 형상을 개조한 버전을 내놓아 소닉 붐 방지가 가능했는데, 해당 비행기는 미해군 전용기 중 하나이다. 이번 형상 변경의 핵심은 노쓰롭그루먼이 새로이 창안하여 항공기 최선단 부위에 “노우즈 글로브(nose glove)”라는 것을 장착하고 알루미늄으로 된 부가 구조물을 댄 다음, 동체 아래 부위에 복합재로 된 스킨을 별도로 깔아 가능했다고 전해지고 있다.

비행 시험 중에, 형상이 변경된 F-5E 항공기가 캘리포니아 주 에드워드 공군기지 상공을 시험 영역대 별로 먼저 초음속 비행을 하였고, NASA와 업체 관계자들이 함께 만든 지상용 센서를 가지고 초음속 통과 시 발생한 소닉 붐의 형상과 크기를 측정하였다고 한다. 연이어, 형상 변경 전의 기존 구형 F-5E를 동일 시험 영역에서 비행시켜 본 후 관측해 보니, 데이터의 동시 비교는 물론이고 시험에 참석한 모든 이들이 현장에서 소닉 붐의 규모를 즉각 비교함으로써, 개선된 시험 항공기의 훌륭한 외형 형상 설계 변경에 의해 예상대로 소닉 붐의 발생을 현저히 줄일 수 있었으며 아울러 시험 결과의 검증도 가능했다고 전해진다.

기사설명 - 소닉 붐(sonic boom)이란?

Scieng 최경환/심준완 기자