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* 콩고드, 시간당 2만5천리터 소비. 현대 수송기 보다 승객당 4배 많은 양
* 110데시벨 소음 발생, 사람의 귀에 통증 유발하는 임계치
* NASA 소은 적은 테스트 기종 X-59 금년에 시험비행 예정
* 항공기 제조업체 Aerion Supersonic은 대기 현상 이용해 초음속 비행의 소음 공해를 최소화

콩고드 운항 중단 이유와 새로운 기술 전략

2003년 Concorde가 종료된 이후로 소음 장벽을 뚫은 민간 항공기는 없다.
초음속 여행의 시대는 끝났다. 더 빠르고, 더 높고, 더 멀리 가는 대신, 오늘날의 항공에는 모든 비용을 절감하는 것이 적용된다. 티켓을 저렴하게 만들고 연료 소비와 환경 오염을 낮게 유지하기 위해 예정된 항공기는 평균적으로 50년 전보다 훨씬 더 느리게 비행한다.

연료 소비 너무 많고 너무 시끄러움

Concorde는 오늘날의 항공 지침에 따르면 더 승인을 받지 못한다.
독일 항공 우주 센터(DLR)의 추진 기술 연구소의 라스 엥하르트(Lars Enghardt)는 "음속이하로 날아가는 항공기에 비해 더 높은 배출을 허용하는 규정이 콩코드에 여전히 적용된다"고 설명했다. 완전 적재된 180톤 초음속 항공기는 운항 동안 시간당 약 2만5000리터의 비행기 연료를 소비했다. 이는 현대 수송기보다 승객 당 및 킬로미터당 4배 더 많은 양이다.
시동을 걸었을 때, 엔진은 분당 450리터를 삼켜 그에 상응하는 양의 배기가스를 방출했다. 

▲ Concorde 터보젯 엔진 : 강력하지만 시끄럽고 연료소비가 많다. © name / CC-by-sa 2.0

콩코드의 항공기 소음조차도 오늘날에는 거의 허용되지 않을 것이다.
처음부터 110데시벨(dB) 이상의 소리 강도에 도달했다. 이는 사람 귀에 통증을 주는 임계치에 가깝다. 이 소음의 주된 이유는 애프터 버너가 있는 터보 제트 엔진을 사용했기 때문이다.

이 엔진을 사용하면 흡입된 모든 공기가 압축되고 연소실에서 케로신과 혼합되어 연소된다. 집중된 배기가스 제트는 강력한 추진력을 생성하지만 난기류도 발생해 많은 소음이 발생한다. 애프터 버너를 사용하면 케로신(등유)이 연소실 뒤의 배기가스 흐름에 주입돼 더 많은 추력을 얻기 위해 연소된다.

방음벽을 통과

Concorde와 모든 초음속 항공기의 또 다른 문제는 음파 폭발이다.
물체가 생성하는 음파보다 빠르게 움직일 때 발생한다. 비행기의 순항 고도에서 약 1,062km/h, 해수면의 따뜻한 공기에서는 약 1,230km/h의 속도로 이동할 때 발생한다.

▲ 초음속 구름 : 공기의 수증기가 압축된 음파를 통해 응축돼 방음벽이 깨질 때 생성된다. © John Gay, 미국 해군

이 속도에서 항공기에 의해 생성된 기압 변동은 모든 방향으로 균등하게 퍼지지 않고 빠르게 움직이는 선박의 선수 파와 비슷하게 비스듬히 뒤로 향하는 원뿔을 형성한다. 초음속 항공기는 코에서 하나와 꼬리에서 하나씩 두 개의 원뿔을 생성한다. 이 사운드 콘에서 압력파는 압축되고 증폭된 파동의 진폭이 증가한다. 

▲ 마하 콘. 비행기의 속도가 소리의 속도 보다 큰 충격파 형태의 경우 (파란색으로 표시). 여기서 vs는 소리의 속도를 나타낸다. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mach.svg

항공기가 방음벽을 파괴하면 압축된 소리의 충격파로 인해 공기 중의 수증기가 갑자기 응축될 수 있다. 이것은 일시적으로 항공기 후면에 디스크 모양 또는 돔 모양의 구름을 만든다. 이 사운드 콘은 슐리렌(Schlieren,투명한 유체(流體)의 난류(亂流)에서 볼 수 있는 줄기, 굴절률의 차이에서 온다) 사진으로 알려진 특수 사진 기술을 사용해 지상에서 볼 수 있다.
이를 위해서는 초음속 항공기는 태양과 같은 밝은 배경을 두고 지나가야 한다. 특수 렌즈는 변경된 굴절 특성을 통해 공기 중 압력 변동을 보여준다.

▲ 사운드 콘은 Schlieren 사진을 통해 볼 수 있다. © NASA

폭발음 문제

압축된 음파의 모양과 구조는 지상에서 들을 수 있는 초음속 소리의 크기도 결정한다.
그것은 사운드 콘의 가장자리가 지구 표면에 도달해 우리 귀에 올 때 발생한다. 압력파는 일반적으로 "N"모양이다. 음압이 갑자기 상승한 다음 공기압이 다시 정상화되기 전에 음압 영역이 뒤따른다. 더 큰 항공기의 경우 선수와 선미에서 나오는 사운드 콘이 시간에 약간 상쇄되어 도착하기 때문에 더블 폭발이 들릴 수 있다.

일반적으로 Concorde 또는 군용 제트기의 음파 폭발로 인한 소음 노출은 110~120데시벨이다. 항공기가 초음속 범위에 도달하면 따라 오는 소리가 땅에 깔린 소음을 형성한다. 그러면 전체가 천둥소리가 난다.

강타와 소음 때문에 미국의 초음속 비행은 이제 일반적으로 전체 육지에서 금지됐다.
최근까지도 비행 시험조차도 바다 위에서만 수행 할 수 있었다. 그러나 그 동안 미국 항공 당국 FAA는 규제를 완화했다. 적용 시 항공기 제조업체는 이제 육상에서도 모델을 테스트 할 수 있지만 승인이 필요한 지정된 테스트 지역에서만 가능하다.

음파 폭발 대신 "낮은 폭발" 소음에 대한 전략

민간 초음속 비행을 위해 거의 20년의 휴식을 취한 후 르네상스가 진행되고 있다.
여러 회사와 NASA는 미래의 승객을 소리보다 빠르게 수송하고 여전히 조용하고 환경친화적인 항공기를 개발하고 있다. 첫 번째 프로토타입이 금년해 이륙할 수 있다.

▲ NASA는 테스트 항공기 X-59로 "낮은 폭발음"기술을 테스트하고 있다. © NASA

그것은 모두 기체의 형태에 달려 있다
새로운 초음속 항공기의 설계자는 몇 가지 기술적 진보의 혜택을 받았다.
1970년대와 달리 그들은 컴퓨터에서 기계를 설계하고 공기 역학 및 소음 측면에서 설계를 최적화할 수 있다. 프랑스 항공 연구 센터 ONERA의 Gérald Carrier는 “음파 폭발의 강도는 주로 항공기의 공기역학적 형태에 따라 달라진다”고 말했다.
EU 프로젝트 RUMBLE에서 그는 초음속 소음을 줄이는 가장 좋은 방법을 조사하고 있다.

이를 위한 중요한 구성 요소는 항공기 기수의 모양이다. 기수가 길고 좁을수록 소음이 줄어 든다. 따라서 NASA는 프로토타입 X-59의 조종석을 지금까지 동체로 이전하여 조종사가 거의 시야를 확보하지 못했다. 대신 카메라와 증강 현실 시스템이 활주로 아래와 항공기 기수 주변 영역에 대한 광학 정보를 제공한다. 미국 회사 Boom Supersonic은 2021년 가을에 처음으로 이륙할 예정인 프로토타입 XB-1에 유사한 솔루션을 사용하고 있다.

날개 모양과 컨트롤 플랩도 소음 발생에 중요한 역할을 한다.
Lockheed Martin의 NASA X-Plane 프로그램 수석 엔지니어 Michael Buonanno는 "초음속 비행의 충격파가 합쳐져서 큰 더블 뱅을 만드는 것을 방지하는 모양을 찾아야 한다"고 설명했다. 첫 번째 초안에서는 더블 뱅을 일종의 심장 박동으로 부드럽게 만드는 디자인이 이미 개발됐다.

"Mach Cut Off"를 통한 무 폭발 비행

항공기 제조업체 Aerion Supersonic은 대기 현상을 이용하여 초음속 비행의 소음 공해를 더욱 최소화하려자 한다. 이른바 "Mach Cut Off"를 통해 공기의 층화는 기체의 사운드 콘이 대기 내의 온도 제한에 의해 반사되고 위쪽으로 편향되도록 한다. 결과적으로 소닉 붐은 지구 표면에 도달하지 않는다.

▲ Aerion은 기상-물리적 효과의 도움으로 초음속 모델의 소음 공해를 줄이려고 한다. © Aerion Supersonic

이러한 “폭발 없는 비행”의 전제 조건은 항공기의 속도가 소음 제한을 약간 초과하고 대기 조건이 적절하다는 것이다. 모델 계산 및 비행 테스트에서 알 수 있듯이 사운드 콘의 반사는 비행 고도의 공기가 지상보다 상당히 차갑고 바람이 너무 강하지 않은 경우에만 작동한다. 예를 들어 비행기는 지상에서 소리가 들리지 않고 마하 1.09에서 날 수 있다.

외부 조건에 대한 정확한 비행 속도를 결정하려면 많은 데이터와 계산이 필요하며, FAA ASCENT 프로젝트의 미국 연구원이 발견한 바와 같이 편차 범위는 매우 작다.
"특정 바람 프로필과 비행 방향의 경우, 마하 0.01의 속도 변화는 집중된 강타를 바닥으로 보낼 수 있다"라고 그들은 보고했다.

따라서 Aerion은 기상 조건에 따라 비행 고도와 속도를 최적화하는 초음속 항공기에 특수 소프트웨어를 사용하려고 한다. Aerion의 CEO 인 Tom Vice는 "우리는 소리보다 더 빨리 육지를 날아가는 최초의 비행기를 가질 수 있었다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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