항공기 속도의 한계

[항공기 속도의 한계] 시속 1만킬로 극초음속기 실용화될까?


Q. 항공기의 속도는 어느 정도까지 빨라질 수 있는지요?

A. 현재 보잉사나 에어버스 등에서 제작,생산하고 있는 항공기는 대략 시속 800에서 900킬로미터의 항속을 유지하도록 돼 있습니다. 이러한 속도는 비행기의 크기에 대비, 경제적인 연료소모를 가장 중요하게 고려해 정해지게 됩니다. 하지만 사실 가장 큰 이유는 현재 대부분의 대형 항공기가 그 이상의 속도를 내려면 ‘소리의 벽(Sound Barrier)’과 ‘열의 벽’이라는 장애를 만나기 때문입니다.

비행기의 속도가 음속에 가까워지게 되면 기수나 날개의 앞쪽에 공기가 압축돼 ‘충격파’라는 것이 발생해 양력이 줄어들거나 심한 진동이 일어나서 그 이상 비행할 수 없을 정도가 됩니다. 이 압축된 공기의 덩어리가 바로 두터운 ‘소리의 벽’으로서 한 때 이 벽을 깨는 것이 불가능하다고 생각된 적도 있었습니다.

또한 속도가 빨라질수록 공기와 기체의 마찰에 의해 온도가 상승하게 되는데 이 경우 기체 재료가 고열 때문에 강도가 약해지는 것이 또한 문제가 됩니다. 이것이 ‘열의 벽’이라는 것이지요.

과학의 발달로 이러한 문제를 극복하고 탄생한 것이 초음속기입니다.
초음속기가 소리의 벽을 극복하기 위해서는 공기의 저항을 줄이는 것이 최우선의 과제였습니다. 그래서 초음속기의 날개는 ‘오지익(Ogeewing)’방식을 체택해 만들어졌습니다.

‘오지’라는 것은 반곡선을 의미하는 것이지요. 날개 선을 약간 S자 모양으로 곡선을 준 형태인 오지익은 저항을 줄일 수 있었을 뿐 아니라, 고속 비행 때와 저속 비행 때 요구되는 서로 정반대의 안정성에 대한 조건을 동시에 해결할 수 있게 해 주었습니다.

또한 동체도 공기의 저항을 될 수 있는 대로 줄이기 위해 아주 가는 모양을 체택했습니다. 그 결과, 초음속기의 기내 객실은 좌측 1열, 우측 2열의 최소 공간을 활용한 좌석 배치를 가지게 됐지요. 소리의 벽을 극복하게 된 초음속기는 열의 벽을 극복하기 위해 보통 항공기에서 사용하는 알루미늄 합금 대신 스테인리스 스틸이나 티타늄 합금과 같은 내열성이 강한 금속을 사용해야만 했습니다.

그러나 이들 금속 재료는 알루미늄 합금에 비해 공작 기술이 어렵고 중량도 무거우며 재료비도 비싼 난점을 가지게 됐습니다. 그래서 음속으로 비행할 때 표면온도가 150도 정도의 고온이 되는 기수 부분 등 일부에만 티타늄이나 스테인리스 스틸을 사용하고 기타 다른 부분은 알루미늄 합금을 사용하고 있습니다.

이렇게 첨단의 기술이 탄생시킨 초음속기도 아직 극복하지 못하는 단점이 있습니다. 그것은 바로 소음입니다. 이륙직후 고도를 높이면서 바로 음속의 속도로 돌입하기 때문에 상대적으로 파생되는 소음은 지상의 사람들에게 대단히 크게 작용하게 됩니다. 그래서 공항이 인근에 위치한 대도시 시민들은 초음속기의 취항을 그리 달가워하지 않았습니다.

얼마 전 개항한 인천신공항의 경우 도심에서 어느 정도 떨어진 해상에 건설됐기 때문에 초음속기의 취항에도 유리한 조건을 갖추고 있습니다. 머지 않아 항공기술 발전에 의해 태평양을 2~3시간에 주파할 수 있는 극초음속의 시대가 올 것으로 기대되고 있습니다. 음속의 7~10배인 시속 1만킬로미터까지 날 수 있는 극초음속기가 미 보잉사의 설계로 실험 중에 있습니다. 이 항공기가 실용화된다면 L.A.와 뉴욕은 30분 만에 주파할 수 있게 되는 것이죠.

그렇게 빨리 비행을 해야 할 필요까지 있는가라는 회의론도 있지만 더 빨리 날고 싶어하는 인간의 욕망은 그 시대를 더 빨리 당길 것으로 보여집니다.

[출처] 대한항공 스카이뉴스