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한국 최초의 우주인 탄생, 천리안 발사 등으로 항공우주과학이 전국의 이슈로 떠오르고 있다. 사이언스타임즈는 항공우주과학에 대한 이해를 돕고, 관심을 고취시키고자 한국항공우주연구원에서 발행중인 웹진 카리스쿨의 콘텐츠를 주 1회 제공한다.
2050년 3월 19일, 오랜만에 따사로운 일요일이다. 아빠와 나는 뉴욕에 가서 점심식사를 하기로 했다. 인천공항에 도착한 우리는 ‘복어’에 탄다. 이 비행기는 몸이 뚱뚱하고 주둥이가 튀어나온 데다 옆으로 작은 날개가 벌어져 있어, 이름이 ‘복어’다. 이 비행기가 활주로를 달리자 바깥 풍경이 덜 마른 수채화를 손으로 문지른 듯 스쳐지나간다. 그렇게 달리던 ‘복어’는 한순간 ‘슝-’ 소리와 함께 하늘로 솟구친다.
30분 정도 날았을까. 아까까지 밝았던 하늘이 깜깜하다. 우주에 진입한 것이다. 별이 총총 박혀 있다. 마치 꿈을 꾸는 것 같다. 별빛에 취해 꾸벅꾸벅 졸고 있을 때 아빠가 날 깨운다. 드디어 뉴욕에 도착, 비행기를 탄 지 3시간 만이다! ‘복어’는 소리보다 4배 빠르다. ‘복어’가 날아가는 순간 소리를 지르면 저쪽 끝에 ‘복어’가 도착한 지 한참 지나서야 소리가 들린다는 얘기다. ‘복어’처럼 소리보다 빠른 비행기를 초음속 비행기라고 부른다.
다양한 디자인의 초음속 비행기들
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커다란 비행기에는 많은 사람들이 타고 있었다. 아빠는 매년 비행기를 이용하는 사람이 90만 명이 넘는다고 했다. 이 많은 사람들을 효과적으로 이동시키려면 비행기가 안전하면서도 빠르게 이동해야한다. 즉, 초음속으로 날아야 한다는 것이다. 지금이 2050년이니까.. 약 40~50년 전인 2010년대처럼 비행기가 시속 700~800km 정도로 하늘을 날아다닌다면 하늘이 너무 복잡해질 것이다.
“아빠, 그런데 복어가 최초의 초음속 비행기예요?” “아니, 먼 옛날 1960년대에도 비운의 초음속 비행기가 있었어. 이름은 콩코드. 프랑스와 영국 과학자들이 만들었는데 유리창을 깨고 땅을 뒤흔들 만큼 소음이 커서 결국 40년 만에 사라졌지. 그때 이미 소리보다 빠른 비행기를 만들 수 있었다는 얘기란다. ‘복어’가 만들어진 것이 2049년이니, 콩코드에 이은 초음속 비행기의 단점을 극복하는 데 시간이 정말 오래 걸렸구나.
초음속항공기에 대한 연구가 한창이던 2010년대에는 다양한 모양의 초음속 비행기가 디자인 됐다. 가오리처럼 몸과 날개가 세모꼴로 생긴 것도 있고, 길쭉한 몸에 독수리 머리처럼 뾰족한 주둥이가 달린 것도 있었다고 한다. 날개가 몸 끝에 달려 있어 갑오징어처럼 생긴 것도 있었지.
이러한 초음속 항공기들의 생김새는 모두 다양하지만 자세히 살펴보면 공통점이 있단다. 몸과 날개가 구분 없이 한 몸을 이룬다는 거지. 또 비행기 앞부분인 주둥이는 뾰족하고 커다란 공기흡입구가 뚫려 있단다. 이런 모양을 가져야 초고속으로 날면서 소음을 줄일 수 있다고 해.”
“아~ 그럼 옛날 비행기는 어땠어요?” “2010년대 비행기는 날개에서 뜨는 힘(양력)을 얻었단다. 만약 이 날개가 몸과 하나로 붙으면 어떻게 될까? 그래, 비행기가 전체적으로 넓적해지겠지. 그러면 날개뿐 아니라 비행기 몸체 모두에서 양력이 생기게 돼. 이 힘을 이용하면 엔진이 힘을 적게 들여도 빠르게 멀리 날아갈 수 있단다. 연료를 아낄 수 있다는 이야기지. 2007년에 미국항공우주국(NASA)과 보잉사가 함께 ‘X-48B’라는 비행기를 만든 적이 있는데, 그것이 발전돼서 지금처럼 가오리 모양의 비행기가 나온 거란다. ‘X-48B’는 이미 2010년대에 시험비행을 할 정도로 기술이 발달했었지. 2009년에 개발된 ‘X-43C’도 몸체와 날개가 하나로 붙어서 엔진효율이 높았단다.”
티타늄과 인코넬 재료로 초음속 비행 가능
“응~ 그런데 옛날에는 왜 이런 비행기를 못 만들었던 거죠?”
“비행기가 소리보다 빠르게 날 때 해결해야 할 문제가 많았거든. 모양도 모양이지만, 공기와 부딪칠 때 생기는 열도 문제였단다. 비행기가 소리보다 3배만 빨리 날아도 비행기 앞부분과 날개, 꼬리날개 앞부분의 온도가 600℃까지 높아져. 그래서 열에 강한 재료로 비행기를 만들어야 했지. 예전에 비행기를 만들던 알루미늄합금은 200℃만 돼도 녹아버렸단다. 하지만 열에 강한 ‘티타늄’과 ‘인코넬’(철과 니켈, 크롬의 합금) 등의 재료를 사용하게 되면서 초음속 비행도 가능해졌단다.”
“또한, 초음속 비행기는 공기의 저항을 줄이는 게 중요해. 그래서 옛날처럼 상공 10km가 아니라 상공 20km 이상의 높이에서 날아. 높이 올라갈수록 공기가 적어지거든. 우리가 탔던 비행기도 로켓처럼 우주로 나갔다가 다시 지구로 들어왔잖니. 이것도 다 공기 저항을 줄이기 위한 거였어. 그래야 훨씬 쉽고 빠르게 앞으로 나갈 수 있거든.”
요즘 보는 다양한 생김새의 비행기들은 NASA와 함께 록히드마틴사, 보잉사, 노스롭그루먼 같은 비행기 제조회사의 과학자들이 만든 것이다. 이중 NASA와 록히드마틴사가 설계한 ‘갑오징어’는 이미 2030년부터 하늘을 날고 있다. 미국 로스앤젤레스에서 뉴욕까지 1시간 만에 도착할 수 있어 많은 사람들이 깜짝 놀랐다고 한다.
“그런데 아직까지도 비행기는 영화에서 나오는 UFO처럼 위아래로 수직으로 뜨거나 내려오지 못한단다. 활주로를 달리면 양력이 생겨 비행기 무게의 10% 정도만 힘을 내면 되지만, 수직으로 뜨려면 비행기 무게보다 더 큰 힘을 내야하기 때문이지. 그러면 수직이착륙을 위해 평소보다 많은 연료를 실어야 하고, 그 연료 무게 때문에 수직이착륙이 어려워지게 되는 것이고.”
“만약 지금 2050년의 초음속 항공기들이 2010년대 비행기가 이륙하던 방식으로 활주로에서 이륙하려면 그 때보다 3배나 긴 활주로가 필요하단다. 결국 과학자들은 활주로를 달리는 이륙 방법과 추진력을 이용한 수직이착륙 방법을 함께 사용했다. 옛날보다 짧은 활주로를 달리다가 결정적인 순간에 추진력을 일으켜 뜨는 것이지”
“와~ 오래전부터 연구·개발해 온 비행기가 발전하여 초음속으로 여행을 하는 날이 오다니...오래전부터 상상해왔던 타임머신도 탄생할 날이 오지 않을까. 빛보다 빠르게 날아 시간을 거스르는 타임머신은 어떤 모습으로 태어날지 궁금해요!”
30분 정도 날았을까. 아까까지 밝았던 하늘이 깜깜하다. 우주에 진입한 것이다. 별이 총총 박혀 있다. 마치 꿈을 꾸는 것 같다. 별빛에 취해 꾸벅꾸벅 졸고 있을 때 아빠가 날 깨운다. 드디어 뉴욕에 도착, 비행기를 탄 지 3시간 만이다! ‘복어’는 소리보다 4배 빠르다. ‘복어’가 날아가는 순간 소리를 지르면 저쪽 끝에 ‘복어’가 도착한 지 한참 지나서야 소리가 들린다는 얘기다. ‘복어’처럼 소리보다 빠른 비행기를 초음속 비행기라고 부른다.
다양한 디자인의 초음속 비행기들
커다란 비행기에는 많은 사람들이 타고 있었다. 아빠는 매년 비행기를 이용하는 사람이 90만 명이 넘는다고 했다. 이 많은 사람들을 효과적으로 이동시키려면 비행기가 안전하면서도 빠르게 이동해야한다. 즉, 초음속으로 날아야 한다는 것이다. 지금이 2050년이니까.. 약 40~50년 전인 2010년대처럼 비행기가 시속 700~800km 정도로 하늘을 날아다닌다면 하늘이 너무 복잡해질 것이다. “아빠, 그런데 복어가 최초의 초음속 비행기예요?” “아니, 먼 옛날 1960년대에도 비운의 초음속 비행기가 있었어. 이름은 콩코드. 프랑스와 영국 과학자들이 만들었는데 유리창을 깨고 땅을 뒤흔들 만큼 소음이 커서 결국 40년 만에 사라졌지. 그때 이미 소리보다 빠른 비행기를 만들 수 있었다는 얘기란다. ‘복어’가 만들어진 것이 2049년이니, 콩코드에 이은 초음속 비행기의 단점을 극복하는 데 시간이 정말 오래 걸렸구나.
초음속항공기에 대한 연구가 한창이던 2010년대에는 다양한 모양의 초음속 비행기가 디자인 됐다. 가오리처럼 몸과 날개가 세모꼴로 생긴 것도 있고, 길쭉한 몸에 독수리 머리처럼 뾰족한 주둥이가 달린 것도 있었다고 한다. 날개가 몸 끝에 달려 있어 갑오징어처럼 생긴 것도 있었지.
이러한 초음속 항공기들의 생김새는 모두 다양하지만 자세히 살펴보면 공통점이 있단다. 몸과 날개가 구분 없이 한 몸을 이룬다는 거지. 또 비행기 앞부분인 주둥이는 뾰족하고 커다란 공기흡입구가 뚫려 있단다. 이런 모양을 가져야 초고속으로 날면서 소음을 줄일 수 있다고 해.”
“아~ 그럼 옛날 비행기는 어땠어요?” “2010년대 비행기는 날개에서 뜨는 힘(양력)을 얻었단다. 만약 이 날개가 몸과 하나로 붙으면 어떻게 될까? 그래, 비행기가 전체적으로 넓적해지겠지. 그러면 날개뿐 아니라 비행기 몸체 모두에서 양력이 생기게 돼. 이 힘을 이용하면 엔진이 힘을 적게 들여도 빠르게 멀리 날아갈 수 있단다. 연료를 아낄 수 있다는 이야기지. 2007년에 미국항공우주국(NASA)과 보잉사가 함께 ‘X-48B’라는 비행기를 만든 적이 있는데, 그것이 발전돼서 지금처럼 가오리 모양의 비행기가 나온 거란다. ‘X-48B’는 이미 2010년대에 시험비행을 할 정도로 기술이 발달했었지. 2009년에 개발된 ‘X-43C’도 몸체와 날개가 하나로 붙어서 엔진효율이 높았단다.”
티타늄과 인코넬 재료로 초음속 비행 가능
“응~ 그런데 옛날에는 왜 이런 비행기를 못 만들었던 거죠?”
“비행기가 소리보다 빠르게 날 때 해결해야 할 문제가 많았거든. 모양도 모양이지만, 공기와 부딪칠 때 생기는 열도 문제였단다. 비행기가 소리보다 3배만 빨리 날아도 비행기 앞부분과 날개, 꼬리날개 앞부분의 온도가 600℃까지 높아져. 그래서 열에 강한 재료로 비행기를 만들어야 했지. 예전에 비행기를 만들던 알루미늄합금은 200℃만 돼도 녹아버렸단다. 하지만 열에 강한 ‘티타늄’과 ‘인코넬’(철과 니켈, 크롬의 합금) 등의 재료를 사용하게 되면서 초음속 비행도 가능해졌단다.”
“또한, 초음속 비행기는 공기의 저항을 줄이는 게 중요해. 그래서 옛날처럼 상공 10km가 아니라 상공 20km 이상의 높이에서 날아. 높이 올라갈수록 공기가 적어지거든. 우리가 탔던 비행기도 로켓처럼 우주로 나갔다가 다시 지구로 들어왔잖니. 이것도 다 공기 저항을 줄이기 위한 거였어. 그래야 훨씬 쉽고 빠르게 앞으로 나갈 수 있거든.”
요즘 보는 다양한 생김새의 비행기들은 NASA와 함께 록히드마틴사, 보잉사, 노스롭그루먼 같은 비행기 제조회사의 과학자들이 만든 것이다. 이중 NASA와 록히드마틴사가 설계한 ‘갑오징어’는 이미 2030년부터 하늘을 날고 있다. 미국 로스앤젤레스에서 뉴욕까지 1시간 만에 도착할 수 있어 많은 사람들이 깜짝 놀랐다고 한다.
“그런데 아직까지도 비행기는 영화에서 나오는 UFO처럼 위아래로 수직으로 뜨거나 내려오지 못한단다. 활주로를 달리면 양력이 생겨 비행기 무게의 10% 정도만 힘을 내면 되지만, 수직으로 뜨려면 비행기 무게보다 더 큰 힘을 내야하기 때문이지. 그러면 수직이착륙을 위해 평소보다 많은 연료를 실어야 하고, 그 연료 무게 때문에 수직이착륙이 어려워지게 되는 것이고.”
“만약 지금 2050년의 초음속 항공기들이 2010년대 비행기가 이륙하던 방식으로 활주로에서 이륙하려면 그 때보다 3배나 긴 활주로가 필요하단다. 결국 과학자들은 활주로를 달리는 이륙 방법과 추진력을 이용한 수직이착륙 방법을 함께 사용했다. 옛날보다 짧은 활주로를 달리다가 결정적인 순간에 추진력을 일으켜 뜨는 것이지”
“와~ 오래전부터 연구·개발해 온 비행기가 발전하여 초음속으로 여행을 하는 날이 오다니...오래전부터 상상해왔던 타임머신도 탄생할 날이 오지 않을까. 빛보다 빠르게 날아 시간을 거스르는 타임머신은 어떤 모습으로 태어날지 궁금해요!”
| 이 글에 등장한 ‘복어’와 ‘갑오징어’ 는 현재 개발되고 있는 초음속항공기의 가상명칭입니다. |
- 글: 이정아 과학칼럼니스트
- 저작권자 2011-04-25 ⓒ ScienceTimes
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