만약 앞으로 뉴욕-로스엔젤레스 사이를 저소음 초음속 여객기(QSST:Quiet Supersonic Transport)로 여행하게 된다면 기내에서 볼 수 있는 영화는 아마도 짧은 단편이 될 것이다.
보통 6시간 걸리는 여행 거리가 1,100mph의 속도로 인해 2시간으로 줄어들기 때문이다. 고급 자가용 제트기라고 알려진 QSST는 대륙 횡단 여행이 허용되는 최초의 민간 초음속 비행기가 될지도 모른다. 공기역학적 설계를 통해 초음속 폭음(소닉붐: sonic boom)을 완화시킨 덕분이다.
걸프스트림의 창립자 알렌 폴슨의 아들인 마이클 폴슨이 설립한 SAI(Supersonic Aerospace International)가 발주한 2,500만 달러짜리 계약에 따라 록히드 마틴의 스컹크웍스 팀이 이 초음속 비행기 개발 프로젝트를 6년간 진행 중이다.
12인승 QSST는 고도 1만4,000~1만7,000m 및 7,400km의 항속거리(예를 들면 시카고에서 로마간 거리)에 확장 활주로가 필요 없다.
안락의자 12개, 넉넉한 크기의 화장실, 그리고 감미로운 AV 시스템으로 구성된 QSST는 돈은 풍족하지만 시간이 없는 외교관들이나 중역진들을 타깃으로 하고 있다.
마하 1.6에서 1.8의 순항 속도를 위해 두개의 엔진 및 갈매기형 날개를 가진 이 비행기의 음속 폭음의 강도는 예전 마하 2 속도의 콩코드 여객기에 비하면 백분의 일 수준에 불과하다.
100인승 콩코드 여객기는 지난 2000년 추락사고 이후 운항을 중단하고 영구히 퇴역한 상태다. 또한 비행기 노후에 따른 높은 유지보수 비용과 비싼 운항 비용도 비행 중단의 원인으로 작용했다.
뼈 속까지 울리는 초음속 폭음을 제거하는 일은 공기역학 기술의 주요 과제다. 비행기가 소리보다 빠른 속도로 비행하면서 기체에서 생긴 충격파가 대기에 흩어지기도 전에 전방과 후방 두 곳의 충격파에 집약돼 충돌하면서 폭발음, 즉 소닉붐을 발생시키는 것이다.
QSST의 전반적인 형태는 콩코드 여객기와 유사하지만 크기가 절반에 못 미치고, 미세 조절 공기역학을 이용해 기체의 초음속 비행시 발생하는 압력을 제어했다.
기체 주위에 생기는 공기 동요 층을 균일하게 한 QSST는 두 번의 폭발성 폭음보다 작은 규모의 충격파가 발생한다.
록히드의 프로그램 매니저인 톰 하트만은 알아채지 못할 정도로 작은 소리-하늘에 띄운 연 보다 조용한 소리가 날 것으로 보고 있다.
소닉붐 제거 비행기 설계의 또 다른 열쇠는 기체의 상승력 발생원을 보다 광범위하게 분산시키는 것이다.
QSST의 카나드(비행기 동체 앞부분에 달린 작은 날개: 선미익) 날개와 후퇴식 V형 꼬리날개(swept V tail)가 실질적인 상승력을 제공해 크고 넓은 날개에서 흔히 생기는 시끄러운 폭발음의 원인인 압력 변화를 방지한다.
하트만의 설명에 따르면 QSST의 매끄러운 기체 형태는 음속에 비해 초음속으로 비행할 때 연비가 10% 가량 높다고 한다.
“비행 거리에 구애받지만 않는다면 소닉붐 저감 기체를 쉽게 설계할 수 있다”는 그의 말을 풀이하면 연비를 고려해야 하기 때문에 기체 설계가 까다롭다는 얘기다.
그는 “장거리 비행이 숙제”라면서 “초음속 비행기 개발에서 어려운 부분은 공기 저항을 줄일 수 있는 설계”라고 덧붙였다.
역(逆) V형 꼬리 덕분에 기체 끝 부분에 엔진 두 개를 장착할 수 있는데, 이러한 설계상의 특징은 충격파를 따로 분리시키고 서로 충돌하는 것을 방지하는 효과가 있다.
일반적으로 이러한 엔진 배치는 무게를 지지하기 위해 추가 소재가 필요하다. 그러나 V형 꼬리의 트러스 형태가 기체의 강도를 그만큼 강화시킨다.
미 연방항공국은 땅 위에 있는 접시가 흔들릴 정도로 강한 콩코드의 소닉붐 발생을 이유로 대륙횡단 비행을 금지했다.
폴슨은 QSST가 2006년 초부터 새로 발효된 연방항공국의 엄격한 소음 규정을 충족시킬 것이라고 했다. 또한 소닉붐 저감 설계로 인해 육로 초음속 비행 제한의 철폐를 촉진할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
SAI는 제네럴 일렉트릭, 프래트앤휘트니, 롤스로이스를 통해 개 당 3만3,000파운드의 추력(중형급 여객기와 맞먹는 규모)을 내며 2개 엔진을 모두 합하면 총 6만6,000파운드의 추력을 가진 엔진 설계를 평가 중이다.
내년쯤 초음속 제트기의 설계를 확정하고, 국제 컨소시엄 구성을 통해 비행기를 제작, 2014년경 시장에 선보이는 것이 폴슨의 계획이다.
앞으로 20년간 약 300대에서 400대 가량을 생산할 것이라고 한다. 폴슨은 “콩코드 여객기는 웅장한 비행기였지만 기본적으로 1960년대의 기술이었다”면서 “하지만 초음속 제트기는 제 때를 만난 아이디어”라고 강조했다.
HOW IT WORKS
소닉붐이 발생하는 이유는 충격파가 비행기 꼬리와 엔진 주위로 지나치게 빨리 모여들기 때문이다.
기존의 소닉붐에서는 압력이 비행기 전방 및 후방으로 이동하면서 이 이동으로 인해 전방과 후방에 두 개의 압력 스파이크를 형성, 전통적인 N자 모양의 파동이 생겨나고 그 결과 큰 폭음이 2회 발생한다. 이러한 폭음을 완화시키기 위해 QSST는 압력 지점을 동체 전면으로 분산시킬 수 있도록 했다.
새롭게 설계한 QSST의 기체(위)에서는 비행기 노우즈와 꼬리 부위에서 약간의 충격파가 생성되며, 중간 부위에서는 스파이크가 발생하지 않는다.
비행기의 뾰족한 노우즈가 작은 규모지만 뚜렷한 압력 스파이크를 기체 전방부에서 생성하며, 후방 엔진 배치도 마찬가지다. 두 개의 소규모 압력 스파이크는 기체 전방부와 후방부로의 충격파 이동 현상을 막는다.
소리가 지면에 도달할 때 쯤이면 N형 파동은 대부분 분산돼 귀에 잘 들리지 않는 푸~ 소리만 남게 된다.
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