항공기가 소리보다 빠르다면?-음속이란(1)

항공기가 소리보다 빨라지면 어떻게 될까?

• 한 번씩 전투기가 비행하는 영상을 보면 소닉 붐이라고 하여 날개 주변에 하얀색 띠가 생기면서 엄청난 소리를 내는 영상을 볼 때가 있다. 이것은 이제 알아볼 것과 연관이 있는데 이전까지 알아본 것은 항공기가 아음속, 즉 소리보다 느린 속도에서 비행을 할 때 공기가 이렇게 돼서 저렇게 된다.라고 알아봤다. 하지만 항공기가 소리보다 빨라지면 즉, 음속을 돌파하면 아음속일 때와는 공기역학적으로 조금 달라진다. 그 이유에 대해 알아보자.

  

  출처 : 위키백과

• 초음속을 이해하는데 가장 중요한 것은 “초음속일 때 공기는 압축성을 가진다."라는 것이다. 압축성을 가진다는 뜻은 Pressure에 따라 공기의 Density가 달라진다는 것을 의미하는데 쉽게 이야기하면 풍선 안에 바람을 불어 부풀렸다고 해보자. 이 상태에서 손으로 풍선을 누르면 풍선이 작아진다. 이때 손으로 풍선을 누른다는 것은 풍선 내 공기의 Pressure이 올라갔다는 것이고 그렇게 되면 풍선의 공간이 작아지면서 풍선 내 공기의 Density가 증가했다는 것이다. Pressure가 변화에 따라 Density가 변했다는 것이다. 여기서 의문점이 든다? 당연한 거 아닌가? 그러면 소리보다 느린 아음속 상태에서는 공기는 비압축성이라는 것인가?
• 그렇다고 볼 수 있다. 베르누이 법칙에 의해 속도가 증가하면 압력이 낮아진다. 다시 말해 항공기의 속도 변화에 따라 공기에 가해지는 압력은 변한다. 아음속일 때도 압력의 변화에 따라 공기의 Density가 변하게 되는데 하지만 극소량이라 무시할 정도이다. 그래서 아음속일 때는 공기는 비압축성이라고 이야기할 수 있다.

출처 : FAA-H-8083-25B

음속이란

• 연못에 돌을 떨어뜨린 적이 다들 있을 것이다. 돌이 잔잔한 물 위에 떨어지면 돌이 떨어진 지점을 기준으로 모든 방향으로 wave를 만들며 파동이 퍼져나간다. 공기도 동일하다. 항공기가 비행하는 상황을 조금만 확대해서 보면 공기 분자들 사이를 뚫고 가는 것이다. 항공기가 지나가면 지나간 지점을 기준으로 모든 방향으로 공기의 wave가 퍼져나간다. 이 진동하는 wave를 우리 귀가 감지해서 소리를 듣는다.라고 표현한다. 중요한 것은 항공기가 만든 공기의 wave는 모든 방향으로 소리 속도(음속)로 퍼져나간다는 것이다.
• 음속이란 공기의 Pressure wave가 주위로 퍼져나가는 속도를 말한다. 그러면 음속은 kt로 변환하면 얼마일까? 여기서 짚고 넘어가야 할 점은 음속은 변한다는 것이다. 음속은 오직 공기 온도가 변하면 달라지게 되는데 온도가 낮으면 음속도 작아진다. 15도씨 일 때 음속은 대략 661kt 정도 되며 고도가 올라갈수록 기온이 낮아지므로 음속도 작아지게 된다.

출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight