By 유용원의 군사세계 보라도리 님의 소닉붐에 대한 글을 하나 발견했는데 소닉붐이라고 부르는 전투기 사진이 소닉붐이 아니라고 주장하는 글이었다. 펌글이어서 출처를 알 수 없는 상황이었다. (펌의 폐해다. 이런 사건이 발생할까 봐 제 글의 펌은 허락하지 않는다. 논쟁을 하려면 작성자에게 먼저 확인하여 불명확한 부분이 있었는지 어땠는지 가리는 것이 먼저라고 생각한다.)
이 글에서 소닉붐 사진과 위 글의 문제점을 짚어보자.
소닉붐이란 어떤 물체가 음속 근처의 속도로 움직일 때 나타나는 현상을 말한다. 이 때 발생하는 현상들은 다양하게 존재하는데 그 대표적인 현상이 다음과 같은 현상이다.
(이상 사진출처 : 엠파스 정복자 [칸]님의 블로그, 유용원의 군사세계 보라도리님 글)
사진출처 : 유용원의 군사세계 보라도리님 글
아마 어떤 원서를 스캔한 것 같다. 이 그래프는 “마찰력-정리해볼 문제“의 5번꼭지 그래프와 비슷하다. 이 그래프를 변형시켜 마찰력 그래프로 바꾸면 같아진다. 이 그래프에서 Singular point를 갖듯이 사실 제가 그린 그래프에서도 Singular point를 갖어야 하는 것이지만 그래프를 대충 그리다보니 조금 이상해 졌다.
비행기가 음속 근처(천음속)에 다다르면 비행기 동체와 날개 근처에는 이동에 따른 충격파가 서서히 중첩된다. 이 중첩은 눈에 보이는 것은 아니고 기체분자 밀도 변화 형태로 나타난다. 하지만 비행기 속도가 음속에 다다르면 오랜시간동안 생성되는 충격파가 단 한 곳에 집중되므로(다시 말해서 비행기 입장에서 보면 충격파가 발생한 곳 근처에서 계속 머무른다. 음속과 비행속도가 같으므로…. 배가 파도 속도와 같이 움직이는 것과 비슷하다.) 아주 특별한 현상이 생긴다. 우리는 이것을 소닉붐(Sonic Boom)이라고 한다.
소닉붐에 대한 사진 한 장이 있다.
총알이 날아가는 이 사진은 풍동실험으로 촬영한 이 사진은 공기 밀도 변화 때문에 빛이 굴절되는 모습이다. 자세히 살펴보면 직선의 기울기가 두 가지로 나눠진다. 첫 번째는 기울기가 대략 동체와 수직쪽에 가까운 기울기이고, 두 번째는 완만한 기울기로 형성된 파면이다. 그리고 이 파면 사이에는 삼각형 모양(실제 공간상으로는 깔대기 모양) 공간이 생긴다. 이를 유심히 보신 분은 맨 위 비행기 사진의 흰 부분과 삼각형 모양이 매우 비슷하다는 것을 알 수 있다.
두 번째 파면은 말 그대로 충격에 의해서 나타나는 파면이다. 비행기의 기하학적 변환점 부근에서 주로 생긴다. 마하에 가까운 속도로 비행하는 비행체에 의해 발생한 충격파 때문에 공기분자가 한 방향으로 날아가면서 고밀도층 파면이 형성되고, 뒷쪽은 밀도가 상대적으로 낮은 층이 형성된다. 첫번째 파면은 두번째 파면에 의해 생성된 저밀도층을 메우기 위해 뒷쪽에서 몰려드는 바람에 의해 생성되는 파면으로, 뒷쪽은 더 높은 밀도가 형성된다. 따라서 두 파면 사이에는 저밀도층이 형성되며, 이 저밀도층 때문에 비행체는 압력저항을 더 강하게 받게 된다.
또 이 저밀도층에는 공기가 팽창하게 됨으로 온도가 급격히 내려가서 공기 속의 수분이 구름처럼 맺혀 희게 보인다.
유용원의 군사세계 보라도리님 글에서는 흰 것은 충격파에 의해 형성된다고 설명해 놓고 음속에 의한 것이 아니라고 주장하는데 이해하기 힘들다. (잘 설계된 비행기라면) 충격파면 자체가 음속에 가깝게 비행할 때 생기는 것이니까, 관계 없다고 하기 힘들다.
참고로 갈릴레이의 진공에 대한 사고실험을 하나 소개한다.
갈릴레이 시대에는 자연은 진공(아무것도 없는 공간)을 싫어해서 세상에는 진공은 존재하지 않는다는 패러다임이 지배했다. 하지만 갈릴레이는 생각을 조금 더 진전시켜 보았다.
어떤 공이 공기중을 움직인다고 할 때 공은 공기를 움직이는 방향으로 밀어낼 것이다. 이 때 공의 뒷쪽에서는 공이 있던 자리의 빈 공간을 메우기 위해서 공기가 공 쪽으로 움직일 것이다.
그러나 공이 매우 빠른 속도로 움직인다면 어떻게 될까? 공이 공기가 움직일 수 있는 최대속도보다 더 빠르게 움직이게 된다면 공의 뒷쪽에는 아무것도 존재하지 않는 진공이 형성될 것이다. 따라서 자연은 진공을 싫어하는 것은 아니며, 어딘가에 진공이 존재할 수도 있다.
후에 실험관에 형성된 수은기둥의 76cm보다 더 높은 윗쪽에 진공이 형성된다는 것이 밝혀지고, 토리첼리에 의해서 진공을 만드는 방법과 그 힘에 대해서 밝혀졌다. 갈릴레이 사고실험은 소닉붐과 매우 유사성이 크다는 점을 생각할 때 그는 과연 천재라는 생각이 든다. 그러나 가속이필요하다는 점에까지 생각을 넓히지 못한 한계도 보여준다.
유용원의 군사세계 보라도리님 글을 보면 다음 그림이 존재한다.
이와 같은 두 장의 그림이 존재하는 것을 알 수 있다. (두번째 그림의 Shock Wave의 방향이 반대라는 것은 이미 그린 사람이 인정한 것이라고 하니 무시하자.) 하지만 보라도리님 글에서 설명하는 것과 같이 비행기 날개 역학 그림의 주황색 부분이 Prandtl-Glauert Singularity 그래프의 압력을 따라 변한다면 우리는 큰 오류가 존재함을 쉽게 알 수 있다. 즉 기체가 음속에 가까워지면 날개 위에서 밑으로 누르는 압력이 증가해서 비행이 불가능해 진다. 이 오류는 Prandtl-Glauert Singularity그래프에 대한 공부가 미흡했기 때문에 나타난다. Prandtl-Glauert Singularity에서 나오는 압력은 비행체의 앞과 뒤의 압력차이를 말하는 것으로, 압력저항 원인의 압력이다.
이 세장의 그림이 재미있다. “비행기 구름이 생기는 이유??“에서 살펴본 비행기 날개에 의해 생기는 저압 부분에 구름이 생기는 모습이다. 이런 경우 대부분 날개의 영향이 사라지는 곳에 다다르면 구름도 사라지게 된다. ^^ 즉 소닉붐(Sonic Boom)과는 다른 형태로 구름이 형성됐다.
날개안정철갑탄(APFSDS)의 비행중 탄심과 장탄통의 분리장면이다.
중앙 탄심은 유선형을 띄어 소닉붐이 생기지 않는 반면 주변의 탄통 파편은 큰 소닉붐의 영향을 받고 있다. 그래서 탄심은 그대로 비행하는 반면 파편은 급격히 느려진다. 비행체의 모양이 얼마나 중요한지 알 수 있다.
기억이 맞는다면 영화의 한 장면이다. (파도 장면 등등이 많이 어설프다. ^^)
음속을 돌파한 비행기에 의해 발생한 충격파면이 다른 액체 혹은 고체와 부딪히면 실제로 저런 파괴력이 나타난다. 그래서 비행기는 지상에서 고도 100m 미만에서는 음속을 돌파하지 못하도록 법적 제약을 받는다.
몇 년 전 전투기가 실수로 낮은 고도에서 음속을 돌파했다가 인근 마을 유리창이 모두 파손되고 건물 벽이 갈라지는 피해가 생겼다.
내가 사는 마을은 오산비행장 활주로 부근인데 이륙한 전투기 고도를 높이자마자 음속을 돌파하는 경우가 자주 있다. 고도가 충분히 높다고는 하지만 어렸을 때부터 듣고 지내온 영향인지 귀가 많이 안 좋다.
현재 우리마을은 이주 대상이고, 또 현재 소음피해에 대해서 국방부와 소송중에 있습니다. 나중에 합의했다고 합니다.
