소리보다 빨리 날 때 생기는 굉음, 소닉붐

소닉붐은 물체가 소리보다 빠른 속도로 움직일 때, 앞서 퍼지지 못한 음파들이 한데 겹쳐 강한 압력파가 되고, 이 압력파가 지면에 닿으며 천둥처럼 큰 소리로 들리는 현상이다. 공기 중에서 소리는 기온에 따라 다르지만 지상 부근에서 초속 약 340미터로 퍼진다. 비행기가 이 속도를 넘어서면 비행하는 내내 압력파를 끌고 다니게 되고, 그 아래 지역에는 비행기가 지나가는 순간 굉음이 울린다.

소리가 앞서 나가지 못할 때

비행기는 날아가는 동안 계속 공기를 밀어내며 소리를 낸다. 이 소리는 동심원을 그리며 사방으로 퍼져 나간다. 비행기가 음속보다 느리면 소리는 비행기보다 앞서 퍼져 나가므로, 앞쪽의 공기는 비행기가 다가온다는 신호를 미리 받는다. 이때 비행기 앞쪽의 음파는 조금 촘촘해지기는 하지만 서로 겹치지는 않는다.

비행기가 정확히 음속으로 날면 앞쪽으로 퍼지는 음파와 비행기가 같은 속도로 나아가, 음파들이 비행기 앞에 차곡차곡 쌓인다. 음속을 넘으면 비행기가 자기가 낸 소리를 앞질러 버린다. 그러면 여러 순간에 낸 음파의 앞부분이 하나의 원뿔 면 위에 겹쳐지고, 이 면을 따라 압력이 갑자기 치솟는 압력파가 생긴다. 물 위를 빠르게 달리는 배 뒤로 V자 물결이 퍼지는 것과 비슷한 모양이다.

마하수와 압력파의 각도

물체의 속도를 음속으로 나눈 값을 마하수라고 한다. 마하 1은 음속과 같은 속도, 마하 2는 음속의 두 배다. 압력파가 만드는 원뿔은 속도가 빠를수록 뾰족해진다. 원뿔의 반각은 마하수의 역수를 사인 값으로 갖는 각도인데, 마하 2라면 약 30도, 마하 3이라면 약 19도가 된다.

속도	마하수	압력파 원뿔의 반각
음속	1	90도 (평면)
음속의 1.5배	1.5	약 42도
음속의 2배	2	약 30도
음속의 3배	3	약 19도

이 원뿔은 비행기를 따라 땅 위를 쓸고 지나간다. 그래서 소닉붐은 비행기가 음속을 넘는 한 순간에만 나는 소리가 아니라, 초음속으로 나는 동안 계속 만들어지며 비행 경로 아래를 따라 이동한다. 지상에 있는 사람은 원뿔이 자기 위치를 지나가는 순간 한 번 또는 두 번 연달아 쾅 하는 소리를 듣는다.

하늘에 생기는 원뿔 구름

비행기가 음속 가까이 날 때 기체 주위에 원뿔이나 원반 모양의 하얀 구름이 순간적으로 생기는 사진을 볼 수 있다. 이는 소닉붐 자체를 찍은 것은 아니다. 기체 주변의 공기 압력이 급격히 떨어지는 곳에서 기온이 낮아지며, 공기 속 수증기가 순간적으로 응결해 생기는 현상이다. 습도가 높은 날 바다 위를 낮게 날 때 특히 잘 보인다.

초음속 여객기가 사라진 이유

1970년대에 등장한 초음속 여객기 콩코드는 대서양을 3시간 남짓에 건넜다. 일반 여객기의 절반도 안 되는 시간이었다. 하지만 소닉붐이 큰 걸림돌이 되었다. 지상에 사는 사람들에게 갑작스러운 굉음을 주고 창문을 흔들 수 있어서, 많은 나라가 육지 위에서의 초음속 비행을 제한했다. 결국 콩코드는 주로 바다 위 노선에서만 음속을 넘을 수 있었다.

여기에 높은 연료 소비와 비싼 운임, 좁은 객실이라는 약점이 겹쳤다. 운항 노선과 승객이 제한되면서 경제성이 떨어졌고, 콩코드는 2003년 운항을 마쳤다. 그 뒤로 지금까지 정기 운항하는 초음속 여객기는 없다.

조용한 초음속 비행을 향해

최근에는 소닉붐 자체를 약하게 만드는 연구가 진행되고 있다. 압력파는 비행기의 앞부분과 날개, 꼬리처럼 모양이 급하게 바뀌는 곳마다 생기는데, 이것들이 한데 합쳐져 강한 굉음이 된다. 기체를 매우 길고 가늘게 만들고 각 부분의 모양을 세심하게 다듬으면, 압력파들이 하나로 뭉치지 않고 흩어져 지상에서는 멀리서 차 문을 닫는 정도의 낮은 소리로 바뀔 수 있다는 것이다.

이런 기술을 시험하는 실험기가 개발되어 비행 시험이 이루어지고 있고, 시험 결과는 육지 위 초음속 비행 규정을 다시 검토하는 자료로 쓰일 예정이다. 음파가 겹치는 단순한 원리를 이해하는 데서 출발해, 그 겹침을 어떻게 흩어 놓을지가 다음 세대 초음속 비행의 열쇠가 되고 있다.