소닉붐 현상으로 건물의 유리창이 깨질수 있을까?

살면서 한 번쯤 하늘에서 쾅 하는 거대한 천둥소리를 듣고 가슴이 철렁 내려앉거나, 혹시 근처에서 큰 사고라도 난 건 아닐까 걱정해 보신 적이 있으실 겁니다.

소닉붐 음속충격

이처럼 하늘을 가르는 듯한 엄청난 소리를 접할 때마다 많은 분들이 과연 소닉붐(sonic boom)으로 우리집의 유리창이 깨질까 하는 의구심과 함께 불안감을 느끼곤 하는데요. 오늘은 초음속 항공기가 만들어내는 이 거대한 압력 파동의 실체와 일상 속 궁금증을 상식 선에서 명쾌하고 자세하게 정리해 드리겠습니다.

소닉붐(sonic boom)으로 유리창이 깨어질까 하는 의문은 결론부터 말하면 '충분히 가능한 일'입니다. 비행기가 소리의 속도, 즉 음속을 돌파하는 순간에는 기체 앞뒤로 아주 강력한 공기의 압력 파동(충격파)이 만들어지는데요. 이 파동이 지상으로 전달되면서 마치 폭탄이 터지는 듯한 엄청난 굉음을 냅니다.

1. 음속폭음이 발생하는 과학적 원리와 지상에 미치는 영향

소닉붐(sonic boom) 또는 음속폭음(音速爆音)은 보통 항공기의 초음속 비행에서 발생하는 폭발음으로, 큰 에너지를 발생시켜 폭발음처럼 들립니다. 마하(Mach) 1로 잘 알려진 임계속도는 해면에서 대략 1,225km/h(761mph)의 속도입니다. 이 충격파는 원뿔 모양의 'Mach cone'을 형성하게 됩니다. Mach 값이 1보다 크면 물체의 속도가 음속보다 빠르다 것을 의미합니다. 더 빠르게 이동하는 비행기는 더 얇고 뾰족한 원뿔을 갖게 됩니다.

소리의 속도가 대략 340m/s인데 음속 이상으로 비행하게 되면 비행기 보다 먼저 진행하고 있던 소리와 만나게 됩니다. 이때 공기의 밀도가 급격하게 압축되는 과정에서 엄청나게 큰소리가 발생하면서 수증기의 띠가 생기는 것을 소닉붐이라 합니다. 비행기가 초음속으로 날면 기체의 앞머리와 꼬리끝에서 충격파라는 파도가 생깁니다. 이 충격파가 지면에 부딪치면 압력 상승이 일어나서 꽝하는 소리가 들립니다. 심할 때에는 이 충격파로 유리창이 깨질 수도 있습니다.

이 충격파는 지면에 이르는 동안에 세력이 약해지므로 소닉붐의 피해를 작게 하려면 될 수 있는 대로 높이 날면 됩니다. 현재의 제트 수송기는 고도 10,000m 정도를 날고 있으나, SST는 18,000 ~ 20,000m의 고공을 납니다. 우리가 이 음속폭음을 들을 수 있는 것은 사람이 원뿔 영역 속에 위치할 때만입니다. 따라서 이 원뿔 영역을 벗어나게 되면 음속폭음은 들리지 않게 됩니다.

2. 과거의 한계와 저소음 초음속 항공기 X-59의 등장

과거 1960년대에 등장했던 민간 초음속 여객기 '콩코드'를 기억하시는 분들이 많으실 텐데요. 대서양을 단 3시간 30분 만에 횡단하는 경이로운 속도를 자랑했지만, 비행할 때마다 지상에 전해지는 굉음과 충격파 탓에 수많은 민원에 시달려야 했습니다. 실제 지상의 주택 유리창이 흔들리거나 균열이 생기는 일들이 빈번하게 벌어졌습니다. 결국 소음 공해 문제를 극복하지 못하고 2003년 역사 속으로 퇴출당하는 아픔을 겪었습니다. 개인적인 생각입니다만 기술의 아무리 뛰어난 이점도 인간의 평온한 일상을 해친다면 정착하기 어렵다는 판단 기준을 보여준 사례가 아니었나 싶습니다.

하지만 최근 미국 항공우주국(NASA)과 록히드 마틴이 공동으로 개발 중인 'X-59'가 등장하면서 이 분야의 새로운 이정표를 세우고 있습니다. X-59는 고도 5만 5천 피트에서 마하 1.4의 속도로 비행하는 데 성공하며 소음 문제를 제어할 수 있음을 증명했는데요. 기체 앞부분을 바늘처럼 아주 가늘고 뾰족하게 길게 빼고, 엔진을 기체 상단에 얹는 독특한 방식을 활용하여 공기 압축 현상을 분산시켰습니다. 이 디자인 덕분에 지상에서 느끼는 소음 레벨이 기존의 대폭발음이 아닌 '자동차 문을 닫는 수준'까지 획기적으로 줄어들었다고 합니다. 정말 대단한 도약이 아닐 수 없습니다. 앞으로 이러한 신기술이 더 검증된다면 소음 피해 없이 다시금 초음속 여객기를 타고 전 세계를 빠르게 이동하는 조용한 혁신을 맞이하게 될 것입니다.

우리가 의식은 못하고 있지만 일상 생활에서도 소닉붐 현상은 자주 접하게 됩니다. 소나기가 내릴 때 나타나는 천둥은 자연적으로 발생되는 소닉 붐입니다. 번개의 방전에 따른 급격한 공기의 가열과 팽창이 그 원인이라고 합니다. 또한 채찍을 휘두를 때 나는 소리도 소닉붐입니다. 이는 채찍의 끝부분이 음속보다 더 빠르게 움직이게 되면서 음속폭음을 만들게 됩니다.