1 개요
Speed of Sound. 말 그대로 소리의 속도. Sonic이라고도 한다.
보통 학교에서 340m/s(=1224km/h)로 배우지만, 이것은 영상 15℃ 기준일때이다.[1] 실제로는 같은 공기라 하더라도 온도에 따라 변하며, 온도가 낮아질 수록 소리의 속도는 느려진다. 소리는 결국 파장의 일종인데, 공기분자가 활발히 움직이는 높은 온도일 수록 이 파장이 더 빨리 퍼져나가기 때문. 온도 뿐만 아니라 습도에도 영향을 받는다. 습도가 높을수록 소리 속도는 빨라지는데, 이는 수증기 분자가 공기의 질소나 산소 분자보다 가볍기 때문이다.
실제 음속은 아래 식으로 근사적으로 계산될수 있다. 참고
[math]V_{air} = 331.3 \sqrt{1+ {T \over 273.15}} [/math] 또는 [math]V_{air} = 20.05 \sqrt{273.15+T}[/math](T는 섭씨온도 ℃, 단위는 [m/s], 상대습도 0% 기준)
음속은 광속보다 느리기때문에 유튜브에 업로드되는 전투장면 직캠(?)에서 폭발장면이 먼저 보이고 그 다음 폭발음이 들리는것도 이 때문이다. 사실 거기까지 안봐도 천둥번개가 칠때 번개가 먼저 번쩍하고 천둥소리가 나중에 들리는것만으로도 손쉽게 알수있다.근데 왜 천둥이 먼저지? 번개천둥이라고 해야할듯 관찰력 좋은 군필자 들은 군대 있을때 멀리서 사격 훈련을 관찰하면서 총소리가 불빛 보다 살짝 늦게 들린다는 것을 알고 있었을 것이다. 포병 같은 경우 더욱 강하게 느껴볼 수 있다.
그래서 영화에서 시나리오상 소리가 빛보다 느리다는 것을 입증해야 할 때 멀리서 폭탄을 터뜨린 후 폭발장면이 먼저 보이고 나중에 폭발음이 전달되는 것을 근거로 제시하는 경우가 있다.
이 소리의 속도를 기준으로 몇 배의 속도인가를 나타내는 단위가 마하다.
주로 비행체를 연구하는 사람들은 실제 비행체의 속도보다는 음속의 몇 배인지, 즉 마하 몇 인지에 더 관심을 갖는데 이는 비행체 주변의 공기속도가 실제 속도와 관계 없이 마하에 더 많이 영향을 받기 때문이다.
특히 음속을 넘었는가, 넘지 않았는가에 따라 충격파의 발생 여부가 달라지며 이 충격파가 발생하고 나면 그 이전까지와 비행체 주변의 온도, 압력, 속도등이 급격히 달라진다.
인류는 총알 등으로 진작에 음속을 넘어서는 물체를 만들어냈지만,[2] 사람이 직접 탄 비행체는 1940년대 말엽이 되어서야 만들 수 있었다(X 실험기 시리즈의 X-1 참조). 그 이전까지는 이 음속을 넘어서는 속도로 비행하는 것이 매우 어려웠고, 그래서 이를 비유적인 의미로 소리의 장벽이라고 불렀다. 다만 관련지식이 전혀 없어서 비유적 표현을 그대로 받아들인 경우, 음속에 가까워지면 비행체 앞에 정말 장벽이 생기는줄 아는 사람도 있다. 흔히 장벽으로 오인되는 충격파는 어떤 뚫고지나가는 존재가 아니라 항공기가 끌고 다니는 것이다. 쉽게 말해서 음속 이상으로 비행중인 비행체 앞의 충격파는 배가 물을 가르며 나갈때 배 앞쪽에 생기는 V자 모양의 물결 같은 것이다.
2 분류
음속을 기준으로 다음과 같이 속도를 분류한다.
2.1 저아음속
저아음속(Low Subsonic) : 마하수 0.3 이하 (~약 367 km/h)
공기흐름에서 압축성 효과가 발생하지 않는다. 엄밀히 말하면 그 효과의 크기가 작아 무시한다. 이를 보통 비압축성 유동이라고 한다. 여기서의 압축성 효과는 피스톤으로 누르는 형태의 압축이 아니라, 공기가 물체에 부딪혀서 그 주변이 압축이 되면서 밀도가 변하는 상태다. 연구자들 입장에서는 압축성의 유무에 따라 유체의 밀도가 전체적으로 일정한가, 일정하지 않은가가 바뀌기 때문에 관련 수식의 복잡함도 엄청 달라진다. 부가티가 저아음속보다는 빠른건 함정?
2.2 고아음속
고아음속(High Subsonic) : 마하수 0.3~0.8 (약 367 km/h ~ 979 km/h)
공기흐름에서 압축성 효과를 고려하지 않으면 실제와 큰 차이가 발생하기 시작한다. 보통은 고아음속, 저아음속 따로 구분하지 않고 그냥 뭉뚱그려서 아음속이라 표현하기도 한다. 음속에 대한 관련지식이 잘 없는 사람은 아음속이란 표현이 뭔가 대단한 속도의 영역으로 오해하는 경우가 있는데, 이는 SF영화등에서 나오는 아광속 같은 용어 때문인듯 하다. 아음속은 뜻풀이를 하면 그냥 음속보다 느리다는 의미이며, 실제로 마하수 0.1도 아음속이고 마하수 0.8도 아음속이다.
하지만, 영어의 Subsonic은 그냥 음속보다 느리다는 의미인 반면에, 아음속(亞音速)에서의 亞는 버금가다 또는 다음가다의 의미이다. 때문에 이 한자때문에 혼동하기 쉽다. 심지어 몇 몇 국어사전에도 한자 그대로 풀어서 아음속은 음속에 가까운 속도라고 지칭하고 있다. 아열대기후를 생각하면 이해하기 쉽다. 그러나 공학적으로는 정말 음속에 가깝지만 음속을 넘지 못하는 속도의 비행체는 차라리 천음속이란 용어를 쓴다. 밑에 설명될 천음속은 마하수 1.0~1.2의 속도영역을 포함하지만 일반적으로 천음속 항공기나 천음속 비행체는 이 마하수 0.8~1.0 수준을 지칭. 사실 subsonic이란 단어가 아음속이란 용어로 번역되다보니 생긴 문제. 근데 더 헷갈리는건 밑에 천음속 설명에도 나오듯 마하수 1.0 미만은 무조건 천음속이 아니라 아음속이라 지칭해버리는 경우도 있다.
2.3 천음속
천음속(Transonic) : 마하수 0.8~1.2(약 979 km/h ~ 1,469 km/h)
천음속은 음속으로 넘어간다(천이하다)라는 의미다. 천음속은 일반적으로 마하수 0.8에서 1.2사이의 영역으로 본다. 천음속이 정의된 이유는 유동의 국부적 영역이 마하수 1.0을 넘어 이 부분에서 충격파가 발생하는 일이 발생하기 때문이다.[3] 또한 낮은 초음속에서, 즉 보통 마하수 1.0에서 1.2사이에서는 일반적인 초음속 영역에서와 다른 특성이 나타난다. 이에 대한 예로 초음속 영역에서는 날카로운 앞전형상을 가진 에어포일이 낮은 항력계수를 가지는데 천음속영역에서는 오히려 뭉툭한 앞전형상을 가진 에어포일이 더 낮은 항력계수를 가지기도 한다.
이런 현상이 잘 발생하는 것이 날개위. 날개 위쪽의 공기흐름은 항상 주변보다 빠르게 흐르며, 마하 0.8로 비행중인 항공기의 날개 위에서는 마하수 1.0 이상(심하면 마하 1.3~1.4 정도)의 흐름이 발생하는 경우도 빈번하다.
이렇게 국부적으로 생긴 초음속 흐름탓에 항공기의 항력이 갑자기 커지며(이를 drag divergence, 즉 항력발산이라 한다. 그리고 이 항력발산이 발생하는 마하수를 critical Mach number, 즉 임계마하수라고 한다.)), 실험을 하거나 수식을 푸는 사람 입장에서도 어느 부분은 초음속 흐름, 어느 부분은 아음속 흐름이 생기다보니 매우 예측하기 까다로운 영역이다. 심지어 상황이나 물체 형상에 따라 마하수 0.6인데도 국부적으로 마하수 1.0이 넘는 초음속 흐름이 발생(이런게 임계 마하수가 낮은 경우로 보통 두꺼울수록 낮다.), 비행 특성이 급격히 바뀌어 항공기 개발자를 당황케 하는 경우도 있었다(P-38 라이트닝 참조). 참고로 전투기 사진으로 올라오는 것중에 소닉붐이라며 올라오는 것을 보면 비행기 주변에 원형의 구름이 생기는 사진이 나오는데, 이 구름이 바로 천음속 비행시 생기는 국부적 초음속 흐름 때문에 생기는 것이다.
다만 이 천음속이란 용어를 쓰지 않고, 그냥 마하수 1.0을 기준으로 그 이상이면 초음속, 그 이하면 아음속으로 분류해버리기도 한다. 이러한 분류는 천음속 영역의 복잡한 계산 때문에 골머리 썩을일 없는 실제 항공기 사용자(군이나 조종사)들이 많이 쓰는 편. 이를테면 대형 여객기들은 대부분 마하수 0.8~0.9라는 천음속 영역으로 비행하다보니 설계자들은 실험이나 계산에서 머리가 아프지만 보통은 그냥 "아음속 항공기"라고만 불러버린다. 미사일 역시 토마호크나 하푼같은 미사일의 실제 비행속도는 마하수 0.8정도로 천음속 영역이지만 분류할때는 그냥 속편하게 '아음속 미사일'로 분류.
2.4 초음속
초음속(Supersonic) : 마하수 1.2 ~ 5 미만 ( 약 1,469 km/h ~ 6,120 km/h)
말 그대로 음속을 넘어섰다는 의미. 다만 위에 천음속에서 언급한바와 같이 그냥 마하수 1.0 이상을 무조건 초음속으로 보기도 한다. 영화나 만화등에서는 초음속을 넘으면 갑자기 제로의 영역 같은 것이 펼쳐지는 묘사를 하기도 하지만 실제 조종사들의 말에 의하면 비행기 조종특성이 바뀌거나, 진동이 좀 생기거나 하는 경우는 있어도 별천지가 펼쳐지거나 하는 경우는 없다고 하며 특별히 조종사의 몸에 뭔가 부담이 생기거나 하는 일도 없다. 그 이유는 사람의 몸에 영향을 미치는 것은 속도 자체가 아니라 얼마나 속도를 빨리 올리는가, 즉 가속도가 중요하기 때문. 그렇기에 순항속도가 마하수 2.0이 넘는 초음속 여객기도 일반인들이 잘만 타고 다니는 것이다.
초음속 비행중에는 충격파의 발생으로 큰 항력이 발생한다. 따지고 보면 인류가 초음속 비행을 돌파할 수 없는 벽으로 여겼던 곳도 이 항력을 이겨낼 추진력(정확히는 사람이 탈 만큼 큰 비행체를 초음속으로 밀어줄 추진력)을 만들어내는 것이 어려웠기 때문. 최초의 음속돌파는 X-1 실험기이며, 비공식적으로는 F-86전투기도 X-1이 실험하기에 바로 앞서 급강하중 잠깐 동안 음속돌파에 성공한 것으로 여겨지고 있다. 좀 더 자세하게 설명하면 음속을 넘어선 속도를 탑재된 계기가 측정할 수 없어서 측정을 못 했다. 이후 X-1이 비행한 다음 X-1의 시험장비를 빌려와서 다시 한번 급강하를 해봤더니 정말 마하수 1.0을 넘어섰다. 뭐 어차피 급강하중 잠깐 할 수 있던 것이어서 큰 의미는 없었다. 이 외에 몇 몇 항공기가 X-1보다 앞서 급강하중 음속 돌파에 성공했다는 주장이 있으나 대부분 확인 불가. 심지어 프로펠러기도 급강하중 음속돌파를 했다는 주장이 있으나, 프로펠러는 음속에 접근하면 그 자체가 추진력을 만들어내는 것이 아니라 도리어 항력덩어리 역할을 하기 때문에 2차대전 중 쓰였던 프로펠러기의 음속돌파는 가능성이 매우 희박하다.
요근래 쓰이고 있는 전투기들은 대부분 초음속 비행이 가능하지만, 실제로는 어느정도 제약이 있다. 대부분 지면 가까이에서는 공기밀도가 너무 높고 주변 온도가 높은 탓에 엔진이 과열되거나 기체 구조물에 무리가 가서 마하수 1.2~1.5 이상으로 비행이 어렵다. 실질적으로 제대로 초음속으로 비행할 수 있는 것은 고도 4, 5km 이상의 고고도이며, 대부분 스펙에 적혀있는 '최대속도'는 고도 11~12km 정도에서나 낼 수 있는 속도. 그나마도 외부에 미사일이나 폭탄을 달면 이 최대속도는 팍팍 깎여서, 심지어 초음속 전투기임에도 초음속 비행을 못하는 상황이 발생한다. 결정적으로 특별한 몇 몇 항공기를 제외하면 음속으로 비행하려면 엔진을 최대출력으로 돌리는 것도 모자라 애프터버너라는 것을 써야하는데, 이러면 연료소모량이 거의 5~10배 가량 늘어난다. 그래서 실제 전투상황에서 초음속 비행사례는 손꼽힐 정도로 적다. 예외적인 항공기들은 특정상황에서, 혹은 아예 설계자체를 초음속에 최적화 해서 계속 초음속 비행하는 것이 가능하지만...이렇게 초음속으로 계속 비행하는 것을 초음속순항, 혹은 수퍼크루징이라 한다.
초음속으로 비행하는 비행체는 충격파의 발생으로 인하여 주변 온도 또한 크게 상승한다. 마하수 2.0으로 비행하는 콩코드여객기의 기수 끝부분이나 날개 앞부분은 120도가 넘게 상승했으며, 이때문에 일부러 연료도관이 이런 고열부분 안쪽을 흐르게 해서 연료를 일종의 냉각수 대용으로 썼다. 원래 제트기용 연료는 과거의 연료였던 휘발유와는 달리 이 정도 온도로는 불이 붙거나 하지 않기 때문에 이런식으로 냉각수 대용으로 쓰는 경우가 종종 있다.
초음속으로 비행중인 항공기 주변에서는 충격파가 발생하는데, 이 충격파라는 것은 따지고 보면 압력이 급격히 변하는 경계면이란 의미. 그런데 사람이 듣는 소리라는 현상역시 결론적으로 압력의 급격한 변화이다. 결과적으로 초음속으로 비행중인 항공기는 충격파를 통해 주변 공기에 급격한 압력변화를 만드는데, 이 압력변화의 여파는 상공 10km를 비행중인 항공기에 의해 발생해도 지상에까지 들리기도 한다. 이것이 바로 음속폭음, 즉 소닉붐이다. 2009년에 전주지역에서 마른 하늘에 '쾅'하는 폭음이 들려서 사람들이 깜짝 놀랐는데 주범은 규정을 어기고 초음속 비행을 해버린 미군소속 F-16전투기가 만든 소닉붐. 이렇게 높은 고도에서도 소닉붐에 의해 지상에 소음피해가 발생하므로 법적으로 전투기간 민항기이건 평상시에는 육상이나 사람이 사는 지역에서는 초음속으로 비행하지 못하게 하고 있다.
픽션에선 비행체는 물론 초인이나 파란 고슴도치도 초음속으로 날아다니지만, 실제로는 충격파 때문에 높은 온도와 심한 진동등을 겪게 되며 특히 충격파가 머리등에 걸치면 충격파가 닿는 부위는 심한 온도/압력차이로 인하여 가루가 되어 날아갈 수도 있다. 뭐 애당초 초음속으로 날 수 있는 기사(나이트런)이면 이런 온도/압력차이는 가뿐하게 무시해버릴지도 모를 일이지만...
2.5 극초음속
극초음속(Hypersonic) : 마하 5이상 (약 6,120km/h~)
마하 5 즉, 음속의 5배 이상의 속도를 극초음속 이라고 한다. 극초음속을 따로 분류하는 이유는 이 속도영역에서는 충격파에 의한 열 등으로 공기의 물성이 변화되는 화학적 변화가 발생하기 때문이다. 때문에 극초음속 영역에 대한 연구는 화학적 변화 역시 고려하기도 한다.
대륙간 탄도 미사일이 대기권 재돌입을 할때 마하 20( 약 24,516 km/h )이 된다고 한다. 이쯤되면 일반 제트추진 항공기보다 우주발사체, 탄도미사일 같은 물건에서 더 많이 쓰이는 용어.
극초음속 대함 미사일 혹은 순항 미사일도 근미래 실전배치를 목표로 개발되고 있으며, 미국의 SR-72는 극초음속 비행체로 개발되고 있다. 다양한 분야에서 실용화가 완료된 초음속과는 달리 대기권내 극초음속은 그 기술적 난제와 효율성 때문에 아직까진 군사용도로만 개발되는 중이다.