미국 까지 3 시간 , 지구 가 좁 아 진다 - 해설 이 있 는 과학 | LG 사이언스 랜드 
 미국 까지 3 시간 , 지구 가 좁 아 진다 
 조회 3084 2011 - 03 - 09 
 | 글 | 이정아 기자 
 미래 에 는 개인 용 비행기 가 서울 과 부산 , 인천 과 강원도 를 한 시간 생활 권 으로 만들 것 이 다 . 개인 용 비행기 는 자동 운전 , 자동차 변신 기능 등 다양 한 재주 를 갖출 것 이 다 . 먼 나라 를 오 고 가 는 여객기 는 어떨까 . 최근 미국 항공우주국 ( NASA ) 에서 2025 년 형 여객기 디자인 을 공개 했 다 . 미국 굴지 의 항공기 제작사 인 보잉 과 록히드 마틴 , 노스롭 그루먼 에서 설계 했 다 . 현재 의 모습 과 닮 은 비행기 도 있 고 가오리 같 은 모습 도 눈 에 띈다 . 생김새 야 판이 하 게 다르 지만 , 장거리 여객기 가 추구 하 는 가치 는 오직 하나 다 . 지금 보다 더 빨라야 한다는 것 이 다 . 
 [ 나사 에서 공개 한 미래형 여객기 모델 중 하나 . 동체 와 날개 가 한 몸 으로 , 가오리 처럼 생겼 다 . ] 
 유럽 의 대형 항공사 ‘ 에 어 버스 ’ 는 세계 항공업 의 미래 를 전망 한 보고서 ‘ 에 어 버스 가 만드 는 미래 ’ 에서 세계 인구 가 2050 년 에 지금 의 2 배 가 되 며 , 비행기 를 타 는 승객 수 만 매년 90 만 명 이 넘 을 것 이 라고 내 다 봤 다 . 지금 같 은 비행 속도 로 는 전 세계 항공 이 마비 될지 도 모른다 . 서울 에서 뉴욕 까지 단 3 시간 , 마치 KTX 를 타 고 부산 에 가 듯이 빨리 가 는 방법 은 없 을까 . 10 ~ 20 년 뒤 면 이런 초음속 여객기 가 상용 화 될지 도 모른다 . 아침 식사 를 한 뒤 서울 에서 출발 해 미국 뉴욕 에 사 는 친구 와 점심 을 먹 을 수 있 는 날 이 다가오 고 있 다 . 
 출발 하 기 전 에 도착 한다 
 “ 3 시간 만 에 뉴욕 까지 가 고 싶 다고요 ? 그럼 비행기 가 음속 ( 시속 약 1224 km ) 의 4 배 , 마하 4 의 속도 로 날아가 야 합니다 . 현재 기술 로 도 쉬운 일 이 아니 지요 . ” 이동호 서울대 기계 항공 공학부 교수 는 오랜 시간 동안 비행기 를 타 면 몸살 이 난다는 기자 의 질문 에 이렇게 답 했 다 . 
 음 속 을 넘나드 는 대형 여객기 를 만드 는 것 은 현재 기술 로 그리 어렵 지 않 다 . 40 여 년 전 에 도 존재 했 다 . 프랑스 와 영국 과학자 들 이 1967 년 공동 으로 개발 한 뒤 2003 년 11 월 까지 런던 과 파리 , 북미 노선 을 운행 하 던 초음속 비행기 ‘ 콩코드 ’ 다 . 지금 의 여객기 가 음속 의 80 % 정도 ( 시속 약 900 km ) 로 나 는 데 비해 콩코드 는 음속 의 약 2 배 ( 시속 약 2200 km ) 로 날 았 다 . 
 콩코드 는 ‘ 태양 보다 더 빠르 다 ’ 는 광고 문구 로 도 유명 했 다 . 유럽 과 북미 대륙 은 서로 5 시간 시차 가 나 는데 , 콩 코드 를 타 고 대 서양 을 가로지르 면 3 ~ 4 시간 밖 에 걸리 지 않 았 다 . 오후 5 시 프랑스 파리 에서 콩 코드 를 타 고 미국 뉴욕 에 가 면 같 은 날 오후 4 시 ( 뉴욕 현지 시각 ) 에 도착 했으니 ‘ 태양 보다 빠르 다 ’ 는 말 이 나올 법 했 다 . 하지만 콩코드 는 ‘ 소닉붐 ’ 이 만드 는 소음 , 환경 오염 등 의 문제 를 지적 받 아 왔 다 . 더구나 비행 사고 가 잇따라 터지 며 결국 퇴출 되 고 말 았 다 . 
 소닉붐 은 비행기 가 음속 을 돌파 할 때 앞머리 부터 뒤쪽 으로 생기 는 원뿔 모양 의 충격파 다 . 비행기 가 낮 은 고도 로 날 고 있 을 때 소닉붐 이 생기 면 사람 들 을 놀라 게 할 뿐 아니 라 주변 건물 이 흔들리 고 유리창 이 깨 질 수 있 다 . 이동호 교수 는 “ 당시 미국 에서 는 콩 코드 를 뉴욕 공항 에서 만 착륙 시켰 다 ” 며 “ 다른 내륙 도시 와 달리 뉴욕 은 바다 옆 이 라 소음 을 견뎌야 할 인구 가 상대 적 으로 적 었 기 때문 ” 이 라고 말 했 다 . 또 콩코드 는 높 은 속도 를 내 기 위해 일반 여객기 보다 더 많 은 연료 를 사용 했 다 . 게다가 일반 비행기 보다 높이 날 기 때문 에 오존층 에 더 나쁜 영향 을 끼쳤 다 . 
 차세대 비행기 는 매끈 한 가오리 몸매 
 21 세기 가 된 지금 까지 왜 다른 초음속 여객기 가 등장 하 지 못하 고 있 을까 . 콩코드 의 예 를 보 면 알 수 있 듯이 초음속 여객기 를 만드 는 것 보다 초음속 여객기 의 문제점 을 극복 하 는 것 이 더 어렵 기 때문 이 다 . 
 하지만 지금 도 국내외 과학자 들 은 이런 문제 를 해결 하 면서 도 더 빠르 고 안전 한 차세대 초음속 비행기 개발 에 한창 이 다 . 최근 발표 되 는 차세대 여객기 들 은 우주선 처럼 둥근 몸 에 주둥이 만 튀어나왔 는가 하 면 , 일반 여객기 두 대 를 나란히 연결 한 것 처럼 생긴 것 도 있 다 . 미국 최초 의 스텔스 전폭기 F - 117 A 처럼 가오리 모양 도 있 고 , 콩코드 처럼 뾰족 한 몸체 에 독수리 주둥이 를 가진 것 도 있 다 . SF 영화 에서 상상 하 듯이 제각각 이 지만 사실 공통 된 특징 이 있 다 . 몸 이 넓적 하 고 주둥 이 는 뾰족 하 며 커다란 공기 흡입구 가 뚫려 있 다는 점 이 다 . 이런 특징 들 은 비행기 가 초고 속 으로 날 면서 도 소닉붐 을 작 게 만든 다 . 
 [ ➊ 비행기 가 음 속 에 도달 하 면 앞머리 부터 뒤쪽 으로 원뿔 모양 의 충격파 가 생긴다 . 초음속 비행기 가 지상 가까이 에서 날 면 건물 이 흔들리 거나 유리창 이 깨 질 정도 로 소음 이 크 다 . 
 ➋ 프랑스 와 영국 이 공동 으로 개발 한 초음속 여객기 콩코드 . 소닉붐 과 환경 오염 , 태평양 을 건너 지 못하 는 한계 를 극복 하 지 못해 사라졌 다 . ] 
 인하 대 기계 항공 공학부 최동환 교수 는 “ 미국 매사추세츠 공대 ( MIT ) 연구 팀 이 제시 한 차세대 여객기 디자인 은 쌍둥이 비누 방울 형 ( double - bubble ) 과 날개 동체 복합 형 ( Blended Wing Body ) 인데 둘 다 몸 이 넓적 하 다 ” 고 설명 했 다 . 몸 을 넓적 하 게 설계 하 면 날개 뿐 아니 라 동체 에서 도 양력 ( 뜨 는 힘 ) 이 생겨 엔진 의 효율 이 증가 한다 . 또 동체 안쪽 의 공간 이 넓 어 져 더 많 은 승객 과 짐 , 연료 를 실 을 수 있 다 . 날개 는 동체 와 한 몸 을 이루 고 있 지만 접히 고 펴 져야 한다 . 이착륙 시 에 는 지금 처럼 날개 를 양 옆 으로 뻗 어야 하 지만 , 초음속 으로 날 때 는 날개 를 뒤 로 젖혀 공기 저항 을 줄여야 한다 . 
 비록 몸체 는 가오리 처럼 넓적 하 게 생겼 더라도 머리 부분 은 뾰족 해야 한다 . 공기 저항 을 줄여 소닉붐 을 감소 시키 기 위해서 다 . NASA 와 록히드 마틴 사 가 설계 해 2010 년 6 월 에 공개 한 초음속 항공기 ( 47 쪽 사진 ) 는 주둥 이 가 뾰족 하 고 길 어 갑오징어 를 닮 았 다 . 작 은 날개 가 뒤쪽 에 달려 있 다 . 짧 은 꼬리 날개 는 주 날개 와 연결 돼 있 어서 소닉붐 도 줄일 수 있 다 . 전문가 들 은 이 비행기 가 2030 년 쯤 에 상용 화 될 것 이 며 미국 뉴욕 에서 로스앤젤레스 까지 가 는 데 한 시간 이 면 충분 할 것 이 라고 밝혔 다 . 일반 항공기 로 는 두 시간 반 이 넘 는 거리 다 . 
 [ ➊ 2007 년 NASA 와 보잉 에서 개발 한 연구용 항공기 X - 48 B 는 동체 와 날개 가 합쳐져 엔진 효율 이 높 고 , 꼬리 날개 가 없 어 바람 의 저항 도 덜 받 는다 . 연료 를 약 30 % 까지 절약 할 수 있 다 . ] 
 [ ➋ 수직 이 착륙 이 현실 화 되 면 활주로 가 짧아질 전망 이 다 . 과학자 들 은 바다 위 에 잠시 착륙 할 수 있 도록 배 처럼 물 에 떠 있 는 활주로 를 구상 하 기 도 한다 . ] 
 엔진 설계 가 관건 … 우주로켓 기술 도 응용 
 비행기 가 빨라 지 려면 먼저 엔진 이 달라져야 한다 . 비행기 가 초음속 으로 날 면 엔진 안 으로 들어가 는 공기 의 흐름 도 초음속 이 된다 . 촛불 에 너무 강한 바람 을 불 면 불 이 꺼지 는 것 처럼 비행기 엔진 에 들어가 는 바람 이 지나치 게 빠르 면 연료 가 타 지 못한다 . 
 엔진 에 적당 한 속도 로 공기 가 흘러 들어가 게 하 는 것 이 비행기 앞쪽 으로 뚫린 공기 흡입구 다 . 일반 적 으로 통로 가 좁 은 데 에서 는 공기 속도 가 빨라 지 지만 , 초음속 상태 에서 는 반대 로 통로 가 넓 어 질수록 공기 흐름 이 빨라진다 . 즉 엔진 으로 공기 를 천천히 들여보내 려면 ( 마하 0 . 3 정도 ) 통로 가 좁 아야 한다 . 그런데 엔진 에 사용 되 고 남 은 공기 가 뒤 로 빠져 나갈 때 에 는 이 보다 빨라야 한다 . 마하 3 정도 로 공기 를 뿜 으면서 추진력 을 얻 어야 하 기 때문 이 다 . 이동호 교수 는 “ 초음속 비행기 는 공기 흡입구 가 넓 어야 하 며 엔진 쪽 으로 갈수록 통로 가 좁 아 졌 다가 공기 가 빠져나가 는 부분 ( 노즐 ) 으로 갈수록 다시 넓 어 져야 한다 ” 고 설명 했 다 . 이것 이 바로 스크램제트 엔진 의 원리 다 . 스크램제트 엔진 은 현재 미사일 에 사용 하 고 있 으며 아직 비행기 에 활용 할 만 한 수준 은 아니 다 . 이동호 교수 는 “ 지상 에서 뜨 고 내릴 때 에 는 공기 도 느리 게 들어가 기 때문 에 제트 엔진 을 사용 하 고 초음속 으로 날 때 에 는 스크램제트 엔진 을 사용 하 는 복합 엔진 을 개발 해야 할 것 ” 이 라고 덧붙였 다 . 
 이덕주 KAIST 항공 우주 공학 과 교수 는 “ 비행 속도 가 마하 4 보다 빨라 지 면 엔진 입구 에서 열 이 발생 하 기 때문 에 엔진 내 에서 열 을 식혀 야 한다 ” 며 “ 현재 영국 에서 기존 터보팬 엔진 과 로켓 엔진 을 결합 시킨 엔진 을 개발 중 ” 이 라고 설명 했 다 . 
 초음속 비행기 는 공기 의 저항 을 줄여야 하 기 때문 에 지금 의 비행기 보다 더 높이 날 아야 한다 . 지금 의 비행기 는 제트기 류 가 흐르 는 상공 , 약 10 km 고도 에서 난다 . 초음속 비행기 는 20 km 이상 높이 에서 날 아야 하 는데 , 30 ~ 40 km 이상 으로 올라가 야 한다는 주장 도 있 다 . 높이 가 높 아 질수록 공기 저항 이 줄 기 때문 이 다 . 하지만 스크램제트 엔진 은 산소 로 연료 를 태우 기 때문 에 공기 가 희박 한 성층권 이상 높이 에서 는 날 수 없 다 . 
 박철 KAIST 항공 우주 공학 과 교수 는 “ 극초음속 ( hypersonic , 마하 4 이상 ) 비행기 가 탄생 하 면 대기 권 을 벗어나 우주 로 나갔 다가 다시 들어올 것 ” 이 라고 밝혔 다 . 그 는 “ 세계 최초 의 민간 우주 여객 회사 인 버진 갤럭틱 이 만들 고 있 는 스페이스 십 2 가 그 시초 가 될 것 같 다 ” 며 “ 이 비행기 가 완성 되 면 인천 에서 미국 로스앤젤레스 까지 고도 300 km 로 날 것 ” 이 라고 기대 했 다 . 최동환 교수 는 “ 대기 권 을 벗어나 는 비행기 는 로켓 엔진 을 사용 해야 하 기 때문 에 항공기 보다 는 우주 비 행체 라 불러야 하 지 않 겠 느냐 ” 고 말 했 다 . 
 이런 초음속 비행기 는 점점 현실 화 되 고 있 다 . 가장 잘 알려진 것 이 NASA 와 보잉 에서 개발 한 연구용 항공기 ‘ X - 48 B ’( 2007 년 ) 와 ‘ X - 48 C ’( 2009 년 ) 다 . 동체 와 날개 가 합쳐져 엔진 효율 이 높 고 , 꼬리 날개 가 없 어 바람 의 저항 도 덜 받 는다 . 이런 독특 한 구조 로 연료 를 약 30 % 까지 절약 할 수 있 다 . 
 동체 가 넓적 하 면 연료 도 많이 실 을 수 있 다 . 과학자 들 은 X - 48 B 에 다른 비행기 의 연료 까지 실 어 , 공중 에서 급유 하 는 용도 로 도 사용 할 수 있 을 것 으로 기대 하 고 있 다 . 이 비행기 는 2020 년 에 군용기 로 먼저 출시 한 뒤 2030 년 에 여객기 로 상용 화 될 예정 이 다 . 
 활주로 등 공항 시설 도 바뀔 것 
 미래 에 는 공항 의 활주로 가 더 짧아질 전망 이 다 . 초음속 여객기 를 운영 하 려면 지상 에서 가속 해 하늘 로 떠오르 는 것 보다 는 수직 이 착륙 기술 을 도입 해 둥실 떠오른 뒤 공중 에서 속도 를 높이 는 것 이 더 유리 하 기 때문 이 다 . 만일 지상 에서 음속 이상 의 속도 를 내 이륙 하 려면 지금 보다 활주로 가 3 배 이상 길 어 져야 한다 . 박상혁 한국 항공대 항공 우주 및 기계 공학부 교수 는 “ 활주로 를 달리 다가 이륙 하 면 양 날개 에서 양력 이 생기 기 때문 에 추력 이 비행기 무게 의 10 % 정도 면 충분 하 지만 , 수직 이륙 하 려면 추력 이 비행기 무게 보다 커야 하 므로 연료 낭비 가 심하 다 ” 고 설명 했 다 . 이 때문 에 국내외 전문가 들 은 활주로 를 달리 는 기존 방식 과 수직 이 륙 방식 을 동시 에 사용 하 는 방식 을 고안 하 고 있 다 . 짧 은 거리 를 달려 이 륙 시간 을 줄이 는 동시 에 비행기 가 뜨 기 직전 에 수직 이 륙 을 하 면 연료 가 비교 적 적 게 든다는 생각 에서 다 . 결국 활주로 의 길이 는 지금 보다 짧아질 것 이 다 . 과학자 들 은 비행 중 에 바다 위 에 잠시 착륙 할 수 있 도록 배 처럼 물 에 떠 있 는 짧 은 활주로 를 구상 하 기 도 한다 . 
 2040 년 , 빠르 면 2030 년 에 상용 화 될 것 으로 기대 되 는 초음속 비행기 는 모양 도 특이 하 고 다양 하 다 . 하지만 이 를 연구 하 고 있 는 과학자 들 은 모두 “ 기술 적 진보 와 편리 함 보다 중요 한 것 이 안전 ” 이 라고 강조 했 다 . 
 최동환 교수 는 “ 1960 년 대 미국 드라마 ‘ 스타트 랙 ’ 에서 는 폴더 형 휴대 전화 , 수직 이 착륙 우주선 , 순간이동 같 은 기술 이 모두 등장 했었 다 ” 면서 “ 당시 엔 꿈 같 은 이야기 였 지만 현재 폴더 형 휴대 전화 보다 발전 한 스마트폰 이 쓰이 고 있 고 , 수직 이 착륙 항공기 도 이미 실제로 존재 하 는 기술 ” 이 라고 말 했 다 . 불 가능 할 것 으로 보이 는 아이디어 들 을 실현 시키 는 게 과학 이 다 . 빛 보다 빠르 게 날 아 시간 을 거스르 는 타임 머신 을 상상 하 는 우리 에게 소리 보다 빠른 비행기 를 향한 갈망 은 어쩌면 당연 한 것 아닐까 . 
 공생 관계 , 아슬아슬 변하 기 쉽 다고 ?