소닉붐

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1. 개요

소닉 붐은 항공기가 음속(마하 1) 이상의 속도로 비행할 때 발생하는 충격파로, 지상에서 큰 굉음으로 들린다. 항공기가 공기를 통과하면서 압력파가 발생하고, 속도가 음속에 가까워지면서 이 파동들이 뭉쳐져 단일 충격파를 형성한다. 소닉 붐은 항공기의 크기, 모양, 속도, 고도에 따라 강도가 달라지며, N파와 U파 등 다양한 형태로 나타난다. 1964년 오클라호마 시티에서 실험이 진행되었으나, 소음으로 인한 불만과 소송으로 이어졌다. 현재는 소닉 붐 저감을 위한 연구가 활발히 진행 중이며, NASA의 X-59 QueSST와 같은 저소음 항공기 개발이 이루어지고 있다. 채찍을 휘두를 때 나는 소리나, 기상 제어 장치에서도 활용된다.

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소닉붐
개요
F/A-18이 음속 장벽을 돌파할 때 발생하는 증기 원뿔
정의	물체가 음속으로 비행할 때 발생하는 충격파
발생 원인	물체가 공기 중에서 음속에 가까워지거나 초과할 때 발생
특징	큰 굉음 발생 항공기, 로켓, 포탄 등 고속 물체에서 발생 가능
소닉 붐 로마자 표기	Sonik Bum
물리적 현상
충격파	물체 주변의 압력 변화가 전파되면서 발생 압력, 온도, 밀도가 급격하게 변화하는 영역
마하 원뿔	초음속으로 이동하는 물체에서 발생하는 충격파의 궤적 원뿔의 각도는 마하 수에 따라 결정됨
음속 돌파	물체가 음속에 도달하거나 초과하는 현상 항력 급증 및 불안정성 발생 가능
증기 원뿔	습한 공기 중에서 초음속 항공기 주변에 발생하는 일시적인 구름 압력 강하로 인한 수분 응결 현상
영향
소음 공해	큰 굉음으로 인해 사람들에게 불쾌감 및 청각 손상 유발 가능 건물 및 구조물에 손상 가능성
연구 및 개발	소닉 붐을 줄이기 위한 다양한 연구 진행 중 항공기 설계 개선, 비행 경로 최적화 등
활용
군사	초음속 항공기, 미사일 등 군사 무기에 활용 소닉 붐을 이용한 심리적 효과
항공 우주	초음속 여객기 개발 연구 우주 왕복선 귀환 시 발생

2. 원인

항공기가 음속을 돌파할 때, 항공기 주변 공기는 급격한 압력 변화를 겪는다. 이 압력 변화는 강력한 충격파를 생성하며, 이 충격파가 지상에 도달하면 폭발음처럼 들리는 소닉붐 현상이 발생한다.

항공기가 공기를 가르며 나아갈 때, 항공기 앞뒤로 압력파가 발생한다. 이 압력파는 마치 배가 물살을 가를 때 생기는 뱃머리파와 비슷한 모양이다. 압력파는 음속으로 이동하는데, 항공기 속도가 빨라질수록 압력파는 서로 뭉쳐지며 압축된다. 결국 이들은 하나의 충격파로 합쳐지며, 이 충격파는 마하 1 (해수면에서 약 1192km, 20°C 기준)이라는 임계 속도, 즉 음속으로 이동한다.

충격파는 항공기 기수에서 시작하여 꼬리에서 끝나며, 마하 원뿔이라는 원뿔 형태를 이룬다. 비행기가 더 빨리 날수록 이 원뿔은 더 좁고 뾰족해진다. 기수에서는 압력이 높아지고 꼬리에서는 압력이 낮아졌다가, 항공기가 지나간 후 압력이 다시 정상으로 돌아온다. 이러한 압력 변화는 N자 형태를 띠기 때문에 'N-파'라고 불린다. N-파는 두 번의 붐을 일으키는데, 처음에는 압력이 상승할 때, 그리고 압력이 정상으로 돌아올 때 발생한다. 이 때문에 초음속 항공기에서는 "이중 붐"이 들린다.

항공기가 초음속으로 비행하는 동안에는 소닉붐이 계속 발생하여 비행 경로를 따라 지상에 좁은 영역을 형성하는데, 이를 '붐 카펫'이라고 부른다. 붐 카펫의 폭은 항공기 고도에 따라 달라진다.

충격파의 세기는 항공기 크기와 모양, 속도에 따라 달라진다. 항공기가 클수록, 속도가 빠를수록 충격파는 더 강력해진다. 하지만 매우 빠른 속도와 높은 고도에서는 붐이 들리지 않을 수도 있다. 또한, 항공기 날개 앞부분이나 엔진 흡입구 등 볼록한 부분에서도 작은 충격파들이 발생할 수 있다.

1960년대에는 XB-70과 같은 항공기가 고고도에서 비행하면 소닉붐이 약해질 것이라고 예상했지만, 실제로는 지상에서 강한 소닉붐이 관측되었다.^[18] 2013년 러시아 연방 첼랴빈스크주 운석 낙하 사건에서는 운석 폭발로 인한 소닉붐이 큰 피해를 일으키기도 했다.

2. 1. 마하 원뿔

항공기가 공기를 통과할 때, 항공기 앞과 뒤에 압력파를 생성하며, 이는 보트가 만드는 활과 고물파와 유사하다. 이 파동들은 음속으로 이동하며, 물체의 속도가 증가함에 따라, 파동들은 서로 빠르게 비켜갈 수 없어 함께 뭉쳐지거나 압축된다. 결국, 그것들은 단일 충격파로 합쳐지며, 이는 해수면 기준 약 1192km/h 및 20°C에서 ''마하 1''이라고 알려진 중요한 속도인 음속으로 이동한다.

매끄러운 비행에서, 충격파는 항공기의 기수에서 시작하여 꼬리에서 끝난다. 항공기의 이동 방향 주변의 서로 다른 방사 방향은 동일하기 때문에("매끄러운 비행" 조건이 주어짐), 충격파는 증기 원뿔과 유사한 마하 원뿔을 형성하며, 항공기가 그 끝에 위치한다. 비행 방향과 충격파 사이의 반각

\alpha

는 다음과 같다.

:

\sin \alpha =\frac{v_\text{sound}}{v_\text{object}}

,

여기서

\tfrac{v_\text{sound}}{v_\text{object}}

는 비행기의 마하 수

\mathrm{Ma} = \tfrac{v_\text{object}}{v_\text{sound}}

의 역수

\tfrac{1}{\mathrm{Ma}}

이다. 따라서 비행기가 더 빨리 이동할수록 원뿔은 더 가늘고 뾰족해진다.^[5]

2. 2. N-파

항공기가 공기를 통과할 때, 항공기 앞과 뒤에 일련의 압력파를 생성하며, 이는 보트가 만드는 활과 고물파와 유사하다. 이 파동들은 음속으로 이동하며, 물체의 속도가 증가함에 따라, 파동들은 서로 빠르게 비켜갈 수 없어 함께 뭉쳐지거나 압축된다. 결국, 그것들은 단일 충격파로 합쳐지며, 이는 약 1225km/h (해수면 기준) 및 20°C에서 ''마하 1''이라고 알려진 중요한 속도인 음속으로 이동한다.

기수에서 압력이 상승하고, 꼬리에서 음압으로 꾸준히 감소한 후, 물체가 통과한 후 압력이 갑자기 정상으로 돌아온다. 이 "과압 프로필"은 그 모양 때문에 N파라고 알려져 있다. "붐"은 압력의 갑작스러운 변화가 있을 때 발생한다. 따라서 N파는 두 번의 붐을 일으킨다. 첫 번째는 초기 압력 상승이 관찰자에게 도달할 때, 다른 하나는 압력이 정상으로 돌아올 때이다. 이것은 초음속 항공기에서 독특한 "이중 붐"을 유발한다. 항공기가 기동할 때, 압력 분포는 다른 형태로 변하며, 특징적인 U파 모양을 갖는다.

오늘날의 초음속 항공기의 정상 작동 조건에서, N파 붐의 경우 최대 과압은 50에서 500 Pa (1에서 10 psf (파운드/제곱 피트)) 사이이다. U파의 최대 과압은 N파의 2~5배로 증폭되지만, 이 증폭된 과압은 나머지 음속 붐에 노출된 면적에 비해 매우 작은 영역에만 영향을 미친다. 기록상 가장 강력한 음속 붐은 7,000 Pa (144 psf)였으며, 노출된 연구자들에게 부상을 입히지 않았다. 붐은 F-4가 약 30.48m 고도에서 음속 바로 위로 비행하여 생성되었다.^[5] 최근 테스트에서, 더 현실적인 비행 조건에서 측정된 최대 붐은 1,010 Pa (21 psf)였다.

초음속으로 비행하는 물체가 상공을 통과할 때, 마치 무언가가 폭발한 듯한 두 개의 불연속적인 소리로 관측된다.^[17] 두 소리 중, 첫 번째 소리는 비행체 전방에서 발생한 충격파(마하콘)에 의한 것이고, 두 번째 소리는 물체 후방(우주왕복선의 경우 수직 꼬리날개)에서 발생한 충격파에 의해 생긴다. 기체의 크기나 질량에 따라 들리는 방식도 다르기 때문에 이 두 소리를 구분하기 어려워 한 번만 들리는 경우도 있지만, 우주왕복선 귀환 시 들리는 소리는 뚜렷하게 두 개로 나뉘어 들린다. 이 소닉 붐을 파형으로 나타내면, 라틴 문자 "N"자 모양이 되기 때문에 '''N-웨이브'''라고 불린다.

2. 3. 붐 카펫

항공기가 공기를 통과할 때, 항공기 앞뒤에 압력파가 생성되는데, 이는 보트가 만드는 활과 고물파와 유사하다. 이 파동들은 음속으로 이동하며, 물체의 속도가 증가함에 따라 서로 빠르게 비켜갈 수 없어 압축된다. 결국, 이들은 단일 충격파로 합쳐지며, 이 충격파는 음속(해수면 기준 약 1192km/h, 20°C)으로 이동한다.

매끄러운 비행에서 충격파는 항공기 기수에서 시작하여 꼬리에서 끝나며, 증기 원뿔과 유사한 마하 원뿔을 형성한다. 비행 방향과 충격파 사이의 반각

\alpha

는

\sin \alpha =\frac{v_\text{sound}}{v_\text{object}}

이며, 여기서

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는 비행기의 마하 수

\mathrm{Ma} = \tfrac{v_\text{object}}{v_\text{sound}}

의 역수

\tfrac{1}{\mathrm{Ma}}

이다. 따라서 비행기가 더 빨리 이동할수록 원뿔은 더 가늘고 뾰족해진다.

기수에서 압력이 상승하고, 꼬리에서 음압으로 감소한 후, 물체가 통과하면 압력이 갑자기 정상으로 돌아온다. 이 "과압 프로필"은 그 모양 때문에 N파라고 불리며, 두 번의 붐을 일으킨다. 첫 번째는 초기 압력 상승이 관찰자에게 도달할 때, 다른 하나는 압력이 정상으로 돌아올 때 발생한다. 이것은 초음속 항공기에서 독특한 "이중 붐"을 유발한다. 항공기가 기동할 때, 압력 분포는 특징적인 U파 모양으로 변한다.

항공기가 초음속인 동안 붐은 지속적으로 생성되어, 항공기 비행 경로를 따라 지상에 좁은 경로를 채우며, ''붐 카펫''이라고도 한다. 붐 카펫의 폭은 항공기 고도에 따라 달라진다. 붐이 들리는 지점과 항공기 사이의 거리는 고도와 각도

\alpha

에 따라 달라진다.

오늘날 초음속 항공기의 정상 작동 조건에서, N파 붐의 최대 과압은 50에서 500 Pa (1에서 10 psf) 사이이다. U파의 최대 과압은 N파의 2~5배로 증폭되지만, 매우 작은 영역에만 영향을 미친다. 기록상 가장 강력한 음속 붐은 7,000 Pa (144 psf)였으며, F-4가 약 30.48m 고도에서 음속 바로 위로 비행하여 생성되었다.^[5] 최근 테스트에서, 더 현실적인 비행 조건에서 측정된 최대 붐은 1,010 Pa (21 psf)였다. 음속 붐으로 인해 유리 파편 등의 손상이 발생할 가능성이 있지만, 양호한 상태의 건물은 530 Pa (11 psf) 이하의 압력으로 손상을 입지 않아야 한다. 일반적으로, 음속 붐에 대한 지역 사회의 노출은 100 Pa (2 psf) 미만이다. 음속 붐으로 인한 지반 운동은 드물며, 미국 광산국 등에서 허용하는 구조적 손상 임계값보다 훨씬 낮다.^[6]

충격파의 파워는 가속되는 공기의 양, 즉 항공기의 크기와 모양에 따라 달라진다. 항공기가 속도를 높일수록 충격 원뿔이 항공기 주변으로 ''더 좁아지고'' 약해져서, 매우 빠른 속도와 고도에서는 붐이 들리지 않는다. 붐의 "길이"는 항공기의 길이에 3/2제곱으로 비례한다. 따라서 더 긴 항공기는 작은 항공기보다 붐을 더 "확산"시켜 붐의 위력을 약하게 만든다.^[7]

여러 개의 더 작은 충격파가 항공기의 다른 지점, 주로 볼록 지점이나 곡선, 날개 앞 가장자리, 엔진 입구 등에서 형성될 수 있다. 이러한 이차 충격파는 공기가 이러한 볼록 지점 주위로 강제로 회전하여 초음속 흐름에서 충격파를 생성하기 때문에 발생한다. 후기 충격파는 첫 번째 충격파보다 약간 더 빠르며, 더 빠르게 이동하며, 주요 충격파에 더해져 훨씬 더 명확한 N파 모양을 만든다. 이것은 붐이 더 크게 들리게 하는 충격의 크기와 "상승 시간"을 모두 최대화한다. 대부분의 항공기 설계에서 특징적인 거리는 약 약 12192.00m이며, 이 고도 아래에서는 음속 붐이 "더 부드러워질" 것이다. 그러나 이 고도 또는 그 아래에서의 항력은 초음속 여행을 매우 비효율적으로 만든다.

3. 초음속 항공기

항공기가 기체의 앞과 뒤를 통과할 때 기체는 압력파를 만들어낸다. 이 압력파는 배에서 만들어지는 선미파 및 충격파와 유사하다. 이 파동들은 음속으로 이동하고 물체의 속도가 증가하면 압축되는데, 이는 서로의 파동이 빠져나갈 수 없기 때문이다. 결국 하나의 충격파로 합쳐지고 소리의 속도로 이동하게 되는데, 이는 마하 1로 잘 알려진 임계속도이다. 마하 1은 해면에서 대략 1225km/h(20°C)이다.

초음속 항공기는 마하 1보다 빠른 비행을 할 수 있는 모든 항공기를 말한다. 초음속은 음속의 최대 5배인 마하 5까지의 속도를 포함한다.^[17] 초음속 항공기의 최고 속도는 일반적으로 700mph에서 1500mph 범위이다. 일반적으로 대부분의 항공기는 1500mph을 초과하지 않는다. 초음속 항공기에는 많은 변형이 있다. 일부 초음속 항공기 모델은 추력 동력을 위해 모델의 공기역학적 성능을 약간 희생하면서 더 나은 공기역학적 설계를 사용한다. 다른 모델은 추력기의 효율성과 동력을 사용하여 덜 공기역학적인 모델이 더 빠른 속도를 낼 수 있도록 한다. 미국 군에서 사용되는 전형적인 모델의 가격은 평균 1,300만 달러에서 3,500만 달러 사이이다.

초음속으로 비행하는 물체가 상공을 통과할 때, 마치 무언가가 폭발한 듯한 두 개의 불연속적인 소리로 관측된다.^[17] 첫 번째 소리는 비행체 전방에서 발생한 충격파(마하콘)에 의한 것이고, 두 번째 소리는 물체 후방(우주왕복선의 경우 수직 꼬리날개)에서 발생한 충격파에 의해 생긴다. 기체의 크기나 질량에 따라 들리는 방식도 다르기 때문에 이 두 소리를 구분하기 어려워 한 번만 들리는 경우도 있지만, 우주왕복선 귀환 시 들리는 소리는 뚜렷하게 두 개로 나뉘어 들린다. 이 소닉 붐을 파형으로 나타내면, 라틴 문자 "N"자 모양이 되기 때문에 '''N-웨이브'''라고 불린다.

1960년대에는 고고도를 비행하면 충격파가 감쇠되어 지상에서 소닉 붐이 발생하지 않을 것이라고 낙관했다. 그러나 노스아메리칸 XB-70이 약 21000m 고도(소리가 도달하기까지 약 1분 거리)를 비행했을 때, 지상에서 강력한 소닉 붐이 관측되어 감쇠 정도가 기존 예상보다 훨씬 작다는 것이 밝혀졌다. 이 결과는 기술적으로 충분히 가능한 초음속 여객기나 초음속 수송기의 실용화를 방해하는 요인이 되고 있다. 콩코드는 해상 고고도에서만 초음속 비행이 허용되었지만, 대서양을 항해 중인 크루즈 여객선에서도 소닉 붐이 관측되었다.^[18]

2013년 러시아 연방에서 발생한 운석 낙하에 의한 재해는 운석의 통과와 폭발로 발생하는 소닉 붐이 재해의 원인이 되었다. 운석 폭발은 15km에서 25km 고도에서 발생했다.

이러한 현상은 "원인 불명"으로 여겨지기도 한다. 예를 들어 전투기가 초음속으로 비행하는 경우, 소닉 붐이 지상에 도달할 즈음에는 전투기는 발생 장소에서 이미 멀리 떨어져 있으며, 들린 방향에는 발생 원인인 전투기가 이미 존재하지 않는다. 이 때문에 지상의 사람들은 소닉 붐만을 체감하게 되어 "원인 불명의 굉음"으로 여겨진다.

항공기	속도	고도	압력 ( $\mathrm{lbf}/\mathrm{ft}^2$ )	압력 ( $\mathrm{Pa}$ )
SR-71	마하 3.0	약 24384.00m	0.9	43
콩코드 SST	마하 2.0	약 15849.60m	1.94	93
F-104	마하 1.93	약 14630.40m	0.8	38
우주왕복선	마하 1.5	약 18288.00m	1.25	60

^[19]

4. 소닉 붐 측정 및 예시

항공기가 공기를 통과할 때, 활과 고물파와 유사하게 항공기 앞뒤에 압력파를 생성한다. 이 파동들은 음속으로 이동하며, 물체의 속도가 증가함에 따라 서로 빠르게 비켜갈 수 없어 압축된다. 결국, 그것들은 단일 충격파로 합쳐지며, 이는 마하 수 1 (해수면 및 20°C 기준 1192km/h)인 음속으로 이동한다.

매끄러운 비행에서, 충격파는 항공기 기수에서 시작하여 꼬리에서 끝난다. 항공기 이동 방향 주변의 서로 다른 방사 방향이 동일하므로("매끄러운 비행" 조건), 충격파는 마하 원뿔을 형성하며, 항공기가 그 끝에 위치한다. 비행 방향과 충격파 사이의 반각 $\alpha$ 는 다음과 같다.

: $\sin \alpha =\frac{v_\text{sound}}{v_\text{object}}$

여기서 $\tfrac{v_\text{sound}}{v_\text{object}}$ 는 비행기의 마하 수 $\mathrm{Ma} = \tfrac{v_\text{object}}{v_\text{sound}}$ 의 역수 $\tfrac{1}{\mathrm{Ma}}$ 이다. 따라서 비행기가 더 빨리 이동할수록 원뿔은 더 가늘고 뾰족해진다.

기수에서 압력이 상승하고, 꼬리에서 음압으로 꾸준히 감소한 후, 물체가 통과한 후 압력이 갑자기 정상으로 돌아온다. 이 "과압 프로필"은 그 모양 때문에 N파라고 알려져 있다. "붐"은 압력의 갑작스러운 변화가 있을 때 발생한다. 따라서 N파는 두 번의 붐을 일으킨다. – 첫 번째는 초기 압력 상승이 관찰자에게 도달할 때, 다른 하나는 압력이 정상으로 돌아올 때이다. 이것은 초음속 항공기에서 독특한 "이중 붐"을 유발한다. 항공기가 기동할 때, 압력 분포는 특징적인 U파 모양을 갖는 다른 형태로 변한다.

항공기가 초음속인 동안 붐이 지속적으로 생성되므로, 항공기의 비행 경로를 따라 지상에 좁은 경로를 채우며, 마치 펼쳐지는 레드 카펫과 같아 ''붐 카펫''이라고도 한다. 그 폭은 항공기의 고도에 따라 달라진다. 붐이 들리는 지점과 항공기 사이의 거리는 고도와 각도 $\alpha$ 에 따라 달라진다.

오늘날 초음속 항공기의 정상 작동 조건에서, 최대 과압은 N파 붐의 경우 50에서 500 Pa (1에서 10 psf (파운드/제곱 피트)) 사이이다. U파의 최대 과압은 N파의 2~5배로 증폭되지만, 이 증폭된 과압은 나머지 음속 붐에 노출된 면적에 비해 매우 작은 영역에만 영향을 미친다. 기록상 가장 강력한 음속 붐은 7,000 Pa (144 psf)였으며, 노출된 연구자들에게 부상을 입히지 않았다. 붐은 F-4가 약 30.48m 고도에서 음속 바로 위로 비행하여 생성되었다.^[5] 최근 테스트에서, 더 현실적인 비행 조건에서 측정된 최대 붐은 1,010 Pa (21 psf)였다. 음속 붐으로 인해 일부 손상(예: 유리 파편)이 발생할 가능성이 있다. 양호한 상태의 건물은 530 Pa (11 psf) 이하의 압력으로 손상을 입지 않아야 한다. 그리고 일반적으로, 음속 붐에 대한 지역 사회의 노출은 100 Pa (2 psf) 미만이다. 음속 붐으로 인한 지반 운동은 드물며, 미국 광산국 및 기타 기관에서 허용하는 구조적 손상 임계값보다 훨씬 낮다.^[6]

충격파의 파워 또는 볼륨은 가속되는 공기의 양, 즉 항공기의 크기와 모양에 따라 달라진다. 항공기가 속도를 높일수록 충격 원뿔이 항공기 주변으로 ''더 좁아지고'' 약해져서, 매우 빠른 속도와 고도에서는 붐이 들리지 않는다. 붐의 "길이"는 항공기의 길이에 3/2제곱으로 비례한다. 따라서 더 긴 항공기는 작은 항공기보다 붐을 더 "확산"시켜 붐의 위력을 약하게 만듭니다.^[7]

여러 개의 더 작은 충격파가 형성될 수 있으며 일반적으로 항공기의 다른 지점, 주로 모든 볼록 지점 또는 곡선, 날개 앞 가장자리, 특히 엔진 입구에서 형성된다. 이러한 이차 충격파는 공기가 이러한 볼록 지점 주위로 강제로 회전하여 초음속 흐름에서 충격파를 생성하기 때문에 발생한다.

후기 충격파는 첫 번째 충격파보다 약간 더 빠르며, 더 빠르게 이동하며, 항공기에서 어느 정도 떨어진 거리에서 주요 충격파에 더해져 훨씬 더 명확한 N파 모양을 만든다. 이것은 붐이 더 크게 들리게 하는 충격의 크기와 "상승 시간"을 모두 최대화한다. 대부분의 항공기 설계에서 특징적인 거리는 약 약 12192.00m이며, 이 고도 아래에서는 음속 붐이 "더 부드러워질" 것이다. 그러나 이 고도 또는 그 아래에서의 항력은 초음속 여행을 특히 비효율적으로 만들어 심각한 문제를 야기한다.

다음은 여러 항공기의 소닉붐 측정 예시이다.

항공기	속도	고도	압력 ( $\mathrm{lbf}/\mathrm{ft}^2$ )	압력 ( $\mathrm{Pa}$ )
SR-71	마하 $3.0$	약 24384.00m	$0.9$	$43$
콩코드 SST	마하 $2.0$	약 15849.60m	$1.94$	$93$
F-104	마하 $1.93$	약 14630.40m	$0.8$	$38$
우주왕복선	마하 $1.5$	약 18288.00m	$1.25$	$60$

^[19]

5. 소닉 붐 저감 노력

1950년대 후반, 초음속 수송기(SST) 설계를 추진할 당시에는 항공기가 더 높이 비행하면 소닉 붐 문제를 피할 수 있을 것이라고 생각했다. 그러나 노스 아메리칸 XB-70 ''발키리''의 시험 비행을 통해 21,000m 상공에서도 소닉 붐은 여전히 문제가 된다는 것이 밝혀졌다.

NASA 글렌 연구 센터(Glenn Research Center)에서는 초음속 항공기가 발생시키는 소닉 붐을 완화하기 위한 새로운 연구를 수행하고 있다. 2010년에는 마이크로 배열 유량 제어가 있는 대규모 저소닉 붐 초음속 흡입구 모델에 대한 테스트가 완료되었다.

NASA 글렌 연구 센터에서 수행된 대규모 저소닉 붐 초음속 흡입구 모델 테스트

이후 여러 연구와 실험을 통해 소닉 붐을 줄이기 위한 다양한 방법들이 제시되었다. 주요 연구는 다음과 같다:

리처드 시바스와 앨버트 조지는 항공기의 무게와 길이에 기반한 "장점 지수(figure of merit)"(FM)를 정의했다.
L. B. 존스와 크리스틴 다든은 ''존스-시바스-조지-다든 소닉 붐 최소화 이론''을 개발했다.
DARPA는 형상 소닉 붐 시연(Shaped Sonic Boom Demonstration) 프로젝트를 통해 F-5 프리덤 파이터를 개조한 항공기로 실험을 진행했다.
NASA와 걸프스트림 항공우주는 콰이어트 스파이크(Quiet Spike)라는 텔레스코핑 붐을 이용한 실험을 진행했다.
록히드 마틴은 NASA와 협력하여 X-59를 개발하고 있다.
일본우주항공연구개발기구(JAXA)는 저소닉 붐 설계 개념 실증 프로젝트 (D-SEND 프로젝트)를 추진하고 있다.

부세만 쌍엽기와 같이 일부 이론적 설계는 소닉 붐을 전혀 생성하지 않을 것으로 예상되지만, 양력을 생성하는 항공기는 충격파 생성을 피할 수 없다.^[7]

2018년, NASA는 록히드 마틴에 2.475억달러를 투자하여 저소음 붐 비행 시연기 설계를 구축하고 있으며, 2024년에 첫 비행이 예상된다.^[12]^[13]

5. 1. 시바스-조지 장점 지수

리처드 시바스(Richard Seebass)와 코넬 대학교의 동료 앨버트 조지(Albert George)는 소닉 붐 문제를 광범위하게 연구하여, 다양한 항공기의 소닉 붐 수준을 특징짓는 "장점 지수(figure of merit)"(FM)를 정의했다.^[7] FM은 항공기 무게와 길이에 대한 함수로, 이 값이 낮을수록 항공기가 생성하는 붐이 적으며 약 1 이하가 허용 가능한 수준으로 간주된다. 이 계산을 통해 콩코드의 FM은 약 1.4, 보잉 2707은 1.9로 나타났다.^[7] 이는 초음속 수송기(SST) 프로젝트 대부분을 실패하게 만든 요인 중 하나였는데, 대중의 반감과 정치적 문제로 인해 결국 물 위에서만 초음속 비행을 허용하는 등 항공기의 유용성을 떨어뜨리는 법률이 제정되었기 때문이다. 반면 비즈니스 제트와 같은 소형 항공기는 최소한의 붐을 생성하거나 아예 붐이 없는 경향이 있어 선호된다.^[7]

5. 2. 존스-시바스-조지-다든 소닉 붐 최소화 이론

리처드 시바스(Richard Seebass)와 코넬 대학교의 동료 앨버트 조지(Albert George)는 소닉 붐 문제를 광범위하게 연구했고, 다양한 항공기의 소닉 붐 수준을 특징짓는 "장점 지수(figure of merit)"(FM)를 정의했다.^[7] FM은 항공기 무게와 길이에 대한 함수로, 이 값이 낮을수록 항공기가 생성하는 붐이 적으며, 약 1 이하의 값이 허용 가능한 것으로 간주되었다. 이 계산으로 콩코드의 FM은 약 1.4, 보잉 2707은 1.9로 나타났다.^[7]

L. B. 존스(L. B. Jones)^[9]는 시바스, 조지의 초기 연구를 바탕으로 소닉 붐 충격파를 제거할 수 있는 조건을 파악했다. 이 연구는 [https://www.thematildaproject.com/scientists/christine-darden 크리스틴 M. 다든](Christine. M. Darden)^[10]^[11]에 의해 확장되었으며 ''존스-시바스-조지-다든 소닉 붐 최소화 이론''으로 설명되었다.^[7] 이 이론은 강하고 아래로 집중된 충격을 날카롭지만 넓은 각도의 노즈 콘에서 생성하여 약간 초음속 속도로 이동시키고, 스윕 백 플라잉 윙 또는 경사 플라잉 윙을 사용하여 비행 방향을 따라 이 충격을 완화함으로써 N파를 측면 및 시간적으로 확산시키려고 시도했다. 기존 비행기에 이러한 원리를 적용하기 위해, 비행기는 노즈 콘에서 충격을 발생시키고 날개 앞전에서 더 강한 충격을 발생시키며, 날개 아래의 동체는 면적 규칙에 따라 형태를 갖추게 된다. 이상적으로는 특징적인 고도가 약 12192.00m에서 약 18288.00m로 상승할 것이며, 이는 대부분의 SST 항공기가 비행할 것으로 예상되는 고도이다.^[7]

5. 3. 형상 소닉 붐 시연 (SSBD)

DARPA는 형상 소닉 붐 시연(Shaped Sonic Boom Demonstration) 프로젝트를 시작하고 이를 테스트하기 위해 형상 소닉 붐 시연(SSBD) 항공기에 자금을 지원했다. SSBD는 F-5 프리덤 파이터를 사용했으며, F-5E를 F-5F 모델의 기수 길이를 늘린 정교한 모양으로 수정했다. 페어링은 기수에서 항공기 하부의 흡입구까지 연장되었다. SSBD는 21번의 비행을 거쳐 2년에 걸쳐 테스트되었으며 소닉 붐 특성에 대한 광범위한 연구였다. 추적기가 충격파 내부에서 촬영한 1,300개의 기록을 측정한 후, SSBD는 붐을 약 1/3만큼 감소시켰음을 입증했다. 1/3 감소는 콩코드의 붐을 FM = 1 미만의 허용 가능한 수준으로 줄일 수 있었다.^[7]

2004년, NASA 드라이든 비행 연구 센터에서 DARPA 예산으로 소닉 붐 저감을 위한 SSBD(Shaped Sonic Boom Demonstration, 저소닉 붐 설계 기법 비행 실증) 연구가 진행되었다. 사용된 기체는 노스롭 F-5이며, 기수 형상을 정형화하여 소닉 붐을 줄이려 시도했다.

5. 4. 콰이어트 스파이크

2006년 NASA-걸프스트림 항공우주 팀은 NASA 드라이든의 F-15B 항공기 836에서 콰이어트 스파이크(Quiet Spike)를 테스트했다. 콰이어트 스파이크는 초음속 속도에서 항공기 기수에 형성되는 충격파의 강도를 약화시키도록 특별히 설계된, 항공기 기수에 장착된 텔레스코핑 붐이다.^[7] 50회 이상의 시험 비행이 수행되었다. 몇 차례의 비행에는 NASA의 지능형 비행 제어 시스템 시험대인 두 번째 F-15B 항공기 837이 충격파를 조사하는 것이 포함되었다.

5. 5. NASA 저소음 초음속 항공기 X-59 QueSST

NASA는 소닉붐을 줄이는 초음속 항공기 개발 연구를 진행해 왔다. 1950년대 후반, 초음속 수송기(SST) 개발 당시에는 높은 고도에서 비행하면 소닉붐 문제를 피할 수 있다고 생각했지만, 노스 아메리칸 XB-70 ''발키리''의 시험 비행을 통해 이는 사실이 아님이 밝혀졌다.

리처드 시바스와 코넬 대학교의 앨버트 조지는 소닉붐을 연구하여 항공기의 무게와 길이에 기반한 "장점 지수"(FM)를 정의했다. 이 지수가 낮을수록 붐이 적으며, 1 이하가 허용 가능한 수준으로 간주되었다. 콩코드는 1.4, 보잉 2707은 1.9로, 대부분의 SST 프로젝트는 대중의 반감과 규제로 인해 실패했다.

L. B. 존스, 시바스, 조지의 연구는 [https://www.thematildaproject.com/scientists/christine-darden 크리스틴 M. 다든]에 의해 확장되어 ''존스-시바스-조지-다든 소닉 붐 최소화 이론''으로 발전했다. 이 이론은 강한 충격파를 넓게 분산시켜 소닉붐을 줄이는 것을 목표로 했다.

이 이론은 DARPA의 형상 소닉 붐 시연(Shaped Sonic Boom Demonstration) 프로젝트를 통해 실험되었다. F-5 프리덤 파이터를 개조한 형상 소닉 붐 시연 (SSBD) 항공기는 2년간의 시험 비행을 통해 소닉붐을 약 1/3 감소시켰다.

SSBD의 후속으로, 2006년 NASA와 걸프스트림 항공우주는 콰이어트 스파이크(Quiet Spike)를 NASA F-15B 항공기에서 테스트했다. 콰이어트 스파이크는 항공기 노즈에 장착된 텔레스코핑 붐으로, 충격파 강도를 약화시키는 역할을 한다.

2018년, NASA는 록히드 마틴과 계약하여 저소음 붐 비행 시연기 설계를 구축했다. 이 항공기는 자동차 문이 닫히는 소리 정도의 붐을 생성하는 것을 목표로 하며, 2024년에 첫 비행이 예상된다.^[12]^[13]

2004년에는 DARPA의 예산으로 NASA 드라이든 비행 연구 센터에서 SSBD(Shaped Sonic Boom Demonstration 저소닉 붐 설계 기법 비행 실증)가 실시되었다. 노스롭 F-5의 기수 형상을 정형화하여 소닉 붐을 줄이려 시도했다.

2006년에는 Quiet Spike|콰이어트 스파이크^영어가, 2008년에는 X-54가 걸프스트림 에어로스페이스와 NASA의 공동 연구로 개발되고 있다. 록히드 마틴사의 스컹크 웍스는 NASA와 X-59를 개발하고 있으며, 2021년부터 2022년 초 비행을 목표로 했다.

일본 우주항공연구개발기구(JAXA)도 저소닉 붐 설계 개념 실증 프로젝트 (D-SEND 프로젝트)를 추진하고 있다.

5. 6. 일본 우주항공연구개발기구 (JAXA)의 노력

일본 우주항공연구개발기구(JAXA)는 소닉 붐 저감 기술 연구를 활발하게 진행하고 있으며, 저소닉 붐 설계 개념 실증 프로젝트(D-SEND 프로젝트)를 추진하고 있다.

6. 소닉 붐의 영향 및 우려

음속 붐은 항공기가 초음속으로 비행할 때 발생하는 충격파로 인해 지상에서 폭발음처럼 들리는 현상이다. 이 현상은 다음과 같은 영향과 우려를 낳는다.
소닉 붐의 영향:

소음 공해: 소닉 붐은 박격포나 불꽃놀이와 유사한 큰 소음을 발생시켜 사람들에게 불쾌감과 스트레스를 유발한다.
건물 피해: 530Pa 이상의 압력은 유리창 파손 등의 피해를 유발할 수 있다.^[6]
원인 불명의 굉음: 전투기가 초음속 비행 시 소닉 붐 발생 장소에서 멀리 떨어져 있어 지상에서는 원인을 알 수 없는 굉음으로 느껴지기도 한다.
환경 문제: 1960년대 노스아메리칸 XB-70 실험 결과, 고고도 비행 시에도 지상에서 강력한 소닉 붐이 관측되어 초음속 여객기 개발에 어려움을 초래했다. 콩코드는 해상 고고도에서만 초음속 비행이 허용되었으나, 대서양을 항해 중인 크루즈 여객선에서도 소닉 붐이 관측되었다.^[18]

소닉 붐에 대한 우려:

주민들의 불만: 1964년 오클라호마 시티 음속 폭음 실험에서 15,000건의 불만이 제기되었고, 집단 소송으로 이어졌다. 영국 콘월과 데번 지역에서도 콩코드 운항으로 인한 피해가 발생했다.
초음속 비행 제한: 소닉 붐으로 인한 문제 때문에 많은 국가에서 초음속 비행을 금지하거나 제한하고 있다.
운석 낙하: 2013년 러시아 첼랴빈스크주 운석 낙하 사건에서 운석 통과 및 폭발로 인한 소닉 붐이 재해의 원인이 되었다.

이러한 문제점들을 해결하기 위해 DARPA의 조용한 초음속 플랫폼 연구 등에서 음속 붐의 특성을 분석하고, 소리를 줄이는 기술을 개발하는 연구가 진행되고 있다. 또한, 음속 붐의 수용성에 대한 국제 표준을 마련하기 위한 노력도 이루어지고 있다.

6. 1. 오클라호마 시티 음속 폭음 실험

1964년 미국 항공우주국(NASA)과 연방 항공국(FAA)은 오클라호마 시티 음속 폭음 실험을 시작했다. 이 실험은 6개월 동안 하루에 8번의 음속 폭음을 발생시켰다.^[14] 실험을 통해 귀중한 데이터를 수집했지만, 15,000건의 불만이 발생했고, 결국 정부는 집단 소송에 휘말려 1969년 항소에서 패소했다.^[14]

6. 2. 소닉 붐의 인지 및 측정

항공기가 공기를 통과할 때, 항공기 앞뒤에는 보트가 만드는 활과 고물파와 유사한 압력파가 생성된다.^[5] 이 파동들은 음속으로 이동하며, 물체의 속도가 증가함에 따라 압축되어 단일 충격파로 합쳐진다. 이 충격파는 해수면 및 20°C 기준 약 1192km/h인 음속으로 이동한다.

매끄러운 비행에서 충격파는 항공기 기수에서 시작하여 꼬리에서 끝나며, 증기 원뿔과 유사한 마하 원뿔을 형성한다. 비행 방향과 충격파 사이의 반각

\alpha

는

\sin \alpha =\frac{v_\text{sound}}{v_\text{object}}

로 나타낼 수 있으며, 여기서

\tfrac{v_\text{sound}}{v_\text{object}}

는 마하 수

\mathrm{Ma} = \tfrac{v_\text{object}}{v_\text{sound}}

의 역수

\tfrac{1}{\mathrm{Ma}}

이다.

기수에서 압력이 상승하고 꼬리에서 음압으로 감소한 후, 물체가 통과하면 압력이 정상으로 돌아온다. 이 과압 프로필은 N파라고 불리며, 두 번의 붐을 일으킨다. 항공기가 기동할 때는 U파 모양의 압력 분포가 나타난다.

소닉붐은 항공기가 초음속인 동안 지속적으로 생성되어 ''붐 카펫''을 형성하며, 그 폭은 고도에 따라 달라진다.^[7] 붐이 들리는 지점과 항공기 사이의 거리는 고도와 각도

\alpha

에 따라 달라진다.

오늘날 초음속 항공기의 정상 작동 조건에서 최대 과압은 N파 붐의 경우 50~500Pa이다. U파의 최대 과압은 N파의 2~5배로 증폭되지만, 매우 작은 영역에만 영향을 미친다. 기록상 가장 강력한 소닉붐은 7,000Pa였으며, F-4가 약 30.48m 고도에서 음속 바로 위로 비행하여 생성되었다.^[5] 최근 테스트에서 측정된 최대 붐은 1,010Pa였다.

일반적으로 음속 붐에 대한 지역 사회의 노출은 100Pa 미만이다. 충격파의 파워는 항공기의 크기와 모양에 따라 달라진다.^[7] 여러 개의 더 작은 충격파가 항공기의 다른 지점에서 형성될 수 있다. 후기 충격파는 더 빠르게 이동하며 주요 충격파에 더해져 더 명확한 N파 모양을 만든다. 대부분의 항공기 설계에서 특징적인 거리는 약 약 12192.00m이며, 이 고도 아래에서는 음속 붐이 "더 부드러워진다".

음속 붐의 소리는 관찰자와 항공기 사이의 거리에 따라 다르며, 일반적으로 깊은 이중 "폭음"으로 들린다.^[17] 전 콩코드 조종사에 따르면, 기내에서는 아무것도 들리지 않고 압력파만 보인다.^[14]

1964년, 미국 항공우주국(NASA)과 연방 항공국(FAA)은 오클라호마 시티 음속 폭음 실험을 시작했으나, 많은 불만이 발생하여 정부가 집단 소송에서 패소했다.^[14] 음속 붐은 영국 콘월 북부와 데번 북부에서도 성가심을 유발했다.

최근 DARPA의 조용한 초음속 플랫폼 연구에서 음속 붐의 구성, 특히 주파수 내용에 대한 연구가 진행되었다. PLdB로 측정되는 ''인지된'' 음량이라는 새로운 측정법이 등장했다.

음속 붐의 에너지 범위는 0.1–100 헤르츠 주파수 범위에 집중되어 있다. 음속 붐의 지속 시간은 짧다. 음속 붐 경로의 강도와 너비는 항공기의 물리적 특성과 작동 방식에 따라 다르다. 일반적으로 항공기의 고도가 높을수록 지상에서의 과압이 낮아진다. 고도가 높아지면 폭음의 측면 확산도 증가한다. 꾸준한 초음속 비행의 경우, 폭음은 카펫 폭음으로 설명된다. 급강하, 가속 또는 회전과 같은 기동은 폭음의 초점을 유발할 수 있다. 감속 및 상승과 같은 기동은 충격의 강도를 줄일 수 있다. 어떤 경우에는 기상 조건이 음속 폭음을 왜곡할 수 있다.^[6]

항공기의 고도에 따라 음속 붐은 비행 후 2~60 초 후에 지면에 도달한다. 그러나 모든 폭음이 지상에서 들리는 것은 아니다. 임의의 고도에서의 음속은 기온에 따라 달라진다. 표준 대기 조건에서 기온은 고도가 높아짐에 따라 감소한다. 따라서 폭음이 지면에 도달하려면 항공기의 지면 상대 속도가 지면에서의 음속보다 커야 한다.^[6]

대기의 구성도 중요한 요소이다. 온도 변화, 습도, 대기 오염 및 바람은 모두 음속 붐이 지상에서 어떻게 인식되는지에 영향을 미칠 수 있다. 심지어 지면 자체도 음속 붐의 소리에 영향을 미칠 수 있다.

현재 음속 붐의 수용성에 대한 업계에서 인정하는 표준은 없다. 그러나 인간이 음속 붐으로 인해 발생하는 소리에 어떻게 반응하는지 이해하는 데 도움이 되는 측정법을 개발하기 위한 작업이 진행 중이다.^[15]

초음속으로 비행하는 물체가 상공을 통과할 때, 두 개의 불연속적인 소리로 관측된다.^[17] 첫 번째 소리는 비행체 전방에서 발생한 충격파(마하콘)에 의한 것이고, 두 번째 소리는 물체 후방에서 발생한 충격파에 의해 생긴다. 기체의 크기나 질량에 따라 들리는 방식도 다르기 때문에 이 두 소리를 구분하기 어려워 한 번만 들리는 경우도 있지만, 우주왕복선 귀환 시 들리는 소리는 뚜렷하게 두 개로 나뉘어 들린다. 이 소닉 붐을 파형으로 나타내면, 라틴 문자 "N"자 모양이 되기 때문에 '''N-웨이브'''라고 불린다.

1960년대에는 고고도를 비행하면 충격파가 감쇠되어 지상에서 소닉 붐이 발생하지 않을 것이라고 예상했다. 그러나, 노스아메리칸 XB-70이 고도 약 21,000m를 비행했을 때, 지상에서 강력한 소닉 붐이 관측되어 감쇠 정도가 기존 예상보다 훨씬 작다는 것이 밝혀졌다. 콩코드는 해상 고고도에서만 초음속 비행이 허용되었지만, 대서양을 항해 중인 크루즈 여객선에서 소닉 붐이 관측되었다.^[18]

2013년, 러시아 연방에서 발생한 운석 낙하에 의한 재해는, 운석의 통과와 폭발로 발생하는 소닉 붐이 재해의 원인이 되었다.

전투기가 초음속으로 비행하는 경우, 소닉 붐이 지상에 도달할 즈음에는 전투기는 발생 장소에서 이미 멀리 떨어져 있으며, 들린 방향에는 발생 원인인 전투기가 이미 존재하지 않는다. 이 때문에 지상의 사람들은 소닉 붐만을 체감하게 되어 "원인 불명의 굉음"으로 여겨진다.

6. 3. 기타 영향

음속 폭음은 항공기의 형태와 관찰자와의 거리에 따라 소리가 다르게 들리는데, 대개 깊은 이중 "폭음"으로 들린다. 이는 박격포 폭탄 소리와 유사하며, 불꽃놀이 소리와도 비슷하다. 흔히 초음속으로 전환될 때 한 번의 폭음만 발생한다고 오해하지만, 실제로는 초음속 비행 내내 폭음이 지속된다. 전 콩코드 조종사의 말에 따르면, 기내에서는 소리가 들리지 않고 압력파가 비행기를 따라 내려오는 것을 계기로 확인할 뿐이며, 이는 배의 물결과 같다고 한다.^[14]

1964년 미국 항공우주국(NASA)과 연방 항공국(FAA)은 오클라호마 시티 음속 폭음 실험을 통해 6개월간 하루 8번 음속 폭음을 발생시켰다. 이 실험으로 귀중한 데이터를 얻었지만, 15,000건의 불만이 제기되었고, 결국 정부는 집단 소송에서 패소했다.

영국 콘월 북부와 데번 북부에서도 콩코드 비행 경로 아래에서 음속 폭음으로 인한 피해가 발생했다. 창문이 흔들리고, 지붕 슬레이트 아래 석조 모르타르가 떨어져 나가기도 했다.

최근 DARPA의 조용한 초음속 플랫폼 연구 등에서 음속 폭음의 주파수 내용을 분석하는 연구가 진행되고 있다. 연구 결과, 음속 폭음의 "N"파 특성이 지상에서 인지되는 소리의 크기와 불쾌감에 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌다. 콩코드나 군용기에서 생성되는 강력한 N파도 과압 상승 시간이 길면 덜 불쾌하게 느껴질 수 있다. 주파수 내용, 상승 시간 등을 고려한 '인지된' 음량 측정법(PLdB)이 등장했는데, 손가락 스냅 소리가 좋은 예시이다.

음속 폭음 에너지는 0.1–100 헤르츠 주파수 범위에 집중되어 있으며, 이는 아음속 항공기, 총성, 산업 소음보다 낮다. 지속 시간은 전투기 크기 항공기의 경우 1초 미만, 콩코드나 우주 왕복선의 경우 500 밀리초로 짧다. 음속 폭음의 강도와 폭은 항공기의 물리적 특성과 작동 방식에 따라 달라진다. 일반적으로 고도가 높을수록 지상 과압은 낮아지고, 폭음의 측면 확산은 커져 더 넓은 영역에 영향을 미친다. 그러나 과압은 비행 경로 바로 아래에서 가장 크고, 멀어질수록 약해진다. 폭음 노출 지역의 지상 너비는 고도 당 약 이다(너비는 고도의 약 5배). 즉, 에서 초음속 비행하는 항공기는 약 의 측면 폭음 확산을 생성한다.

항공기 고도에 따라 음속 폭음은 비행 후 2~60초 후에 지면에 도달하지만, 모든 폭음이 들리는 것은 아니다. 음속은 기온에 따라 달라지며, 표준 대기 조건에서 고도가 높아질수록 기온은 감소하여 음파가 위로 굴절된다. 따라서 폭음이 지면에 도달하려면 항공기의 지면 상대 속도가 지면 음속보다 커야 한다. 예를 들어 에서 음속은 약 이지만, 폭음이 들리려면 항공기는 최소 (마하 1.12)로 이동해야 한다.^[6]

온도 변화, 습도, 대기 오염, 바람 등 대기 조건과 콘크리트, 도로 표면, 건물 등 지면 상태도 음속 폭음 인식에 영향을 준다. 딱딱한 표면은 반사를 통해 소리를 증폭시키고, 풀밭과 나뭇잎은 과압 강도를 약화시킨다.

현재 음속 폭음 수용성에 대한 공인된 표준은 없지만, 관련 측정법 개발 연구가 진행 중이다.^[15] 이러한 측정법이 확립되기 전까지는 초음속 비행 금지 조항 폐지 여부는 불확실하다.

초음속 비행 물체가 상공을 통과할 때 두 개의 불연속적인 소리가 들리는데,^[17] 첫 번째는 비행체 전방, 두 번째는 후방(우주왕복선의 경우 수직 꼬리날개) 충격파에 의한 것이다. 기체 크기나 질량에 따라 들리는 방식이 달라 한 번만 들릴 수도 있지만, 우주왕복선 귀환 시에는 뚜렷하게 두 개로 나뉜다. 이 소닉 붐을 파형으로 나타낸 것이 '''N-웨이브'''이다.

1960년대에는 고고도 비행 시 충격파 감쇠로 지상에서 소닉 붐이 발생하지 않을 것으로 예상했지만, 노스아메리칸 XB-70 (고도 약 21,000m) 비행 시 지상에서 강력한 소닉 붐이 관측되어 예상보다 감쇠 정도가 작다는 것이 밝혀졌다. 이는 초음속 여객기, 초음속 수송기 실용화를 방해하는 요인이 되었다. 콩코드는 해상 고고도에서만 초음속 비행이 허용되었지만, 대서양 항해 중인 크루즈 여객선에서 소닉 붐이 관측되었다.^[18]

2013년 러시아 연방 첼랴빈스크주 운석 낙하는 운석 통과 및 폭발로 발생한 소닉 붐이 재해 원인이 되었다. 운석 폭발은 15km~25km 고고도에서 발생했다.

전투기가 초음속 비행 시 소닉 붐 발생 장소에서 멀리 떨어져 있어 지상에서는 "원인 불명 굉음"으로 느껴지기도 한다.

6. 4. 소닉 붐과 환경

항공기가 음속으로 비행할 때 발생하는 충격파는 마치 레드 카펫을 펼치는 것처럼 지상에 좁은 경로를 만들며, 이를 '붐 카펫'이라고 부른다. 붐 카펫의 폭은 항공기의 고도에 따라 달라지며, 붐이 들리는 지점과 항공기 사이의 거리는 고도와 충격파의 각도에 영향을 받는다.^[5]

일반적으로 초음속 항공기의 붐 과압은 50~500Pa 정도이며, 최대 7,000Pa까지 기록된 적도 있다. 530Pa 이하의 압력은 건물에 손상을 주지 않지만, 유리 파편 등의 피해가 발생할 가능성은 있다. 지반 운동은 드물게 발생하며 구조적 손상 임계값보다 훨씬 낮다.^[6]

음속 붐의 세기는 항공기의 크기와 모양에 따라 달라진다. 큰 항공기일수록 붐이 더 넓게 퍼져 약해진다. 여러 개의 작은 충격파가 형성될 수도 있는데, 이는 항공기의 볼록한 지점에서 공기가 회전하며 발생한다. 이러한 이차 충격파는 붐을 더 크게 만들 수 있다.^[7]

음속 붐은 깊은 이중 "폭음"으로 들리며, 박격포 폭탄 소리와 유사하다. 콩코드 조종사의 증언에 따르면, 기내에서는 붐 소리가 들리지 않고 압력파만 감지된다.^[14]

1964년 오클라호마 시티 음속 폭음 실험이 진행되었으나, 주민들의 불만과 소송으로 이어졌다. 콩코드 운항 시에도 영국 콘월과 데번 지역에서 붐으로 인한 피해가 발생했다.^[18]

최근 연구에서는 음속 붐의 주파수 특성을 분석하여 인지되는 소리의 크기를 줄이는 방법을 모색하고 있다. 새로운 측정법인 PLdB는 주파수, 상승 시간 등을 고려하여 붐의 불쾌감을 평가한다.

음속 붐의 에너지는 주로 0.1–100Hz의 낮은 주파수 범위에 집중되어 있으며, 지속 시간은 1초 미만으로 짧다. 붐의 강도와 폭은 항공기의 특성과 작동 방식에 따라 달라지며, 고도가 높을수록 과압은 낮아진다. 그러나 붐의 영향 지역 내 과압은 균일하지 않으며, 비행 경로 바로 아래에서 가장 강하다.

기상 조건과 지면의 특성도 음속 붐의 인식에 영향을 미친다. 온도 변화, 습도, 대기 오염, 바람은 붐의 소리를 왜곡할 수 있으며, 딱딱한 표면은 반사를 통해 소리를 증폭시키고, 풀밭은 소리를 약화시킬 수 있다.

현재 음속 붐의 수용성에 대한 국제 표준은 없지만, 관련 측정법 개발이 진행 중이다. 이러한 측정법이 확립되기 전까지는 초음속 비행 금지 조항이 유지될 가능성이 높다.

2013년 러시아 첼랴빈스크주 운석 낙하와 같은 사건에서 볼 수 있듯이, 운석의 통과 및 폭발로 인한 소닉 붐은 재해의 원인이 될 수 있다. 또한, 전투기가 초음속으로 비행할 때 발생하는 소닉 붐은 지상에서 원인 불명의 굉음으로 인식되기도 한다.

7. 소닉 붐의 활용

기상 제어를 위해 우박 발생을 방지하고자 소닉 붐을 상공에 발사하는 장치가 존재한다.^[23]

참조

_[1] 논문 Flight Demonstration Of Low Overpressure N-Wave Sonic Booms And Evanescent Waves https://web.archive.[...] 2005-01-01
_[2] 논문 Crackin' Good Mathematics 2002-09
_[3] 웹사이트 Back with a boom? Supersonic planes get ready for a quieter, greener comeback https://horizon-maga[...] 2021-05-06
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