초음속 여객기

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1. 개요

초음속 여객기는 음속보다 빠른 속도로 비행하는 여객기를 의미하며, 1950년대부터 개발이 시작되었다. 유럽에서는 콩코드가 개발되어 1976년부터 상업 운항을 시작했으나, 환경 문제와 경제성 부족으로 2003년 퇴역했다. 미국, 소련 등에서도 초음속 여객기 개발이 진행되었으며, 현재는 소닉 붐 감소 기술을 적용한 차세대 초음속 여객기 개발이 활발히 이루어지고 있다. 한국은 초음속 여객기 개발 경험은 없지만, 관련 기술 동향을 주시하며 미래 항공 시장을 준비하고 있다.

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초음속 여객기
제1세대 초음속 여객기
브리티시 에어웨이스의 콩코드 (1986년)
파리 항공 쇼에서의 아에로플로트 투폴레프 Tu-144 (1975년)
독일 진스하임 자동차 기술 박물관에 전시되어 있는 에어 프랑스의 콩코드와 아에로플로트 소비에트 항공의 Tu-144
일반 정보
영어 명칭	Supersonic transport (SST)
설명	음속보다 빠른 속도로 승객을 수송하는 항공기
NASA의 노력	더 조용한 초음속 여객기를 만들기 위한 NASA의 노력 시작 (2016년 2월 29일)
역사
개발 배경	군사 기술 발전 항공 기술 발전
최초의 초음속 여객기	투폴레프 Tu-144
상업적 성공	콩코드
퇴역 이유	경제성 문제 및 안전 문제
기술적 특징
속도	음속 이상
동체 디자인	공기 저항을 최소화하는 디자인
엔진	강력한 엔진 필요
미래 전망
연구 개발	NASA 등에서 초음속 여객기 연구 개발 진행 중
소닉 붐 문제 해결	소닉 붐 감소 기술 개발이 중요
환경 문제	환경 문제 해결을 위한 노력 필요
기타
관련 용어	초음속 소닉 붐 마하
참고 자료	콩코드 퇴역 관련 FAQ (Concorde SST)

2. 역사

1947년 10월 14일, 벨 X-1이 음속의 벽을 돌파하면서 초음속 비행 시대가 열렸다.^[17] 1952년 보잉은 초음속 여객기(SST) 연구를 시작했고, 1960년 쉬드 아비아시옹은 쉬드 쉬페르 카라벨 설계를 시작했다. 1962년 11월, BAC와 쉬드는 콩코드 공동 개발을 발표했다.

1963년 6월 5일, 존 F. 케네디 대통령은 미국제 SST 개발 자금 투입을 승인했다. 1964년 9월 21일, 마하 3급 폭격기 XB-70이 첫 비행을 했으나, 원형기만 제작되고 양산되지는 않았다. 1966년 12월 31일, 보잉 2707이 미국 SST 계획의 최종 후보로 선정되었다.

1968년 12월 31일, 소련의 Tu-144 원형기가 첫 비행을 했고, 1969년 3월 2일에는 콩코드 원형기가 첫 비행에 성공했다. 그러나 1971년 5월 20일, 보잉 2707 계획은 중단되었다. 1973년 6월 3일에는 1973년 파리 에어쇼 Tu-144 추락 사고가 발생했다. 1975년 12월 26일, Tu-144는 화물 운송을 시작으로 운항을 시작했고, 1976년 1월 21일에는 콩코드가 상업 운항을 시작했다.^[17] 그러나 1978년 Tu-144는 운항을 종료했다.

1994년 4월, 유럽 기업들은 ESRP(European Supersonic Research Program, 유럽 초음속 연구 프로그램) 계획을 시작했다. 1996년부터 1998년까지 NASA는 Tu-144LL의 비행 시험을 실시했다. 2000년 7월에는 콩코드 추락 사고가 발생하여 113명이 사망했다.^[20] 이 사고로 2003년 10월 24일 콩코드는 상업 운항을 종료했고, 11월 26일 최종 비행을 끝으로 퇴역했다.

2003년 이후, NASA 등은 SSBD(Shaped Sonic Boom Demonstration, 소닉 붐 형태 시연)를 시작했다. 2005년 6월 14일부터 일본과 프랑스의 항공 우주 공업회는 차세대 초음속 여객기 실현을 위한 공동 연구를 시작했다. 2005년 10월 10일, 우주항공연구개발기구(JAXA)는 소형 초음속 실험기 NEXST-1의 비행 시험을 실시했다. 2015년 7월 24일, 우주항공연구개발기구는 저소닉 붐 초음속 시험기의 비행 시험을 실시했다.

2019년 2월 12일, 러시아의 푸틴 대통령은 초음속 전략 폭격기 Tu-160을 초음속 여객기로 개조하는 방안을 제안했다.

초음속 여객기 개발은 음속 폭음과 엔진 배기가스로 인한 오존층 파괴 가능성 등 환경 문제와, 보잉 747과 같은 대형 항공기의 등장 및 1970년대 오일 쇼크로 인한 경제성 문제에 직면했다. 1971년 미국 의회는 SST 프로그램에 대한 자금 지원을 중단했다.

2. 1. 초기 구상

1950년대 초, 초음속 여객기 개발은 기술적으로 가능해 보였지만, 경제적인 실현 가능성은 불확실했다. 초음속 비행기는 양력 발생의 차이로 인해 아음속 비행기보다 양항비가 낮아 연료 소비가 많았다. 하지만, 초음속 여객기는 기존 항공기보다 세 배 이상 빠른 속도로 운항하여 운용 항공기 수를 줄이고 인건비 및 유지 보수 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있었다.^{^[2]}

1950년대 중반, 초음속 전투기의 실용화와 함께 초음속 여객기 설계가 본격적으로 시작되었다. 영국과 프랑스는 정부 지원을 받아 삼각 날개 형태의 초음속 여객기 개발에 착수했다. 쉬드 아비에이션 쉬퍼-캐러벨, 브리스톨 타입 223 등이 대표적인 예시다. 암스트롱-휘트워스는 마하 1.2 M-윙과 같은 혁신적인 설계를 제안했다.^{^[2]} 에이브로 캐나다는 TWA에 여러 초음속 여객기 설계를 제안했는데, 이들 팀은 영국으로 이동하여 호커 시들리 설계의 기초를 다졌다.^{^[2]}

1960년대 초, 여러 미국 항공우주 회사 임원들은 초음속 여객기 생산에 기술적인 문제는 없다고 주장했다. 1960년 4월, 록히드 부사장 버트 C. 모네스미스는 약 113398.00kg 무게의 강철 초음속 여객기를 1억 6천만 달러에 개발하고, 200대 이상 생산 시 약 9백만 달러에 판매할 수 있다고 발표했다.^{^[3]}

초음속 비행을 위해서는 항력을 최소화해야 했으며, 특히 음속 근처(천음속)에서 급격히 증가하는 조파 항력을 줄이는 것이 중요했다. 천음속 영역에서 항력 계수는 고아음속 영역의 3배 이상이었지만, 천음속을 넘어서면 감소하여 마하 2를 넘는 영역에서는 고아음속 영역과 거의 비슷해졌다.

일반 여객기 날개로 초음속 비행을 하면 양력이 크게 감소하고 항력이 증가했다. 마하 2의 속도에서 충격파의 영향으로 양력의 절반 정도가 손실되었다. 따라서 초음속 순항을 효율적으로 유지하고 저속 이착륙 시에도 충분한 양력을 발생시키는 익형 연구가 중요해졌다.

1950년대 초음속 수송기 개념은 기술적으로는 가능했지만, 경제적으로는 불확실했다. 그러나 초음속 상업 비행은 중장거리 비행에서 채산성이 있을 것으로 보였다. 항공사는 기존 아음속 항공기보다 3배 빠른 속도로 운항하여 항공기 보유 대수를 줄이고 인건비와 정비비를 절감할 수 있었다.

초음속 수송기의 속도는 기존 항공기보다 고도가 높지 않아 충격파의 지상 영향이 커서 육상 초음속 비행에 제한이 있었다. 충격파의 지상 영향은 극초음속 수송기로 해결할 수 있을 것으로 전망되었다.

2. 2. 개발 경쟁

1950년대 동안, 초음속 여객기는 기술적으로 가능해 보였지만, 경제성은 불분명했다. 초음속 항공기는 양항비가 낮아 연료 사용량이 많았지만, 빠른 속도로 운항 빈도를 높여 비용을 절감할 수 있을 것으로 예상되었다.

1950년대 중반, 초음속 전투기가 실용화되면서 초음속 여객기 설계 작업이 본격적으로 시작되었다. 영국과 프랑스에서는 정부 지원을 받는 초음속 여객기 프로그램이 삼각 날개를 채택했으며, 쉬드 아비에이션 쉬퍼-캐러벨과 브리스톨 타입 223 등이 포함되었다. 암스트롱-휘트워스는 M-윙과 같은 혁신적인 설계를 제안했다. 에이브로 캐나다는 TWA에 여러 설계를 제안했고, 이들의 설계는 호커 시들리 설계의 기초가 되었다.^[2] 1962년, 브리스톨 에어로플레인 컴퍼니와 쉬드 아비에이션은 비용 문제로 콩코드 생산을 위해 합병했다.

1960년대 초, 미국 항공우주 회사들은 초음속 여객기 생산에 기술적 문제는 없다고 주장했다. 1960년 4월, 록히드 부사장 버트 C. 모네스미스는 강철로 제작된 초음속 여객기를 개발, 판매할 수 있다고 밝혔다.^[3] 팬 암이 콩코드 구매 옵션을 선택하자, 미국 업계는 콩코드에 대한 공포를 느꼈다. 의회는 초음속 여객기 설계에 자금을 지원하여 록히드 L-2000 및 보잉 2707 설계를 선택, 더 발전된 설계를 생산하도록 했다. 보잉 2707 설계는 약 300명의 승객을 수송하고 마하 수치 3을 목표로 했다. 소련은 투폴레프 Tu-144를 생산하기 시작했고, 서방 언론은 이를 "콩코드스키"라고 별명을 붙였다.

1950년대 중반부터 SST의 본격적인 연구가 시작되었다. 쉬드 아비아시옹사의 쉬페르 카라벨이나 브리스톨사의 223형기 등의 삼각익기가 각국 정부의 지원을 받아 연구되었다. 그 외에 암스트롱 휘트워스사의 M자익기 등이 연구되었다. 이들 회사의 연구는 1960년대 초까지 실기 제작이 가능한 상태까지 진전되었다. 1962년에는 비용 문제로 쉬드 안과 브리스톨 안이 통합되어 영불 공동 개발의 콩코드 제작으로 이어졌다.

유럽에서의 SST 개발 진전에 따라 장거리 여객기 시장 점유율을 콩코드에게 빼앗길 가능성이 제기되자, 미국 항공기 업계는 공황 상태에 빠졌다. 1963년부터 미국 내에서도 독자적인 SST 연구가 시작되어 보잉 2707이나 록히드 L-2000 등의 계획이 추진되었다. 이들은 콩코드보다 더 크고 빠르며 장거리 운행이 가능한 기종으로 계획되었다. 특히 보잉은 2707 계획에 열심이었으며, 마하 3에 가까운 속도를 목표로 했다. 같은 시기에 소련도 Tu-144를 개발하고 있었다.

2. 3. 환경 문제와 규제

초음속 여객기는 음속 폭음과 엔진 배기가스가 오존층을 손상시킬 수 있다는 점 때문에 문제가 되었다. 1971년 3월, 미국 의회는 초음속 여객기(SST) 프로그램에 대한 자금 지원을 중단했고, 미국 상공에서 모든 육상 상업 초음속 비행을 금지했다.^[34] 대통령 고문 러셀 트레인은 500대의 초음속 여객기가 약 19812.00m 상공에서 비행하면 성층권의 수분 함량을 최대 50%에서 100%까지 증가시켜 지표면 온도를 높이고 오존 형성을 방해할 수 있다고 경고했다.

이후 초음속 항공기의 배기가스에 포함된 질소 산화물(NOx)이 오존층을 파괴할 수 있다는 가설이 제기되었고, 1974년 미국 교통부의 의뢰를 받은 MIT 연구진에 의해 입증된 것으로 보였다. 그러나 1962년 약 213 메가톤의 폭발 에너지가 방출된 대기 중 핵실험에도 불구하고 감지할 수 있는 오존 손실이 나타나지 않았다는 점을 들어, 하루 10시간 비행하는 콩코드 1047대에서 나오는 NOx도 큰 영향을 주지 않을 것이라는 반론도 제기되었다.^[34] 1981년에도 모델과 관측 결과는 여전히 일치하지 않았다. 1995년 국립 해양 대기청의 데이비드 W. 페이는 500대의 초음속 항공기가 운항될 경우 오존 감소는 1~2%에 불과할 것이며, 콩코드 연료의 탈황을 통해 오존 파괴 반응 경로를 제거할 수 있다고 주장했다.

국제 청정 교통 위원회(ICCT)는 초음속 여객기가 승객 1인당 연료를 5~7배 더 소모할 것으로 추정한다.^[34] ICCT는 뉴욕-런던 초음속 비행의 경우, 승객 1인당 연료 소비가 아음속 비즈니스 클래스보다 2배 이상, 이코노미 클래스보다 6배 더 많을 것이라고 밝혔다.^[35]

2035년에 초음속 여객기가 2,000대라면, 160개 공항에서 하루 5,000번의 비행이 이루어지며, 연간 약 9,600만 톤의 CO₂가 배출될 것이다. 이는 2017년 아메리칸 항공, 델타 항공, 사우스웨스트 항공의 배출량을 합친 것과 같다. 잦은 음속 폭음은 캐나다, 독일, 이라크, 아일랜드, 이스라엘, 루마니아, 터키, 그리고 미국의 일부 지역에서 5분마다 1번씩 들릴 수 있다.^[37]

1960년대는 서구에서 환경 문제에 대한 관심이 높아지면서 초음속 항공기의 소닉 붐과 배기 가스가 오존층에 미치는 영향이 우려되었다. 소닉 붐 문제는 고고도 비행으로 해결될 것으로 보였지만, XB-70 실험을 통해 고공 비행 시에도 소닉 붐 문제가 발생한다는 것이 확인되었다. 이 때문에 1971년 미국 연방 의회는 SST 연구비 지원을 중단했다.

2. 4. 콩코드의 등장과 퇴장

1969년 첫 비행을 한 콩코드는 1976년부터 상업 비행을 시작했다.^[17] 초기에는 미국의 정치적 반발로 뉴욕 노선 취항이 금지되었고, 워싱턴 D.C. 노선만 운항했다. 콩코드는 런던-뉴욕 노선을 염두에 두고 제작되었기 때문에, 뉴욕 노선 운항 금지는 경제적 전망에 위협적이었다. 그러나 워싱턴 노선이 큰 인기를 얻으면서 뉴욕 시민들의 불만이 제기되었고, 곧 뉴욕 노선도 취항하게 되었다. 콩코드의 소닉 붐 영향을 줄이기 위해 초음속 비행은 해상에서만 실시되었다.

미국에서는 콩코드 상업 운항 시작 이후 여론이 바뀌어, "AST"(Advanced Supersonic Transport, 첨단 초음속 수송기)라는 이름으로 록히드 SCV 등 추가적인 초음속 여객기 설계 연구가 시작되었다. 그러나 이 시기에는 초음속 여객기(SST)의 경제성이 더 이상 합리적이지 않았다. 초기 SST는 보잉 707과 같이 80~100명의 승객을 수용하는 장거리 항공기와 경쟁할 것으로 예상되었지만, 보잉 747과 같은 더 큰 항공기가 등장하면서 속도와 연료 효율의 장점이 사라졌다. 보잉 747은 400명 이상을 수송할 수 있어 경제성에서 SST를 압도했다.

SST는 엔진 효율 문제도 있었다. 아음속 엔진은 터보팬 엔진 도입과 바이패스비 증가로 효율성이 크게 향상되었지만, 초음속에서는 높은 바이패스비를 적용하기 어려웠다.^[18] 오일 쇼크로 인한 연료비 급등은 SST 운용 비용을 증가시켜 경제성을 더욱 악화시켰다. 이러한 이유로 AST 프로그램은 1980년대 초에 중단되었다.

콩코드는 영국항공(British Airways)과 에어 프랑스(Air France)에만 판매되었으며, 초기에는 정부에 수익의 80%를 반환하는 보조금 구매 방식이었다. 그러나 실제로는 분배할 수익이 거의 없었다. 콩코드가 민영화된 후, 비용 절감 조치와 티켓 가격 인상을 통해 상당한 이익을 얻게 되었다. 콩코드 운항 중단 이후, 콩코드 운영 비용은 약 10억파운드이었고, 수익은 17.5억파운드로, 영국항공에게는 수익성이 있었던 것으로 밝혀졌다.^[19]

2000년 7월 25일, 에어 프랑스 4590편 추락 사고로 탑승객 109명 전원과 지상 4명이 사망했다. 이는 콩코드 관련 유일한 치명적인 사고였다.^[20] 이 사고로 상업 운항은 2001년 11월까지 중단되었고, 콩코드는 27년간의 상업 운항을 마치고 2003년에 퇴역했다. 마지막 정기 여객 운항은 2003년 10월 24일 뉴욕에서 런던 히스로로 가는 항공편이었다.

20세기 말까지 투폴레프 Tu-244, 투폴레프 Tu-344, SAI 조용한 초음속 수송기, 수호이-걸프스트림 S-21, 고속 민간 수송기 등과 같은 초음속 여객기 프로젝트는 실현되지 못했다.

3. 설계

1950년대 초음속 여객기는 기술적으로 가능해 보였지만, 경제성은 불분명했다. 초음속 항공기는 양항비가 낮아 연료 소비가 많았지만, 빠른 속도로 운항 횟수를 늘려 인력 및 유지 보수 비용을 절감할 수 있었다.

1950년대 중반, 초음속 전투기가 실용화되면서 초음속 여객기 설계 작업이 시작되었다. 영국과 프랑스는 삼각 날개를 채택한 설계를 진행했으며, 에이브로 캐나다는 TWA에 여러 설계를 제안한 후 영국으로 이동하여 호커 시들리 설계의 기초를 형성했다.^[2] 1962년 브리스톨 에어로플레인 컴퍼니와 쉬드 아비에이션은 비용 문제로 콩코드를 생산하기 위해 합병했다.

1960년대 초, 미국 항공우주 회사 임원들은 초음속 여객기 생산에 기술적 문제는 없다고 말했다. 록히드 부사장 버트 C. 모네스미스는 약 113398.00kg 무게의 강철 초음속 여객기를 1억 6천만 달러에 개발, 200대 이상 생산 시 약 9백만 달러에 판매할 수 있다고 밝혔다.^[3] 팬 암의 콩코드 구매 옵션 선택으로 미국 업계는 위기감을 느꼈고, 의회는 록히드 L-2000 및 보잉 2707 설계를 지원했다. 보잉 2707은 약 300명 승객 수송, 마하 3을 목표로 했다. 소련은 투폴레프 Tu-144를 생산, 서방 언론은 "콩코드스키"라고 별명을 붙였다.

초음속 여객기는 음속 폭음과 엔진 배기가스의 오존층 손상 문제로, 미국 의회는 1971년 3월 미국 초음속 여객기(SST) 프로그램 자금 지원을 중단하고 육상 상업 초음속 비행을 금지했다. 이후 배기가스 질소 산화물의 오존 위협이 제기되었으나, 관련 논문에서 콩코드 NOx는 전례가 없을 것이라고 결론지었다. 1995년 국립 해양 대기청 데이비드 W. 페이는 500대 초음속기 운항 시 오존 감소는 1~2%에 불과할 것이라고 제안했다.

1970년대 중반, 콩코드는 운항을 시작했으나, 미국은 뉴욕 운항을 금지했다. 덜레스 국제공항(버지니아주) 운항 후 JFK로 운항하게 되었다.

정치적 변화와 항공 여행객들의 고속 대양 횡단 관심으로 미국은 "AST"(Advanced Supersonic Transport) 연구를 시작, 록히드의 SCV와 보잉의 2707 기반 연구가 진행되었다. 그러나 보잉 747 등장으로 SST의 속도와 연료 효율 장점이 사라졌고, 터보팬 엔진 바이패스비 문제로 SST는 높은 운영 비용으로 실패, AST 프로그램은 1980년대 초 사라졌다.

3. 1. 공기역학

모든 항공기는 공기 중을 이동할 때 항력은 항력 계수(''C_d'')에 비례하며, 속도의 제곱과 공기 밀도에도 비례한다. 항력은 속도에 따라 급격히 증가하기 때문에 초음속 항공기 설계의 핵심 과제는 항력 계수를 낮춰 이 힘을 최소화하는 것이다. 이로 인해 초음속 여객기(SST)는 매우 유선형의 형태를 갖게 된다. 어느 정도까지는 초음속 항공기는 아음속 항공기보다 높은 고도에서 비행하여 공기 밀도를 낮춤으로써 항력을 관리한다.

속도가 음속에 가까워지면, 파동 항력이라는 추가적인 현상이 나타난다. 이는 천음속 속도(약 마하 0.88)에서 시작되는 강력한 형태의 항력이다. 마하 1 부근에서 항력 계수의 최대값은 아음속 항력의 4배이다. 천음속 범위를 넘어서면 계수는 다시 급격히 감소하지만, 마하 2.5에서는 아음속 속도보다 20% 더 높게 유지된다. 초음속 항공기는 이 파동 항력을 극복하기 위해 아음속 항공기보다 훨씬 더 많은 출력이 필요하며, 천음속 속도 이상의 순항 성능은 더 효율적이지만, 여전히 아음속으로 비행하는 것보다 효율성이 떨어진다.

초음속 비행의 또 다른 문제는 날개의 양력 대 항력비 (L/D비)이다. 초음속에서는 에어포일이 아음속 속도와는 완전히 다른 방식으로 양력을 생성하며, 항상 효율성이 떨어진다. 이러한 이유로, 지속적인 초음속 순항을 위한 날개 평면형 설계에 상당한 연구가 이루어졌다. 마하 2 정도에서 일반적인 날개 설계는 L/D비를 절반으로 줄인다(예: 콩코드는 7.14의 비율을 보였지만, 아음속 보잉 747의 L/D비는 17이다).^[21] 항공기의 설계는 자체 무게를 극복할 수 있을 만큼 충분한 양력을 제공해야 하므로, 초음속에서 L/D비가 감소하면 속도와 고도를 유지하기 위해 추가적인 추력이 필요하다.

초음속 항공기의 공기역학적 설계는 최적의 성능을 위해 속도에 따라 변경되어야 한다. 따라서 초음속 여객기(SST)는 아음속 및 초음속 속도 모두에서 최적의 성능을 유지하기 위해 비행 중에 이상적으로 형태를 변경해야 한다. 이러한 설계는 유지 관리 요구 사항, 운영 비용 및 안전 문제를 증가시키는 복잡성을 야기한다.

실제로 모든 초음속 수송기는 아음속 및 초음속 비행에 본질적으로 동일한 형태를 사용했으며, 성능 저하에 대한 절충안이 선택되었으며, 종종 저속 비행에 불리하게 작용했다. 예를 들어, 콩코드는 저속에서 매우 높은 항력(약 4의 양력 대 항력비)을 가졌지만, 비행 대부분을 고속으로 이동했다. 콩코드의 설계자들은 전체 비행 계획에서 전반적인 성능을 극대화하기 위해 풍동 테스트에서 5000시간을 들여 기체 형태를 최적화했다.

보잉 2707은 저속에서 더 높은 효율을 제공하기 위해 가변익을 특징으로 했지만, 이러한 기능에 필요한 공간 증가는 궁극적으로 해결할 수 없는 수용력 문제를 야기했다.

노스 아메리칸 항공(North American Aviation)은 XB-70 발키리를 통해 이 문제에 대한 특이한 접근 방식을 취했다. 고 마하수에서 날개의 외부 패널을 낮춤으로써, 항공기 하부의 압축 양력을 활용할 수 있었다. 이를 통해 L/D 비율을 약 30% 향상시켰다.

초음속으로 비행하기 위해서는 속도의 제곱에 비례하여 증가하는 항력을 최대한 줄여야 하며, 순항 속도에 도달하기 전, 음속 부근의 마하 약 0.8에서 1.2 정도의 속도 영역 (천음속)에서 급격하게 커지는 항력 계수도 줄여야 한다. 천음속에서의 항력 계수는 충격파를 만드는 데 소비되는 조파 항력도 더해지기 때문에 고아음속 영역(마하 0.8 정도, 천음속 영역에 들어가기 직전)의 경우의 3배 이상이 된다. 그러나 천음속을 넘으면 항력 계수는 감소세로 돌아서, 마하 2를 크게 넘는 영역에서의 항속률은 고아음속에서의 그것과 거의 동등하게 된다.

일반 여객기에 사용되는 가로로 넓은 익형을 가진 날개로 초음속 비행을 하면, 날개에 발생하는 양력은 크게 감소하고 항력은 크게 증가한다. 통상적인 날개에서는 마하 2의 속도에서 충격파의 영향으로 그 양력의 절반 정도가 손실된다. 효율의 지표인 양항비(양력 ÷ 항력)의 관점에서 보면, 초음속 항행에 의한 연비 향상은 거의 없다. 이 때문에 초음속 수송기 여명기에는 초음속에서의 순항을 최대한 효율적으로 유지하고, 저속의 이착륙 시에도 충분한 양력을 발생시키는 익형 연구에 많은 노력이 기울여졌고, 초음속 수송기의 익형 연구만을 위한 실험기도 제작되었다.

3. 2. 엔진

제트 엔진은 종류에 따라 초음속 속도에서 연료 효율이 증가할 수 있다. 비록 연료 소모율이 더 높은 속도에서 더 크더라도, 지상 속도가 더 빠르기 때문에 마하 2 이상에서는 단위 거리당 소비량이 속도에 비례하는 것보다 적다.

Aérospatiale–BAC에서 콩코드를 설계할 당시에는 고 바이패스 제트 엔진("터보팬" 엔진)이 아직 아음속 항공기에 배치되지 않았다. 보잉 707이나 드 하빌랜드 코멧과 같은 초기 아음속 여객기와 비교했을 때, 콩코드는 707보다 더 많은 승객을 수송하지는 못했지만, 연료 효율 면에서는 경쟁력이 있었다. 그러나 1960년대 고 바이패스 제트 엔진이 상업 운항에 투입되면서 아음속 제트 엔진의 효율이 급격히 향상되었고, 이는 초음속 여객기의 주요 장점 중 하나를 사라지게 했다.

터보팬 엔진은 저압의 찬 공기를 가속하여 효율을 높인다. 이 설계의 궁극적인 형태는 터보프롭이다. 팬 설계의 효율 곡선은 전방 속도에 따라 바이패스 양이 달라짐을 의미하며, 속도가 증가함에 따라 프로펠러에서 팬으로, 그리고 바이패스가 전혀 없는 방향으로 감소한다. 엔진 전면의 저압 팬이 차지하는 큰 면적은 특히 초음속에서 항력을 증가시키므로, 바이패스 비율은 아음속 항공기보다 제한적이다.^[22]

초기 Tu-144S는 콩코드의 터보제트보다 초음속 비행에서 덜 효율적인 저 바이패스 터보팬 엔진을 장착했다. 후기 TU-144D는 효율이 유사한 터보제트 엔진을 사용했다. 이러한 제한으로 인해 초음속 여객기 설계는 고 바이패스 엔진이 가져온 연료 효율 개선을 활용할 수 없었지만, 이미 아음속 터보팬 엔진보다는 효율적이었다.

최근에는 펄스 데토네이션 엔진(PDE)이 주목받고 있다. PDE는 현재의 터보팬 엔진보다 효율을 높이면서 고속 비행도 가능하게 한다. NASA는 마하 5 항공기용 PDE 엔진을 연구 중이다. 우주항공연구개발기구(JAXA)와 도쿄 대학 연구팀은 마하 5급 극초음속 여객기 엔진으로 액체 수소를 연료로 사용하고, 고온 공기를 액체 수소로 냉각하는 '예냉 터보제트 엔진'을 연구하고 있다. JAXA는 2021년 6월, IHI 등과 함께 초음속 여객기 연구 개발 협의회 '재팬 슈퍼소닉 리서치'를 발족했다.

3. 3. 구조

초음속 항공기는 속도가 빨라짐에 따라 더 좁은 날개와 동체 설계를 필요로 하며, 이는 더 큰 응력과 온도에 노출된다. 이 때문에 발생하는 공탄성 문제는 항공기의 원치 않는 휨을 유발할 수 있어, 이를 최소화하기 위해 더 무거운 구조가 필요하다. 또한, 초음속 여객기는 아음속 항공기보다 더 큰 압력 차이로 동체에 가압을 해야 하므로, 훨씬 더 강력하고 무거운 구조가 필요하다. 아음속 항공기는 초음속 비행에 필요한 높은 고도에서 운항하지 않기 때문에 이러한 문제가 덜하다. 이러한 요인들을 종합하면 콩코드의 좌석당 자체 중량은 보잉 747의 세 배 이상이다.^[2]

콩코드와 투폴레프 Tu-144는 모두 기존의 알루미늄을 사용하여 제작되었다. 콩코드는 히두미늄을, Tu-144는 두랄루민을 사용했다. 당시에는 탄소 섬유나 케블라와 같은 현대적인 첨단 소재가 개발되지 않았지만, 이러한 소재는 무게 대비 강도가 훨씬 높고 더 견고하여 초음속 여객기 설계에 더 적합했을 것이다.

항공기는 속도가 증가함에 따라 온도가 상승하는 공기층에 둘러싸이게 되며, 항공기 표면은 초음속 속도가 증가함에 따라 더 뜨거워진다(고속 경계층으로부터의 운동 가열^[30]). 태양열 또한 표면 온도를 상승시킨다. 1960년대 초 연구에 따르면, 마하 2.2에서 130°C, 마하 3에서 330°C로 변동하는 평형 표면 온도가 나타났다.^[31]

아음속 항공기는 일반적으로 알루미늄으로 만들어지지만, 알루미늄은 127°C 이상의 온도에서는 강도를 잃게 된다.^[32] 따라서 마하 3으로 비행하는 항공기의 경우, 스테인리스강(XB-70 발키리, 미코얀 MiG-25) 또는 티타늄(SR-71, 수호이 T-4)과 같은 재료가 사용되었다.

3. 4. 경제성

1950년대에 초음속 여객기는 기술적으로 가능해 보였지만, 경제성은 불확실했다. 초음속 항공기는 양항비가 낮아 연료 소비가 많았다. 그러나 빠른 속도로 운항 횟수를 늘려 인력 및 유지 보수 비용을 절감할 수 있다는 장점도 있었다.

1960년대 초, 여러 미국 항공우주 회사 임원들은 초음속 여객기 생산에 기술적 문제는 없다고 말했다. 록히드 부사장 버트 C. 모네스미스는 약 113398.00kg 무게의 강철 초음속 여객기를 1억 6천만 달러에 개발 가능하며, 200대 이상 생산 시 약 9백만 달러에 판매할 수 있다고 밝혔다.^[3] 그러나 팬 암이 콩코드 구매 옵션을 선택하면서 미국 업계는 위기감을 느꼈다.

초음속 여객기(SST)는 보잉 707과 경쟁할 것으로 예상되었지만, 보잉 747의 등장으로 속도와 연료 효율의 장점이 사라졌다. 보잉 747은 콩코드와 거의 같은 양의 연료를 사용하면서 3배 이상 많은 승객을 수송할 수 있었다.

터보팬 엔진의 발전으로 아음속 엔진의 효율은 크게 향상되었지만, 초음속 속도에서는 바이패스비를 높이기 어려워 SST의 운영 비용은 높아졌다.

콩코드는 영국항공(British Airways)과 에어 프랑스(Air France)에만 판매되었고, 초기에는 정부 보조금으로 운영되었다. 민영화 이후 비용 절감과 티켓 가격 인상으로 수익을 냈다. 콩코드 운항 중단 이후, 28년 가까운 운항 기간 동안 약 10억 파운드의 운영 비용으로 17억 5천만 파운드의 수익을 올린 것으로 밝혀졌다.^[19]

''콩코드'' 연료 효율 비교
항공기	콩코드^[23]	보잉 747-400^[24]
승객 1인당 마일/영국 갤런	17	109
승객 1인당 마일/미국 갤런	14	91
리터/승객 100 km	16.6	3.1

SST는 연료 비용이 높고 승객 수용 능력이 낮아 아음속 항공기보다 비쌌다. 그러나 대서양 횡단 비즈니스 시장에서 콩코드는 높은 항공권 가격을 유지하며 성공했다.

초음속 비행은 항력을 줄이는 것이 중요하며, 천음속 영역에서 항력이 급격히 커진다. 초음속에서는 양력이 감소하고 항력이 증가하여 연비 향상이 어렵다.

1950년대에는 초음속 수송기의 경제성이 불확실했지만, 중장거리 비행에서는 채산성이 있을 것으로 보였다. 또한, 빠른 속도로 운항 횟수를 늘려 인건비와 정비비를 절감할 수 있을 것으로 기대되었다.

미국의 초음속 여객기 연구는 정체되었지만, 콩코드는 1976년부터 상업 비행을 시작했다. 초기에는 소닉 붐 문제로 뉴욕 취항이 어려웠으나, 워싱턴 노선 운항 후 뉴욕 노선도 개설되었다.

콩코드 상업 비행 시작 후, 미국의 여론은 변화하여 AST(Advanced Supersonic Transport, 첨단 초음속 수송기) 계획이 시작되었다. 그러나 보잉 747과 같은 대형 여객기에는 경제성에서 뒤떨어졌다. 또한, 제트 엔진 효율 문제와 오일 쇼크로 인한 연료비 상승으로 SST의 경제성은 더욱 악화되어 AST 계획은 소멸했다.

최근에는 기체 형상을 개선하여 초음속 비행 시에도 소닉 붐을 크게 발생시키지 않는 항공기가 연구되고 있다. NASA 등은 SSBD (Shaped Sonic Boom Demonstration, 형상 소닉 붐 시연) 계획을 통해 소닉 붐 감소를 확인했으며, X-59 실험기를 개발 중이다.

3. 5. 소음 공해

초음속 제트기의 이륙 시 발생하는 극심한 속도는 콩코드와 Tu-144의 이륙 소음의 원인이 되었다.^[26] 공항 인근 지역 사회는 높은 엔진 소음의 영향을 받았으며, 이는 일부 규제 기관이 이러한 관행을 꺼리게 되는 요인이 되었다. 초음속 여객기 엔진은 엔진 단면적을 최소화하고, 엔진 나셀의 항력을 줄이기 위해 초음속 순항 시 비교적 높은 비추력(순 추력/공기 흐름)을 필요로 하는데, 이는 높은 제트 속도를 의미하며, 특히 저속/저고도 및 이륙 시 엔진을 시끄럽게 만든다.^[26]

미래의 초음속 여객기는 비추력(따라서 제트 속도 및 소음)이 이륙 시 낮지만, 초음속 순항 시 강제로 높이는 가변 사이클 엔진으로부터 큰 이점을 얻을 수 있을 것이다. 두 모드 간의 전환은 상승 중, 그리고 하강 중(접근 시 제트 소음을 최소화하기 위해) 발생할 것이다.

음속 폭음은 비행기의 높은 고도로 인해 심각한 문제로 여겨지지 않았지만, 오클라호마 시티 음속 폭음 실험과 미국 공군(USAF)의 XB-70 발키리 연구와 같은 1960년대 중반의 실험은 그렇지 않다는 것을 증명했다(음속 폭음 § 완화 참조).^[27] 1964년까지, 민간 초음속 항공기의 면허 발급 여부는 이 문제로 인해 불분명했다.^[27]

음속 폭음의 불쾌함은 항공기가 초음속 속도에 도달하기 전에 물 위 높은 고도에 도달할 때까지 기다림으로써 피할 수 있다. 이는 콩코드가 사용했던 기술이었으나, 인구 밀집 지역 상공에서의 초음속 비행을 불가능하게 한다.

콩코드의 과압은 1.94lb/ft2 (133 dBA SPL)이었다. 1.5lb/ft2 (131 dBA SPL) 이상의 과압은 종종 불만을 야기한다.^[28]

만약 폭음의 강도를 줄일 수 있다면, 이는 초음속 항공기의 매우 큰 설계조차도 육상 비행에 적합하게 만들 수 있다. 연구에 따르면 노즈콘과 꼬리의 변경은 음속 폭음의 강도를 불만을 야기할 필요보다 낮게 줄일 수 있다. 1960년대 초음속 여객기 개발 노력 동안, 항공기 동체의 신중한 형상이 지상에 도달하는 음속 폭음의 충격파 강도를 줄일 수 있다는 제안이 있었다. 2003년, 형상 음속 폭음 시연 항공기가 비행하여 설계의 타당성을 증명하고 폭음을 약 절반으로 줄일 수 있는 능력을 입증했다. 차량의 길이 연장조차도 (무게를 크게 증가시키지 않고) 폭음 강도를 줄이는 것으로 보인다 (음속 폭음 § 완화 참조).

미국 연방 항공국(FAA)은 음속 폭음이 지상의 인간과 동물 개체군에게 미치는 부정적인 영향 때문에 미국의 주권 영토 상공에서 상업용 항공기의 초음속 비행을 금지하고 있다.^[29]

1960년대는 서구에서 환경 문제에 대한 관심이 높아지기 시작한 시대였다. 따라서 SST의 초음속 항행으로 발생하는 소닉 붐으로 지상에 피해가 발생하는 것이 우려되었다. 소닉 붐 문제는 고고도 비행으로 해결될 것으로 보였지만, 1960년대 중반 XB-70 실험을 통해 고공 비행 시에도 소닉 붐 문제가 발생한다는 것이 확인되었다. 이 때문에 SST는 공해의 원인으로 인식되었고, 1971년 미국 연방 의회에서 보잉 등에 대한 SST 연구비 지원이 중단되었다.

3. 6. 속도 범위

초음속 항공기는 최적의 성능을 위해 속도에 따라 공기역학적 설계를 변경해야 한다. 따라서 초음속 여객기(SST)는 아음속과 초음속 속도 모두에서 최적의 성능을 유지하기 위해 비행 중 형태를 변경하는 것이 이상적이다. 그러나 이러한 설계는 복잡성을 야기하여 유지 보수 요구 사항, 운영 비용 및 안전 문제를 증가시킨다.

실제로 모든 초음속 수송기는 아음속 및 초음속 비행에 거의 동일한 형태를 사용했으며, 성능 저하에 대한 절충안이 선택되었다. 이는 종종 저속 비행에 불리하게 작용했다. 예를 들어, 콩코드는 저속에서 매우 높은 항력(약 4의 양력 대 항력비)을 가졌지만, 비행 대부분을 고속으로 이동했다. 콩코드 설계자들은 전체 비행 계획에서 전반적인 성능을 극대화하기 위해 풍동 테스트에서 5000시간을 들여 기체 형태를 최적화했다.

보잉 2707은 저속에서 더 높은 효율을 제공하기 위해 가변익을 채택했지만, 이 기능에 필요한 공간 증가는 수용력 문제를 야기하여 결국 해결되지 못했다.

노스 아메리칸 항공(North American Aviation)은 XB-70 발키리를 통해 이 문제에 대한 독특한 접근 방식을 취했다. 고 마하수에서 날개의 외부 패널을 낮춤으로써, 항공기 하부의 압축 양력을 활용할 수 있었다. 이를 통해 L/D 비율을 약 30% 향상시켰다.

3. 7. 표면 온도

항공기가 속도가 증가함에 따라 온도가 상승하는 공기층에 둘러싸이게 된다. 결과적으로 항공기의 표면은 초음속 속도가 증가함에 따라 더 뜨거워진다.^[30] 태양열 또한 표면 온도를 상승시킨다. 열은 항공기 구조로 전달되어 구조 또한 더 뜨거워진다. 1960년대 초, 미국, 영국, 프랑스에서 이루어진 많은 연구를 통해 마하 2.2에서 130°C, 마하 3에서 330°C로 변동하는 평형 표면 온도가 나타났다.^[31]

아음속 항공기는 일반적으로 알루미늄으로 만들어진다. 그러나 알루미늄은 가볍고 강하지만 127°C 이상의 온도에서는 견딜 수 없다. 127°C 이상에서는 알루미늄이 시효 경화로 인해 얻게 된 성질을 점차 잃게 된다.^[32] 마하 3으로 비행하는 항공기의 경우, 스테인리스강 (XB-70 발키리, 미코얀 MiG-25) 또는 티타늄 (SR-71, 수호이 T-4)과 같은 재료가 사용되었다.

3. 8. 항속 거리

초음속 여객기의 항속 거리는 브레게 항속 거리 방정식에 나타나는 세 가지 효율에 따라 달라진다. 이 세 가지 효율은 다음과 같다.

효율 종류	설명
공기역학적 효율	원하는 양력을 얼마나 많은 항력 없이 생산할 수 있는지 나타낸다.
동력 장치 효율	항공기의 항력 저항에 대항하여 항공기를 움직이는 데 연료가 얼마나 잘 변환되는지를 나타낸다.
구조적 효율	구조가 운반할 수 있는 연료 및 승객에 비해 얼마나 무거운지를 나타낸다.

1950년대에는 초음속 여객기가 기술적으로 가능해 보였지만, 경제성은 불분명했다. 초음속 항공기는 양력 발생의 차이로 인해 아음속 항공기보다 양항비가 절반 정도였다. 이는 동일한 양력에 대해 두 배의 추력이 필요하며, 연료 사용량이 상당히 증가함을 의미한다. 이 효과는 음속 근처에서 두드러지지만, 항공기가 더 빠른 속도로 가속하면 감소한다. 하지만 초음속 여객기는 기존 아음속 수송기보다 최소 세 배 빠른 속도로 비행할 수 있어, 운용 항공기 수를 줄여 인력 및 유지 보수 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있었다.^[2]

3. 9. 상업적 실용성

항공사는 잠재적으로 매우 빠른 항공기를 높게 평가하는데, 이는 항공기가 하루에 더 많은 운항을 할 수 있게 하여 투자 수익률을 높이기 때문이다.^[33] 또한, 일반적으로 승객들은 더 빠르고 짧은 시간의 여행을 느리고 더 긴 시간의 여행보다 선호하므로, 더 빠른 항공기를 운항하는 것은 항공사에 경쟁 우위를 제공할 수 있다. 많은 고객이 시간 절약 또는 더 빨리 도착하는 이점을 위해 기꺼이 더 높은 요금을 지불할 정도이다.^[33]

4. 완료된 프로젝트

1963년부터 미국 내에서도 독자적인 초음속 여객기(SST) 연구가 시작되어 보잉 2707이나 록히드 L-2000 등의 계획이 추진되었다. 이들은 콩코드보다 더 크고, 빠르며, 장거리 운행이 가능한 기종으로 계획되었다. 특히 보잉은 2707 계획에 열심이었으며, 마하 3에 가까운 속도를 목표로 했다. 그러나 1971년 5월 20일 보잉 2707 계획은 중단되었다.

총 20대의 콩코드가 제작되었는데, 2대의 프로토타입, 2대의 개발 항공기, 16대의 생산 항공기였다. 이 중 2대는 상업 운항에 투입되지 않았고, 2003년 4월 기준으로 8대가 운항 중이었다. 콩코드 항공기 중 2대를 제외한 모든 항공기가 보존되어 있다. 보존되지 않은 2대는 1982년 예비 부품 공급원으로 주차되었다가 1994년 폐기된 F-BVFD(cn 211)와 2000년 7월 25일 파리 외곽에서 추락하여 승객 100명, 승무원 9명, 지상 4명이 사망한 F-BTSC(cn 203)이다.

총 16대의 운용 가능한 Tu-144가 제작되었고, 17번째 Tu-144(등록번호 77116)는 완성되지 않았다. 또한 프로토타입 68001 개발과 병행하여 정적 시험을 위한 최소 1개의 지상 시험 기체가 있었다.

4. 1. 더글러스 DC-8

1961년 8월 21일, 더글러스 DC-8-43(등록번호 N9604Z)이 에드워드 공군 기지에서 시험 비행 중 통제된 급강하 비행을 통해 마하 1을 초과했다.^[38] 이 비행은 민간 여객기로는 처음으로 음속을 돌파한 사건이다.^[38] 당시 승무원은 윌리엄 매그루더(조종사), 폴 패튼(부조종사), 조셉 토미치(항공 기술자), 리차드 H. 에드워즈(비행 시험 엔지니어)였다.^[38]

4. 2. 콩코드

1962년 비용 문제로 쉬드 아비아시옹사와 브리스톨사의 안이 통합되어 영불 공동 개발의 콩코드 제작으로 이어졌다.^[17] 콩코드는 첫 초음속 시험 비행 6년 후인 1970년대 중반 운항 준비를 마쳤다. 미국의 정치적 반발로 뉴욕 운항이 금지되었으나, 덜레스 국제공항 운항 허가 후 JFK로 운항하게 되었다.

2000년 7월 25일, 에어 프랑스 4590편 추락 사고로 탑승자 109명 전원과 지상 4명이 사망했다. 이는 콩코드 관련 유일한 치명적인 사고였다.^[20] 상업 운항은 2001년 11월까지 중단되었고, 콩코드는 27년의 상업 운항을 마치고 2003년에 퇴역했다. 마지막 정기 여객 운항은 2003년 10월 24일 뉴욕에서 출발하여 런던 히스로에 도착했다.^[20]

4. 3. 투폴레프 Tu-144

소련은 Tu-144를 개발하고 있었다. Tu-144는 1968년에 첫 비행을 했다.

5. 미래 개발

1950년대부터 초음속 여객기 개발이 활발히 진행되었으나, 경제성 문제로 인해 상용화에 어려움을 겪었다. 하지만, 항공 여행객들의 고속 대양 횡단에 대한 지속적인 관심으로 인해 2세대 초음속 항공기에 대한 연구 개발이 다시 활발해지고 있다.^[39]^[40]

콩코드 퇴역 이후, 여러 항공 산업체에서 다양한 컨셉의 초음속 여객기 디자인을 제시하고 있다. 특히, 음속 폭음을 줄여 육상에서의 초음속 비행을 가능하게 하는 기술 개발에 집중하고 있다.

붐 테크놀로지는 콩코드보다 소음이 적고 효율성이 높은 마하 1.7 속도의 40인승 초음속 제트기를 개발 중이며, 2029년 운항을 목표로 하고 있다.^[51]
NASA는 록히드 마틴과 협력하여 저소음 초음속 기술 실험기인 록히드 마틴 X-59 QueSST를 개발하고 있으며, 2020년대 초에 FAA 및 ICAO의 육상 초음속 비행 금지 해제를 목표로 하고 있다.^[52]^[53]
스파이크 S-512는 22인승, 항속 거리, 마하 1.6 순항 속도를 목표로 하는 자체 자금 조달 트윈 제트 설계를 개발 중이다.
록히드 마틴은 NASA의 조용한 초음속 계획에서 영감을 받아 40인승, 마하 1.8 횡태평양 여객기 컨셉인 ''조용한 초음속 기술 여객기''를 공개했다.^[61]
Exosonic, Inc는 마하 1.8, 항속 거리의 70인승 초음속 제트기 개발을 목표로 하며, 2030년대 상용화를 계획하고 있다.^[63]^[64]
버진 갤럭틱은 롤스로이스와 함께 최대 19명의 승객을 태울 수 있는 마하 3 속도의 트윈 제트 삼각익 항공기 컨셉을 공개했다.^[66]^[67]
붐 테크놀로지의 붐 XB-1 베이비 붐 3분의 1 축소 시험기는 2024년 3월 22일에 첫 시험 비행을 하였으며, 2025년에 마하 1 도달을 목표로 하고 있다.^[56]

모델	승객 수	순항 속도	항속 거리 (nmi)
붐 테크놀로지 오버처	55	마하 1.7^[57]

일본항공(JAL)은 붐 테크놀로지와 자본 제휴를 맺고 20대의 우선 발주권을 확보할 예정이며,^[58] 유나이티드 항공도 오버처를 발주했다.

최근에는 기체 형상을 개선하여 초음속 비행 시에도 소닉 붐을 크게 발생시키지 않는 항공기가 연구되고 있다. NASA 등은 SSBD (Shaped Sonic Boom Demonstration, 형상 소닉 붐 시연) 계획 하에 실험기를 통해 비행 시험을 실시했으며, 실제로 소닉 붐의 감소가 관측되었다.

2019년, 보잉이 12인승 초음속 비즈니스 제트 「아에리온 AS2」를 개발하는 아에리온 코퍼레이션에 출자한다고 발표했다.

우주항공연구개발기구 (JAXA)는 액체 수소를 연료로 하는 터보제트 엔진에 고온 공기를 냉각하는 기구를 추가한 '예냉 터보제트 엔진' 연구를 진행하고 있다. JAXA는 2021년 6월, IHI 등과 함께 초음속 여객기 연구 개발 협의회인 「재팬 슈퍼소닉 리서치」를 발족했다.

5. 1. 이전 컨셉

2003년 11월, 에어버스의 모회사인 EADS는 콩코드보다 더 크고 빠른 항공기를 개발하기 위해 일본 기업들과 협력하는 것을 고려하고 있다고 발표했다.^[44]^[45] 2005년 10월, 일본 우주 항공 연구 개발 기구(JAXA)는 마하 2의 속도로 300명의 승객을 운송할 수 있도록 설계된 여객기 축소 모형에 대한 공기역학적 테스트를 수행했다. (이 여객기는 차세대 초음속 수송기(NEXST) 또는 무배출 극초음속 수송기로 불렸다.) 상업적으로 배치될 경우, 2020~25년경에 운행될 것으로 예상되었다.^[46]

2008년 5월, 에어리온은 자사의 에어리온 SBJ 초음속 비즈니스 제트기에 대한 30억달러 규모의 선주문을 받았다고 발표했다.^[47] 2010년 말, 이 프로젝트는 날개 부분의 시험 비행으로 이어졌다.^[48] 에어리온 AS2는 12인승 삼발기 제트기로 제안되었으며, 마하 1.4로 해상에서 4750nmi, 마하 0.95로 육상에서 5300nmi의 항속거리를 가질 것으로 예상되었지만, "붐이 없는" 마하 1.1 비행이 가능하다고 주장되었다. 에어버스의 지원을 받고 Flexjet으로부터 20대의 발주를 받았지만, 2017년 5월 GE Aviation이 공동 엔진 연구를 위해 선정되면서 초도 인도가 2023년에서 2년 연기되었다. 2021년 5월, 자금 조달 실패로 인해 사업을 중단한다고 발표했다.^[49]

SAI 조용한 초음속 수송기는 록히드 마틴의 12인승 설계로, 마하 1.6으로 순항하며, 콩코드가 생성하는 음속 폭음의 1%에 불과한 소닉 붐을 생성하도록 설계되었다.^[50]

초음속 투폴레프 Tu-444 또는 걸프스트림 X-54도 제안되었다.

5. 2. 2016년-현재

일부 항공 산업에서는 콩코드 퇴역 이후 2세대 초음속 항공기에 대한 열망이 남아 있었으며,^[39]^[40] 여러 컨셉이 등장했다.

2016년 3월, 붐 테크놀로지는 마하 1.7로 비행 가능한 40인승 초음속 제트기 개발 단계에 있다고 밝혔다. 설계 시뮬레이션 결과 콩코드보다 소음이 적고 효율성이 30% 더 높으며, 로스앤젤레스에서 시드니까지 6시간 만에 비행할 수 있다고 주장했다. 붐 테크놀로지는 2029년에 운항을 시작할 예정이다.^[51]

2006년부터 NASA는 경제적 타당성을 위해 육상에서의 초음속 비행을 허용하고자 음속 폭음을 줄이는 데 집중해왔다.^[53] 2016년, NASA는 저소음 SST 프로토타입 설계를 위한 계약을 체결했다고 발표했다.^[52] 설계팀은 록히드 마틴 항공이 이끌고 있다.^[52] NASA는 2019년에 저폭음 시연기를 비행할 예정이며, 기체 형상을 통해 2중 폭음에서 부드러운 둔탁한 소리로 줄여 지역 사회의 반응을 조사하고, 2020년대 초에 FAA 및 ICAO의 금지 해제를 지원할 것이다. 록히드 마틴 X-59 QueSST X-기는 콩코드의 105 PNLdB에 비해 마하 1.6~1.8, 80~100석 규모의 여객기의 충격파 특성을 75 PNLdB로 모방할 것이다.^[53]

2017년 10월 NBAA 컨벤션에서, NASA가 연구만 지원하는 가운데, 다양한 회사들이 엔진이 없고, 가변 최고 속도 및 운용 모델을 가진 항공기를 제안하기 위해 기술적인 과제에 직면했다:^[55]

붐 XB-1 베이비 붐 3분의 1 축소 시험기는 2024년 3월 22일에 처음 시험 비행했으며, 세 개의 제너럴 일렉트릭 J-85-15 터보제트 엔진으로 구동된다.^[56] 그러나 2024년 8월 26일 기준으로, 이 항공기는 아직 마하 1에 도달하지 못했으며 2025년을 목표로 하고 있다.
스파이크 S-512는 창문이 없는 객실에 22명의 승객을 태우고, 20lbf의 엔진을 사용하며, 거리에서 마하 1.6으로 물 위를 순항하는 것을 목표로 하는 자체 자금 조달 트윈 제트 설계이다.

모델	승객 수	순항 속도	항속 거리 (nmi)
붐 테크놀로지 오버처	55	마하 1.7^[57]	4nmi

2018년 10월, FAA의 재승인을 통해 초음속 수송에 대한 소음 기준이 계획되었으며, 개발자들에게 설계, 특히 엔진 선택에 대한 규제적 확실성을 제공했다. 미국 내 초음속 비행 시험 허가 및 항공기 소음 인증에 대한 규칙은 FAA에 의해 2019년 초에 제안될 예정이다.^[59]

2019년 6월, NASA의 조용한 초음속 계획과 X-59 QueSST에서 영감을 받아 록히드 마틴은 40명의 승객을 위한 마하 1.8의 횡태평양 여객기 컨셉인 ''조용한 초음속 기술 여객기''를 공개했다.^[61]

2019년, Exosonic, Inc는 마하 1.8로 비행할 수 있고 항속 거리가 5nmi인 70인승 초음속 제트기를 개발하는 것을 목표로 설립되었다. 이 회사는 2030년대에 제트기를 상용화할 계획이다.^[63]^[64] 2021년 4월, Exosonic은 에어포스 원으로 사용할 수 있는 초음속 제트기를 개발하는 계약을 체결했다.^[65]

2020년 8월, 버진 갤럭틱은 롤스-로이스와 함께 최대 19명의 승객을 태울 수 있는 마하 3 속도의 트윈 제트 삼각익 항공기 컨셉을 공개했다.^[66]^[67]

2024년 4월, 붐은 캘리포니아주 모하비에 있는 블랙 마운틴 초음속 회랑에서 XB-1의 마하 1 이상 테스트에 대한 FAA 라이센스를 받았다.^[69]

2016년 11월 15일, 미국 콜로라도주의 스타트업 기업인 Boom Technology가 초음속 여객기의 서브스케일 기술 실증기인 XB-1을 공개했다. 비행 속도는 콩코드를 능가하는 마하 2.2 (시속 약 2,716 km)로, 실용 여객기나 비즈니스 제트기로는 처음 2020년대 초의 운행 개시를 목표로 했다.

2017년에는 한때 콩코드의 도입을 계획하고 가발주도 했던 일본항공은 Boom Technology와 자본 제휴를 맺고, 20대의 우선 발주권을 확보할 예정이라고 발표했다. 2021년 6월에는 유나이티드 항공도 Boom사의 여객기 「오버처」를 발주했다고 보도되었다.

2019년, 보잉이 12인승 초음속 비즈니스 제트 「아에리온 AS2」를 개발하는 아에리온 코퍼레이션에 출자한다고 발표했다.

2023년 1월, 붐 테크놀로지는 노스캐롤라이나주의 피에드몬트 트라이어드 국제공항에 있는 62acre 부지에 최첨단 제조 시설인 붐 오버추어 슈퍼 팩토리 건설을 시작했다.

5. 3. 극초음속 수송

극초음속 수송은 마하 5 이상의 매우 빠른 속도로 비행하여 세계 어디든 한두 시간 안에 이동하는 것을 목표로 한다. 이러한 극초음속 항공기 개발에는 여러 기술적, 경제적 어려움이 따르지만, 다양한 추진 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

일반적인 터보 제트 엔진과 램제트 엔진은 마하 5.5까지 효율적이지만, 그 이상의 속도를 위해서는 로켓, 스크램제트, 펄스 데토네이션 엔진 등이 고려된다. 로켓 엔진은 기술적으로 실용적이나, 많은 양의 추진제를 사용하며, 마하 8과 궤도 속도 사이에서 가장 잘 작동한다.

예냉 제트 엔진은 매우 빠른 속도에서 공기를 냉각시키는 열교환기를 갖춘 제트 엔진으로, 마하 5.5까지 실용적이고 효율적일 수 있다. 유럽과 일본에서 이 분야의 연구가 진행 중이다. 영국 회사 Reaction Engines Limited는 EU 자금 지원을 받아 ''LAPCAT'' 연구 프로그램을 통해 A2 수소 연료 비행기 설계를 연구했다.^[71]

독일 항공우주 센터, ONERA 등 여러 기관이 참여하는 EU 연구 프로그램인 STRATOFLY MR3는 30,000m 이상의 고도에서 약 10,000km/h (마하 8)로 비행하는 극저온 연료 300인승 여객기 개발을 목표로 한다.^[73]^[74]

Destinus, Hermeus, Venus Aerospace 등의 기업들도 극초음속 여객기 개발에 참여하고 있다.^[75]^[76]^[77]^[78]

보잉사(Boeing)는 AIAA 2018 컨퍼런스에서 마하 6 여객기 컨셉을 공개했다.^[79] 이 여객기는 대서양을 2시간, 태평양을 3시간 만에 횡단하여 당일 왕복 항공편을 가능하게 하고, 항공사의 자산 활용률을 높일 수 있다. 티타늄 동체를 사용하며, 보잉 737보다 작지만 장거리 비즈니스 제트보다는 큰 수용 능력을 가질 것이다. 터보램제트로 구동되며, Reaction Engines에서 개발한 열교환기와 같은 고급 냉각 기술이 필요하다.^[79]

최근에는 초음속 비행 시 발생하는 소닉 붐을 줄이기 위한 연구도 진행되고 있다. NASA는 록히드 마틴과 X-59 실험기를 공동 개발하여 2022년 내에 첫 비행을 할 예정이다.

우주항공연구개발기구 (JAXA)는 액체 수소를 연료로 하는 터보제트 엔진에 고온 공기를 냉각하는 기구를 추가한 '예냉 터보제트 엔진' 연구를 진행하고 있다. JAXA는 2021년 6월, IHI 등과 함께 초음속 여객기 연구 개발 협의회인 「재팬 슈퍼소닉 리서치」를 발족했다고 발표했다.

이처럼 극초음속 항공 기술은 미래 항공 우주 산업의 핵심 기술이 될 것으로 전망되며, 한국도 장기적인 관점에서 관련 기술 개발에 투자해야 한다.

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