여객기의 최고 속도는 약 70년간 바뀌지 않았다!?

 여객기의 최고 속도는 약 70년간 바뀌지 않았다!?

여객기는 하늘을 종횡무진하며 인간과 세계를 이어주는 존재로 현대 사회에 없어서는 안될 존재입니다. 코로나의 영향으로 여객수요는 급감한 상태이지만 여전히 화물 운송이란 측면에서 항공 운송의 중요성은 조금도 낮아지지 않았습니다. 이처럼 여객기는 매우 편리하고 빠른 이동 수단이지만, 그 역사를 감안하면 조금 이상한 점이 있습니다. 여객기에 대해 잘 알려지지 않은, 의외의 사실 중 하나가 여객기의 속도는 1952년 이래로 거의 변함이 없다는 점입니다. 

1952년 최초로 취항한 여객기의 최대 시속은 950km였으며, 1958년에 등장한 보잉707의 최고 속도도 965km였습니다. 그리고 맹렬한 속도로 과학의 진보가 이루어지고 있는 오늘날에도, 저 하늘의 여객기는 변함없이 약 시속 950km로 날아다닙니다. 대체 왜 하필 시속 950km일까요? 우리는 그 이상의 속력으로는 날아다닐 수 없는 걸까요? 전세계 항공 우주 관련 과학자들이나 엔지니어들이 멍청한데다 연구개발을 게을리 해서 그럴까요?

그 범인은 대기 중의 분자입니다. 비행기는 양력을 발생시키면서 시속 수백 km의 속도로 앞으로 나아갈 때, 기체의 날개의 위쪽과 아래쪽에는 각기 다른 공기 흐름이 발생합니다. 날개 하단에는 기압이 높은 영역이, 날개 상단에는 기압이 낮은 영역이 생겨나는 것이죠. 여기에서 중요한 것은, 낮은 기압하에서는 기류가 흐르는 속도가 빨라진다는 것입니다. 즉, 여객기는 음속의 3/4 정도의 속도로 전진합니다만 날개 상단 영역의 공기 분자는 음속보다도 빠른 속도로 흐릅니다. 

그런데 이렇게 선행하는 분자는 매우 빠르게 움직이지만 후속 분자는 그렇지 못하다는 것이 문제였습니다. 대기 중의 분자는 균일 상태로 돌아가려는 성질을 가지고 있기 때문에, 음속에 도달한 선행 대기 분자는 주위의 분자에 맞춰 속도를 떨어뜨리게 됩니다. 바로 이 음속과 음속 이하의 속도를 경계로 발생하는 기압차 때문에 국소적인 충격파가 발생하는 것이죠. 이 충격파의 후방에는 공기가 퍼져 흐르게 되는데, 그 확산 과정에서 기체의 양력과 추력이 에너지로서 소모되고 맙니다. 

이를 유식한 말로 조파저항(Wave drag)이라고 하는데, 이 조파저항 때문에 기체의 속도가 떨어지기 때문에 같은 속도를 유지하기 위해서는 대량의 에너지와 연료를 소모하게 됩니다. 고도 10km 상공을 기준으로, 이 조파저항은 시속 850km에서 1300km에 한층 커지고, 음속에서 도달하면 최대가 됩니다. 즉, 경제적 효율성을 고려하여 여객기는 조파 저항을 일으키지 않는 범위의 속도로 항해하게 되며 결국 여객기의 최고 속도는 1950년대와 다름없이 시속 800~950km 정도로 제한되고 마는 것이죠. 

다만, 이 법칙에는 허점이 있습니다. 기체의 속도가 시속 1,300km를 돌파하게 되면 기체 주변에 흐르는 기류도 안정되기에 조파 저항을 우려할 필요가 없어지기 때문입니다. 1960년대 후반 등장했던 콩코드(Concorde)는 바로 이 점을 활용한 것이었습니다. 콩코드는 음속의 2배 속도로 비행할 수가 있었으며 세계에서 가장 빠른 여객기의 대표주자였죠. 그러나 슬프게도 모든 장애물이 극복된 것은 아니었습니다. 콩코드는 너무 빨라서 공기 저항과 마찰열이 클 수 밖에 없었고, 이 때문에 발생하는 항력(抗力)을 상쇄시키기 위해 막대한 연료 소모를 필요로 했습니다.

콩코드가 대서양을 넘는데 필요한 연료는 승객 1인당 약 1톤 정도였으며, 대서양 왕복항공권의 최고 가격을 현재 가격으로 환산하면 무려 5천 달러에 해당하는 수준이었습니다. 뿐만 아니라 엄청난 소음과 배기가스를 방출한다는 문제도 있었기 때문에 결국 콩코드는 실패로 끝났고, 여객기의 최대시속은 950km로 되돌아오고 말았던 것입니다. 결국 조파저항을 극복하는, 보다 효율적인 수단이 강구되지 않는 이상 앞으로도 여객기의 최대 속도는 950km로 고정될 것이라고 예측되고 있습니다. 

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