초음속 비행기 슝~...공기가 비닐처럼 휘는 ‘쇼크웨이브’ 포착 [NASA]

항공기의 초음속 비행에서 발생하는 ‘쇼크웨이브’(Shockwave, 이하 충격파)를 선명하고 상세하게 두 눈으로 확인할 수 있는 사진이 공개돼 눈길을 끌고 있다.

영국 일간 데일리메일은 25일(현지시간) 미 항공우주국(NASA)이 최근 공개한 충격파사진을 소개했다. 이 사진은 1864년 독일 물리학자 어거스트 토플러가 개발한 촬영법인 ‘슐리렌법’(schlieren method)을 응용·발전시켜 만든 기술로 촬영한 것이다.

슐리렌법은 본래 공기의 밀도 등에 따라 달라지는 빛의 굴절률(refractive index)을 가시적으로 확인할 수 있도록 해주는 촬영법이다.

NASA에서는 그동안 이 슐리렌법을 개선한 ‘배경 지향 슐리렌’(background oriented schlieren, 이하 BOS) 촬영법을 통해 연구를 진행해왔다. 본래 BOS는 풍동(인공적인 바람을 발생시키는 터널형태의 실험장치)과 모형비행기를 이용한 소규모 공기역학 실험에만 주로 사용됐다.

그러던 NASA는 2011년 4월 처음으로 ‘AirBOS 1’ 이라는 이름의 프로젝트를 통해 실제 항공기의 초음속 비행 순간을 BOS로 촬영하는 실험을 시작했다.

이 실험에는 두 대의 항공기가 동원된다. 먼저 촬영용 항공기가 지상과 수평으로 비행하며 비행장소의 모습을 사전촬영하게 된다. 그 뒤에는 초음속 항공기가 해당 위치를 비행하고 이때 다시 촬영 항공기가 이 모습을 촬영한다.

두 번의 촬영에서 찍힌 사진들을 겹쳐 비교해 보면 초음속비행으로 인해 빛이 굴절된 부분이 두드러지게 된다. 이미지 처리 소프트웨어를 통해 이 굴절 부분을 보다 명확히 하고 배경 이미지를 삭제하면 공기 굴절이 선명히 드러나는 것이다.

이 실험을 통해 AirBOS 방식의 가능성을 확인한 NASA는 올해 2월 후속 실험인 ‘AirBOS 3’ 프로젝트를 진행해 이번에 공개된 충격파 사진을 촬영할 수 있었다.

프로젝트 핵심 책임자 댄 뱅크스는 “AirBOS 촬영은 충격파의 구조와 특성을 높은 해상도로 확인할 수 있는 중요한 기술”이라며 “풍동에서는 구현 불가능한 온도와 습도를 지닌 실제 대기 속에서 발생하는 충격파의 구조를 연구할 수 있게 해준다”고 설명했다.

이러한 사진들은 향후 초음속 항공기 연구에 큰 도움을 줄 전망이다. NASA 과학자들에 따르면 초음속 상용기 개발에 있어 가장 큰 과제 중 하나는 바로 음속돌파 시점에 발생하는 소음인 '소닉붐'의 축소다. 이들은 AirBOS 이미지가 현존 공기역학 기술의 진단 및 개선에 기여, 소닉붐 문제 해결 등에 일조하길 바란다고 밝혔다.

사진=ⓒNASA

방승언 기자 earny@seoul.co.kr