마하1 속도

마하 1 속도: 음속의 벽을 돌파한 인간의 도전

마하(Mach)는 물체의 속도를 소리의 속도에 대비하여 나타내는 단위입니다. 그중에서도 마하 1(Mach 1)은 소리의 속도와 정확히 같은 속도를 의미하며, 이는 인류가 오랫동안 도전해온 음속의 벽을 넘어서는 중요한 개념입니다. 마하라는 용어는 오스트리아의 물리학자 에른스트 마하(Ernst Mach)의 이름에서 따왔습니다. 마하 1은 단순히 빠른 속도를 넘어, 항공 역학적으로 중대한 의미를 지닙니다. 이 글에서는 마하 1의 정확한 개념부터, 음속의 벽이 무엇인지, 그리고 이를 넘어서는 과정에서 발생하는 현상과 과학적 원리까지 자세히 알아보겠습니다.

마하 1이란 무엇인가?

마하 1은 음속(소리의 속도)과 같은 속도를 뜻합니다. 하지만 소리의 속도는 고정된 값이 아닙니다. 소리는 공기를 매질로 하여 전달되므로, 공기의 온도, 밀도, 습도 등에 따라 속도가 달라집니다. 따라서 마하 1은 특정 조건에 따라 그 값이 변하는 상대적인 속도 단위입니다.

지표면에서의 속도: 해수면 고도에서 기온 15°C일 때 소리의 속도는 약 340m/s, 즉 시속 약 1,224km입니다. 따라서 이 조건에서의 마하 1은 시속 1,224km가 됩니다.
고고도에서의 속도: 고도가 높아질수록 기온과 공기 밀도가 낮아져 소리의 속도는 느려집니다. 예를 들어, 성층권의 고도에서는 소리의 속도가 시속 약 1,062km로 감소합니다.

이처럼 마하 1은 절대적인 값이 아니라 그 순간의 소리 속도에 비례하는 값이라는 점을 이해하는 것이 중요합니다.

음속의 벽 (Sound Barrier)

'음속의 벽'은 항공 기술 초기에 비행기가 음속에 근접하거나 초과할 때 발생하는 급격한 저항과 불안정성을 일컫는 용어입니다. 비행기가 음속에 도달하기 전까지는 공기의 흐름이 비행기 주변을 부드럽게 감싸고 흐릅니다. 하지만 비행기의 속도가 음속에 가까워지면, 비행기 앞부분에서 발생한 압력파가 뒤로 전달되지 못하고 쌓이게 됩니다.

천음속 영역 (Transonic Region): 마하 0.8에서 마하 1.2 사이의 속도에서는 비행기 주변의 공기 흐름이 국소적으로 음속을 초과하는 현상이 발생합니다. 이로 인해 비행기 표면에 충격파가 형성되고, 이는 심한 진동과 양력 상실을 일으켜 조종이 극도로 불안정해집니다. 이 때문에 과거에는 이 속도 영역을 넘어서는 것이 거의 불가능하다고 여겨졌습니다.
최초의 음속 돌파: 1947년 10월 14일, 미국의 파일럿 척 예거(Chuck Yeager)가 '벨 X-1' 로켓 비행기를 타고 인류 최초로 음속의 벽을 돌파하는 데 성공했습니다. 이 사건은 항공 기술의 역사에 중대한 이정표를 남겼습니다.

초음속 비행과 소닉 붐 (Sonic Boom)

음속의 벽을 넘어서는 초음속 비행이 가능해지면서, 또 다른 흥미로운 현상인 소닉 붐(Sonic Boom)이 발생합니다.

소닉 붐의 원리

비행기가 음속을 초과하면, 비행기 앞부분에서 발생한 충격파가 원뿔 모양의 파형을 형성합니다. 이 충격파는 압축된 공기가 급격히 팽창하면서 발생하는 에너지로, 지상의 관측자에게는 마치 거대한 천둥 소리나 폭발음처럼 들립니다. 이 소닉 붐은 비행기가 음속에 도달할 때 한 번만 발생하는 것이 아니라, 초음속으로 비행하는 동안 계속해서 뒤로 퍼져나갑니다.

소닉 붐의 특징

소닉 붐은 비행기의 속도, 고도, 크기 등에 따라 소리의 크기와 형태가 달라집니다. 소리가 지면에 도달하는 데 걸리는 시간과 위치도 달라지므로, 비행기가 지나간 후 수십 초 뒤에 소리가 들리기도 합니다. 소닉 붐은 비행기 자체에서 발생하는 소리가 아니므로, 초음속 비행을 하는 비행기 뒤를 따라가면 소닉 붐을 들을 수 없습니다.

마하 1을 넘는 항공기들

오늘날에는 음속의 벽을 돌파하는 것이 더 이상 불가능한 일이 아닙니다. 군용 전투기를 비롯하여 일부 민간 항공기들도 초음속 비행이 가능합니다.

초음속 전투기: F-16, F-22, F-35와 같은 현대의 전투기들은 대부분 마하 2.0 이상의 속도를 낼 수 있습니다. 이들은 초음속 비행 시 발생하는 충격파를 견딜 수 있도록 특수하게 설계되었습니다.
초음속 여객기: 과거에는 '콩코드'와 '투폴레프 Tu-144'와 같은 초음속 여객기가 운항되기도 했습니다. 이들은 파리에서 뉴욕까지의 비행 시간을 3시간대로 단축시켰지만, 높은 연료비와 소음 문제(소닉 붐)로 인해 상업성이 떨어져 현재는 운항되지 않고 있습니다.
미래의 초음속 항공기: 소닉 붐을 줄이거나 없애는 기술이 연구되고 있으며, 미래에는 다시 초음속 여객기가 상용화될 가능성이 있습니다.