비행기들이 무모하게 추월하거나 경주하는 사례가 없는 이유는 무엇일까요?

항공 업계에서는 기술 표준이나 안전 한계를 벗어난 항공기 비행은 엄격히 금지되어 있으며, 이는 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다.

5월 14일, 하늘에 비행기 세 대가 동시에 나타나는 영상이 소셜 미디어에서 큰 화제를 모았습니다. 이 영상은 스프링 항공(Spring Airlines) 항공편에 탑승했던 승객이 더우인(Douyin)에 게시한 것입니다.

설명에서 그 사람은 아래쪽 비행기는 청두항공 소속이고, 그 비행기를 추월하는 저공비행 비행기는 산둥항공 소속이라고 밝혔는데, 산둥항공은 "번개항공" 또는 "산둥 스피드"라는 별명으로 유명한 항공사입니다.

하지만 이 항공사의 '산둥 익스프레스'라는 현상은 속도에서 비롯된 것이 아닙니다. 엄격한 항공 규정 때문에 조종사들이 제한 속도를 넘어서 비행하는 것은 거의 불가능합니다.

공기역학적 기초

상업용 항공기가 공중에서 임의로 속도를 높일 수 없는 절대적인 이유는 유체 역학의 법칙, 특히 고고도에서 음속에 근접하는 기류의 거동에 기인합니다.

산둥항공이 청두항공을 추월하며 세 대의 비행기가 동시에 하늘에 나타나는 모습이 담긴 영상이 소셜 미디어에서 화제가 되고 있다. (사진 출처: 더우인)

소형 협동체 항공기부터 대형 광동체 항공기에 이르기까지 현대의 상업용 항공기는 일반적으로 아음속 모드로 운항하며, 최적의 재순환 속도 범위는 마하 0.78에서 마하 0.85(공기 중 음속의 78~85%)입니다.

항공기의 실제 속도는 마하수로 측정되며, 마하수는 동일한 주변 유체 매질에서 물체의 속도와 음속의 비율로 정의됩니다.

항공기 자체는 음속보다 느린 속도(마하 1 미만)로 움직이지만, 날개 윗면의 곡선형 디자인은 그 위를 흐르는 공기 흐름을 국부적으로 가속시켜 베르누이 원리에 따라 양력을 발생시킵니다.

조종사가 다른 항공기를 추월하거나 "경주"를 하기 위해 의도적으로 스로틀을 최대 마하수 이상으로 밀어붙이면 극단적인 물리적 현상이 발생합니다.

그 순간, 급격한 압력과 온도의 경계인 충격파가 형성되어 공기 흐름에 심각한 교란을 일으킵니다. 그 직접적인 결과는 경계면 박리인데, 공기 흐름이 더 이상 날개의 공기역학적 표면에 밀착되지 않고 그 뒤쪽에서 찢어지면서 난류 와류를 생성하는 현상입니다.

고고도에서 운항하는 상업용 항공기는 공기 저항의 제약 외에도 항공우주 과학자들이 '관짝 코너'라고 부르는 극도로 비좁은 운항 공간에 직면합니다.

관짝 각도는 항공기가 충분히 빠른 속도와 높은 고도로 비행하여 날개 윗면과 아랫면의 압력이 같아지기 시작하고, 이로 인해 양력이 점차 사라질 때 발생합니다.

항공기가 고도를 높일수록 공기 분자 수가 줄어들어 공기가 희박해지지만, 날개 면적은 변하지 않습니다. 따라서 항공기는 날개에 필요한 양력을 발생시키기 위해 더 빠른 속도로 비행해야 합니다.

항공기가 너무 느리게 움직이면 지구의 중력이나 구심력과 같은 작용하는 힘을 상쇄할 만큼 충분한 양력을 얻지 못해 추락하게 됩니다. 양력이 중력보다 작아지면 항공기는 실속 현상을 겪게 되는데, 이는 공중에서 보이지 않는 살인자입니다.

이 그림은 관 코너의 개념을 묘사하고 있습니다. 사진: 파일럿몰.

하지만 관 뚜껑 부근에서 고속으로 비행할 경우 항공기는 아음속 마하수에 도달하게 됩니다. 날개 위를 흐르는 공기 흐름은 음속에 가깝거나 그 이상의 속도에 도달하지만, 항공기는 여전히 음속보다 낮은 속도로 움직이고 있습니다.

지나치게 빠른 속도에서는 공기 흐름이 날개 표면과 충돌하여 발생하는 충격파가 항공기 기수를 지면으로 밀어내는 경향이 있습니다.

이 때문에 관 모서리 부근을 비행하는 것은 마치 눈가리개를 하고 외줄타기를 하는 것과 같습니다. 속도나 고도의 작은 변화도 양력 손실이나 과속으로 이어질 수 있으며, 둘 다 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다.

경제 문제

안전 및 물리적 제약이 없더라도 상용 항공기의 "속도 경쟁"은 항공 경제의 근본적인 구조에 의해 제약을 받을 것입니다.

1957년, 최초의 보잉 707이 비행에 성공했습니다. 당시 순항 속도는 마하 0.78이었습니다. 2009년, 보잉은 787 드림라이너를 출시했습니다. 이 항공기의 순항 속도는 마하 0.85입니다.

52년의 간격을 두고 제작된 두 대의 항공기가 겨우 8% 더 빠를 뿐입니다. 과학 기술이 이처럼 놀랍게 발전했는데도 왜 비행기는 더 빨리 날지 못하는 걸까요?

그 이유는 항공 운송 산업이 수익률이 극히 낮은 분야 중 하나이기 때문입니다. 연료비는 항공사의 총 직접 운영 비용에서 가장 큰 비중을 차지하며 변동성 또한 가장 큽니다.

현재까지 콩코드는 상업적으로 운항되는 항공기 중 유일하게 초음속을 달성한 기종입니다. 마하 2.02의 속도로 비행할 수 있어 뉴욕에서 런던까지 약 3시간 30분 만에 이동할 수 있었습니다.

인상적인 숫자이지만, 실제로 운항에 투입된 콩코드 여객기는 단 14대뿐이며, 영국항공과 에어프랑스, 두 항공사의 두 노선에서만 운항되었습니다. 콩코드의 첫 상업 비행은 1976년에 이루어졌고, 마지막 비행은 2003년에 종료되었습니다.

현재까지 콩코드는 초음속을 달성한 유일한 상업용 항공기입니다. 사진: CNN.

초음속 비행을 위해서는 항공기가 매우 공기역학적이어야 하므로 기체가 좁아야 하고, 이는 승객 수를 제한하게 됩니다. 따라서 콩코드는 약 100명의 승객만 태울 수 있었는데, 이는 보잉 787-10이 태울 수 있는 330명에 비하면 매우 적은 수입니다.

게다가 상대적으로 적은 수의 승객에게 분산되는 높은 운영 비용은 경제적으로 지속 가능한 모델이 아니었습니다. 1990년대 후반에는 콩코드 편도 티켓 가격이 6,000달러 에 달했는데, 이는 일반 여객기 티켓보다 훨씬 비싼 가격이었습니다.

항공사들은 속도보다는 항공편 운항에서 발생하는 수익을 기반으로 운영됩니다. 따라서 현재 상업 항공 기술은 오로지 효율성 증대에만 초점을 맞추고 있습니다.

보잉 707과 보잉 787을 예로 들어보겠습니다. 두 기종 모두 순항 속도는 비슷하지만, 보잉 787이 훨씬 더 비용 효율적인 선택입니다.

구체적으로, 보잉 787은 시간당 약 5톤의 연료만 소모하면서 약 140명의 승객을 더 수송할 수 있습니다. 비교하자면, 보잉 707은 시간당 약 6.8톤의 연료를 소모합니다. 최신 항공기는 최소한의 연료비와 운영비로 최대한 많은 승객을 목적지까지 수송하는 데 중점을 두고 있습니다.

항공기는 높은 효율을 달성하기 위해 충분히 빠른 속도로 비행해야 하지만, 항력과 연료 소모로 인해 수익이 감소해서는 안 됩니다. 따라서 오늘날 상업용 항공기의 비행 속도는 본질적으로 효율과 수익 사이의 최적 속도입니다.

출처: https://znews.vn/vi-sao-khong-co-chuyen-may-bay-vuot-au-dua-toc-do-post1652089.html