1. 공력음향학 용어
1.1. 개요
소닉 붐(sonic boom) 또는 음속 폭음(音速爆音)은 초음속으로 비행하는 항공기가 만드는 충격파 때문에 지상에서 굉음을 듣는 현상이다.1.2. 원리
항공기가 공기 중을 비행할때 공기를 밀어내면서 압력 파면을 만들게 되는데, 이 압력파(pressure wave)는 공기 중 소리의 속도(음속)로 이동하게 된다. 이 때, 항공기의 속도가 공기 중 음속의 속도보다 빨라지게 되면, 압력파가 항공기보다 느리게 전파되면서 압력파가 발산되지 못하고 항공기 전면에 압축되게 되고 따라서 하나의 충격파면(shock wave front)으로 합쳐진다. 이 유체압력에 의한 충격파가 사람의 귀에는 강한 충격음(boom)으로 들리게 되고 이것을 소닉붐이라고 한다. 소닉붐은 강한 에너지를 가지고 있으므로 유리창이 깨지는 등의 아주 큰 손상을 입힐 수 있다.왼쪽부터 아음속, 천음속, 초음속의 순서다. 소닉붐의 원리를 보면 알 수 있듯이, 소닉붐은 항공기가 초음속을 돌파하는 순간에만 발생하는 것이 아니라 항공기가 초음속으로 비행하는 동안 계속 발생한다. 그 충격파면이 항공기를 따라 계속 이동하므로 지상의 한 지점에서는 충격파면이 지나가는 순간에만 들리는 것일 뿐이다. 초음속 비행에 의한 충격파는 아래 그림처럼 고깔모양으로 퍼져나가며 이 충격파면이 관측자에게 닿는 순간 꽝 하는 파열음이 들린다. 항공기가 관측자를 지나치기 전까지는 아무런 소리도 들을 수 없다.
소닉붐이 초음속 돌파시에만 발생한다는 오해는 '소리장벽(sound barrier)'이라는 비슷한 용어에서 비롯되었다. 본래 소리장벽은 음속을 돌파하는 순간 공기의 특성이 비압축성 유체로 바뀌며 마치 장벽이 가로막는 것 처럼 큰 항력이 발생하기 때문에 붙은 말인데 초음속 비행과 관련하여 이 말이 매체 등에서 흔하게 사용되면서 소닉붐의 개념과 뒤섞여 인식되었다.[1]
소닉붐은 그 강한 에너지로 인해 항공기가 10km 이상 높은 고도로 비행하여도 지상에까지 그 굉음이 전달된다. 소닉붐은 '쾅 쾅'하는 2차례의 연속된 단발음이며[2] 항공기 비행시 연속적으로 들리는 긴 굉음은 소닉붐이 아니라 제트엔진의 엔진소음이다.
왜 폭발하는 듯한 소리로 들리는지 이해하기 힘들다면 이렇게 생각해보자. 기차선로가 있고 청취자는 바로 옆에 서 있는 상황이다. 이때 멀리서부터 기차가 천천히 다가오고 있다면 칙칙폭폭하는 소리가 작게 들리기 시작한다. 이 소리는 점점 커지다가 청취자의 옆을 지날때 최고음량으로 들릴 것이고 그 이후 점점 작아지다가 안 들리게 될 것이다. 이것이 일상의 상식이다. 하지만 기차가 초음속으로 달린다면 얘기는 달라진다. 기차가 초음속으로 달리고 있다. 멀리서 기차가 다가오는 모습은 보인다. 기차소리가 작게라도 들려야 할 것 같지만 좀 전과 달리 아무 소리도 들리지 않는다. 기차가 소리보다 빠르기 때문에 멀리서 낸 소음이 아직 청취자에게 도착하지 않았기 때문이다. 기차가 점점 가까워지지만 청취자는 마찬가지로 아무 소리도 들을 수 없다. 그리고 기차는 청취자의 옆을 지나간다. 이때 발생된 소음은 청취자의 바로 옆에서 발생된 소음이기 때문에 멀리서부터 발생된 소음보다도 먼저 청취자에게 전달된다. 결국 청취자는 기차의 소음이 점점 고조되며 들리는 과정없이 처음부터 바로 옆에서 발생된 소음을 듣게 되니 "콰앙!"하는 폭발음처럼 들리는 것이다.
1.3. 충격파
보통 소닉붐이 생길 정도로 강한 압력 변화가 생기면 아래의 그림과 같이 충격파가 생긴다. 물론 맨눈으로 이런 광경을 보기는 극히 어렵고(운이 좋으면 볼 수 있긴 한데 워낙 빨리 지나가서...) 보통은 사진촬영, 특히 공기밀도가 차이가 나서 굴절이 생기는 부분을 집중적으로 강조하는 촬영기법을 사용하여 충격파의 위치를 육안으로 확인할 수 있다. [3]첫 번째와 두 번째 사진은 총알에 의한 충격파를 촬영한 것이고 마지막 사진은 T-38 Talon 훈련기가 만드는 충격파를 촬영한 것이다. 참고로 이런걸 슐리렌 사진이라고 하는데 유동의 밀도변화에 의한 광 굴절의 원리를 이용하여 유동의 정성적인 특성을 분석하는 방법이다. 사진에 찍힌 것처럼 총알에서도 소닉붐이 발생할 수 있는데, 보통 전쟁 영화나 실전 상황을 다룬 헤드캠 영상에서 총알이 날아다니며 내는 날카로운 핑 소리나 팝콘 터지듯이 딱 딱 나는 소리가 바로 총알의 소닉붐 소리다. 곡사포 사격시에도 날아가는 에너지가 크기 때문에 멀리서도 소닉붐 소리를 들을 수 있다.
1.4. 굉음과 소동
이 소닉붐 현상 때문에 민간 항공기건, 군용 항공기건 평시에는 사람이 사는 육상지역에서는 초음속 비행이 금지되어 있다. 사실 바다로 나가서도 먼 바다에서나 가능하다. 높은 고도로 날아도 지상에까지 굉음이 전달되기 때문이다. 미 해군이 F-4 개발 당시 동부 체사피크 만 근해에서 소닉붐이 터져서 해안가 동네 유리창들이 박살났다고 알레이 버크 해군참모총장이 직접 범인을 갈궜던 사연이 전해진다.한국에서는 2009년 경에 주한 미군 소속 전투기 한 대가 규정을 어기고 전주지역에서 초음속 비행을 한 탓에 굉음이 발생, 지역 주민을 놀라게 한 사례도 있다.[4] 대전광역시에서 관측된 2012년 1월 4일 7시 15분쯤 발생한 굉음은 소닉붐 때문으로 밝혀진데 이어[5], 2013년 3월 13일에 다시 소닉붐으로 인한 소음이 들려 시민불안이 가중됐다는 기사가 보도됐다. 2014년 건너뛰고 2015년 1월 21일 또 대전 전역에서 펑(...)
2016년 11월 9일 또 전주에서 주한 미군 소속 전투기 한 대가 규정을 어기고 초음속 비행을 한 탓에 굉음이 발생하여 주민들을 놀라게 했다. 보도
1.5. 여담
콩코드 여객기의 소닉붐이 담긴 영상.[6] 콩코드 여객기가 비효율적인 항공기가 된 원인 중 하나도 소닉붐 현상 때문. 이 항공기는 초음속 비행에 초점을 맞춰 설계하였기 때문에, 초음속으로 비행하는 편이 효율이 더 좋다. 그러나 공항에서 이륙하여 해상으로 나가기 전 까지는 초음속으로 비행할 수 없으므로 항로 설정에 제약이 따르거나, 아니면 비효율적인 비행을 감안하고 항로를 설정해야 했다. 이러한 점 때문에 항공업계에서는 소닉붐을 줄이는 항공기 형상도 연구되고 있다.
- 소닉붐은 가끔씩 심리전 병기로도 사용되는데, 상술한 2003년 3월 F-16 파이팅 팰콘 1대가 이라크에서 이 소닉붐을 이용해 SAS 대원 52명을 구사일생으로 살린 것으로도 유명하다. 그날 영국 특수부대 SAS에서 임무를 끝마치고 돌아가던 와중, 현지 무장세력 500여 명의 매복에 제대로 걸렸는데, 다급하게 지원을 요청한 결과 에드 린치(Ed Lynch) 중령과 동료가 타고 있던 F-16 2대가 전투지 상공으로 급파되었다. 허나, 야간투시경을 사용하고도 에드 린치 중령은 무장세력에 대한 공격 진입 코스는커녕 대원들의 위치 파악조차 불가능했다.[7] 결국 아군 오사를 염려한 린치 중령의 선택은 바로 소닉붐을 동반한 위압비행. 결국 소닉붐을 일으키자 현지 무장세력들은 달아나기 시작했고, 그에 따라 SAS도 무사히 귀환했다고.[8][9] 영화 13시간에서는 이런 효과를 목적으로 저공비행을 요청하지만 묵살당한다.
- 지금은 모두 퇴역했지만 우주왕복선도 대기권 재진입 과정에서 소닉붐을 일으키는 경우도 많았다.
- 로켓의 발사와 착륙을 실시간 중계하는 스페이스X의 팰컨 로켓도 1단로켓이 착륙을 위해 대기권에 재진입해 착륙장에 접근할 때 소닉붐이 선명하게 들린다. 해상 바지선 착륙시에는 소리를 제공하지 않지만 케네디 우주센터의 지상 착륙장에 착륙할때는 소리를 선명하게 들을 수 있다. #
- 소음기의 효과를 제대로 보기 위해서 아음속탄을 써야 하는 이유이기도 하다. 대부분의 총알은 음속을 넘는 속도로 날아가기 때문에 소음기를 써도 소닉붐으로 인해 큰 소음이 나며 파공음 때문에 총알이 스쳐 지나갔다는 것을 바로 인지할 수 있기 때문이다.
- 채찍을 스냅을 주어 물체에 부딪히지 않고도 허공에서 쫘악하는 파열음을 낼 수 있는데 이 역시 채찍 끝 부분의 속도가 순간적으로 음속을 넘어 생기는 소닉붐 현상이다. (참조, 참조2)
- Mythbusters에서 소닉 붐을 이용해 유리를 깨는 실험을 한 결과 진짜로 유리를 깨버린 에피소드가 있다.[10]
- 체렌코프 현상은 소닉붐 현상과 관련이 없지만, 그 원리가 하전입자가 유전체 속을 통과할 때, 이 입자의 속도가 유전체 안의 빛의 위상 속도보다 빠르면 하전입자가 청백색의 빛을 낸다는 것이어서 광학적 소닉붐으로 비유할 수 있다.
- 구글에서 'Sonic Boom'을 검색하면 가장 많이 나오는 사진. 그러나 이건 소닉붐이 아니라 수증기 응축현상이다. 자세한 내용은 해당 문서 참조. 사진이 찍혔다는 것은 육상이거나, 혹은 육지에서 매우 가까운 해상이란 의미이므로 해당 항공기가 만약 음속을 넘었었다면 이는 엄연한 불법이다.[11]
2. 기타 용례
2.1. 게임
- 소닉 더 헤지혹 시리즈
- 소닉 더 헤지혹 시리즈의 사이드 프랜차이즈: 소닉 붐 시리즈
- 소닉 더 헤지혹 CD의 북미판 오프닝 / 엔딩 곡: 오프닝과 엔딩 모두 곡 이름은 'Sonic Boom'이다.
- 소닉 프론티어에서 소닉의 배틀 스킬: 소닉 붐
2.2. 노래
2.3. 스포츠
2.4. 영국의 뮤지션
본명은 피트 켐버. 80년대 영국 록 밴드 스페이스맨 3를 제이슨 피어스와 함께 이끌었다. 제이슨과 갈라지며 밴드가 해체된 이후에는 '스펙트럼'이라는 명의로 활동하고 있는데 언더그라운드 쪽으로 파고드는 바람에 듣보잡화 되었다. 2010년 MGMT 2집을 프로듀싱해 다시 주목받고 있다.[1] 가속하여 마하1을 돌파하기 전에 항공기에 작용하는 항력이 급격히 늘어나게 되는데 이때 생기는 항력을 조파항력이라고 한다. 하지만 조파항력의 경우엔 마하 1을 지나면 빠른 속도로 줄어든다. 과거 음속돌파 이전의 항공기들은 이 조파항력을 이겨내고 마하 1로 비행할만한 추력의 발동기와 동체를 가지지 못했다.[2] 항공기 전면, 후면의 충격파가 연속으로 전달[3] http://youtu.be/gWGLAAYdbbc에서 충격파를 촬영한 장면을 볼 수 있다. 2분 20초 경에 나온다. 설명에 따르면, 2010년 2월 11일 케네디 우주센터에서 촬영한 장면이다.[4] 이 당시 굉음의 원인이 소닉붐이라는 사실이 알려지지 않아서 온갖 억측과 루머가 난무했다. 거기에다가 하필이면 문제의 굉음이 발생한 그 날짜가 4월 1일이라 혹시 만우절 장난이 아니냐는 말까지 나왔다.[5] 공군에 따르면 4일 오후 7시께 대전 인근에서 모의훈련을 하던 KF-16 전투기 편대 2대 중 1대가 수 초간 음속을 돌파해 비행했다고 한다. 조종사 지못미(..)[6] 다만 이 영상을 올린 사람이 '음벽(sound barrier) 돌파 장면'이라고 적어놓았는데, 이것은 소닉붐이 초음속을 돌파할때만 발생하는 것으로 잘못 생각하여 적은 것이다. 실제로는 계속 초음속 비행 중인 상태이다.[7] 야간투시경 항목을 보면 알 수 있듯, 현용 2, 3, 4(혹은 3+)세대 야간투시경들은 광량증폭식인데, 이 광량증폭식이라는게 기본적으로 물건에 반사되는 빛을 증폭시켜서 보여주는 원리인지라 달빛조차 비치지 못할 정도의 먹구름 낀 밤이면 정말 아무것도 보이지 않을 수 있다.[8] 이런 류의 비정규군에 대한 위압비행은 그 자체만으로도 큰 효과를 얻을 수 있다. 비정규군들은 훈련이 제대로 되어있지 않기에 전술기의 위압비행만으로도 군기가 무너져 공포에 사로잡혀 도망가기 때문 그외에도 소리만 듣고 대포등 중화기로 공격한다고 오해하게 만들 수도 있다. 가장 최근의 사례로 2017년 10월 4일, 미합중국 육군 특수작전부대(일명 그린베레) 제 3특전단 소속 대원들이 니제르군과 함께 국경순찰을 하다 IS를 추종하는 현지 무장세력으로부터 기습 매복공격을 받아 특전단과 니제르군에서 각각 4명, 반군은 약 20여 명 가량 사망한 사건이 있었는데, 미군이 무장세력에게 밀리다가 현장으로 급파된 프랑스 공군 소속 미라주 2000 덕에 구사일생으로 전멸을 면한 적이 있다. 이때도 프랑스 파일럿이 지상 병력의 피아식별이 되지 않자 저공 위협비행으로 무장세력을 후퇴시켰다. 이 사례에 대한 더 자세한 사항은 미합중국 육군 특수작전부대 및 미라주 2000 문서 참고바람.[9] 이 사례만으로도 에드 린치 중령의 노련미가 보이는데, 오폭의 우려로 폭격대신 소닉붐을 동반한 위협비행으로 적들을 물리친 유연성 이외에도 야간투시경으로도 아무것도 보이지 않는 칠흑의 어둠 속에서 소닉붐이 날만한 기동을 펼쳤다는 것 그 자체로도 대단하다는 평가를 받는다. 오로지 믿을 것은 고도계와 자신의 감만으로 야간투시경도 먹히지 않았던 칠흑의 밤에 초저공으로 소닉붐 기동을 펼쳤다는 것만으로도 충분히 용자 자격을 받을만 하다. 고도계보고 하면 되는 거 아니냐고 하는데 음속으로 나는 비행기는 조종간 살짝만 틀어도 고도 수백미터는 1초만에 오갈 수 있다.[10] 정확히는 오두막 크기의 가건물 유리창을 깼다.[11] 물론 먼 해상에서 음속돌파를 했다면 당연히 불법이 아니며 실제로 응축현상을 해상에서 촬영한 경우도 종종 있으나(당장 이 문서 맨 위의 콩코드 여객기 소닉붐 영상도 해상에서 촬영) 애당초 응축현상이 생겼다는 것은 마하 1.0 미만이란 소리. 즉, 소닉붐도 생기지 않는다.[12] 어떤 사람들은 소닉붐이라고 부른다.[13] 이제는 SBENU KOREA로 바뀌었다가 해체 되었다.