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콩코드 마지막 비행...초음속 여객기 이륙 준비
콩코드 마지막 비행...초음속 여객기 이륙 준비
  • 김윤겸 기자
  • 승인 2019.05.15 09:10
  • 댓글 0
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돌아온 초음속 여객기

콩코드 여객기가 마지막 비행을 한 지도 벌써 10년이 넘었다. 이제 신세대 초음속 여객기가 이륙 준비를 하고 있다.

미 공군 사관학교의 항공학 연구 센터의 통제실은 비교적 조용했다. 블레이크 숄과 그의 엔지니어들이 뜨겁게 흥분하고 있다는 점을 감안한다면 말이다. 두터운 콘크리트 벽과 유리벽이 제네럴 일렉트릭 J85-15 제트 엔진의 엄청난 소음을 들리지 않게 해주고 있었다. 이 엔진은 T-38 훈련기를 비롯한 여러 군용기에 쓰이고 있다. 강철제 실험대 위에 볼트로 고정되어 있는 이 원통형의 엔진은 맑은 여름 하늘같은 파란색 원추형 불꽃을 토해내면서 기분 나쁜 붉은 색으로 달아올랐다.

2014년 붐 수퍼소닉 사를 창립한 숄은 전 미 해군 전투 조종사이자 현재 이 회사의 수석 시험비행 조종사 빌 슈메이커와, 회사의 추진 엔지니어 벤 머피가 함께 엔진의 추력을 높여 후기 연소기까지 작동시켜 가는 모습을 바라보았다. 연료를 배기에 뿜어서 엔진 추력과 소음을 50% 높이는 것이다. 엔진에서 뿜어져 나온 에너지는 배기구를 통해, 콜로라도 주 콜로라도 스프링스 록키 산맥 산자락에 자리 잡은 건물 밖으로 배출되었다. 1분도 채 못 되어 끝난 이번 실험은 숄의 팀이, 앞으로 그들이 요구하는 수준의 스트레스를 구세대 엔진이 견딜 수 있는지를 알아보기 위해 앞으로 수행해야 할 수십 건의 실험 중 하나다.

J85GE의 주력 군용 터보제트 엔진이다. 붐의 XB-1 항공기에는 이 엔진이 3대 들어간다. XB-1 항공기는 이 회사에서 2025년에 실용화하려는 2억 달러 단가의 마하 255인승 탄소 섬유제 여객기의 1/3 크기 시연기이다. 붐 사가 직면한 과제는 매우 난이도가 높다. 잘못하면 이 회사의 계획 자체가 완전히 어그러질 수 있대도 과언이 아니다. 처크 예거가 벨 X-1 항공기를 타고 소리의 장벽을 뚫은 지 70년이 넘게 지났지만, 그 동안 초음속 여객기는 영불 합작 개발의 콩코드와 소련 투폴레프 사의 Tu-144 둘 뿐이었다. 그리고 두 여객기 모두 그다지 실용적이라고는 할 수 없었다. Tu-144는 승객을 태우고 비행한 회수가 102회 뿐이고, 대부분 화물 운반에 사용되었다. 영국 항공(브리티시 에어웨이)과 프랑스 항공(에어 프랑스)은 콩코드의 이용 요금을 매우 비싸게 책정했고, 정부로부터 거액의 운용 보조금까지 받았음에도 대부분의 콩코드 비행은 적자를 기록했다. 결국 재정적 압박이 심했던 27년간의 운용 끝에, 두 항공사 모두 콩코드를 퇴역시켰다.

사업 환경은 오늘날이라고 크게 나아지지 않았다. 블루 오리진과 버진 갤럭틱이 로켓 우주선을 사용한 우주 관광 분야에서 조금씩 발전을 이루고 있지만, 초음속 항공 여행이 경제성이 있을지는 누구도 모른다. 문제는 초음속 비행 시 연비를 최적화하고, 엔진 소음과 소닉 붐을 최소화하는 데 있다. 이 모든 조건을 만족시키면서 수익까지 낼 수 있는 기술은 매우 구현하기 어렵다. 보잉이나 에어버스 같은 기업에서도 아직 해결 못 한 문제다. 콩코드의 마지막 비행 이래 성과를 내지 못했다. 무엇보다도 항공사들은 사람을 덜 태우고, 기름을 많이 쓰고, 너무 시끄러워서 해상 비행만 허용되는 비행기에 관심이 없다.

이 모든 것을 감안한다면, 아마존의 광고 구매 기술로 유명한 숄이 초음속 여객기를 만든다는 게 말도 안 되어 보일 것이다. 게다가 숄은 소형 비행기를 날려 본 것 외에는 항공 경험이 없다는 것을 감안하면 더더욱 그렇다. 그러나 그에게서는 신생기업 창립자 다운 강한 자신감이 흘러넘친다. 그는 우리가 원하는 기술은 이미 다 존재한다. 안전하고 신뢰성 높고 효율적인 기술들이다. 그러므로 그런 기술들로 더욱 효율적인 항공기를 만들 수 있다.”라고 말한다.

숄은 자신이 나아갈 길을 확실히 알고 있다. 연료를 엄청나게 잡아먹는 후기 연소기 없이도 초음속을 낼 수 있는 제트 엔진이 개발된다면 붐은 성공할 것이다. 그리고 지금 닥친 문제는 진짜 문제가 아니라고 믿고 있다. 새롭고 효율적인 기술이 있음을 항공사들에 납득시킴으로서, 대서양을 3시간, 태평양을 6시간 내에 횡단할 수 있는 비즈니스 클래스 항공기들을 잔뜩 납품해 큰 돈을 번다는 것이 그의 사업 계획이다. 현재 붐의 항공기에 관심을 갖고, 양산될 경우 구매하고자 하는 항공사는 5개이며, 그 중에는 버진 그룹과 일본 항공도 있다.

이는 초음속 여객기 시대의 부활을 의미하는 신호탄이면서, 동시에 지난 1970년대 이래 미국과 유럽에서 군용기를 제외하고는 금지되었던 육상 초음속 비행의 재개에 필요한 기술적 토대를 제공할 것이다. 육상 초음속 비행이 허용되면, 영화 한 편 보는 시간 동안 미 전국을 횡단할 수 있다. 그 시장은 매우 클 것이지만, 비용도 비쌀 것이다. 그 때문에 다른 두 항공기 제작 신생기업인 아에리온, 스파이크 사가 비교적 돈이 잘 벌리는 비즈니스 제트 분야에 뛰어든 것이다. 이 회사들은 공기역학과 비행 기법을 이용해 소닉 붐을 줄일 수 있다고 믿고 있다. NASA 역시 같은 목표를 수 십 년간이나 추구해 왔다. 그리고 2018년 트럼프 행정부는 이 목표에 도달하기 위해 NASA63390만 달러의 큰 예산을 배정했다.

숄이 붐 사를 창립한 이유는 누구도 발전된 항공 기술로 초음속 여객기를 만들 생각을 하지 않는다는 점에 놀랐기 때문이었다. 그는 스페이스X가 첨단 기술로 차세대 로켓을 만드는 것처럼, 우리는 첨단 기술로 초음속 여객기를 만들고 있다.”라고 말한다.

이 회사는 앞으로 초음속 여객기 <오버튜어> 출시에 60~70억 달러를 사용할 예정이다. 현재까지 이 회사는 14100만 달러를 모았다. XB-1을 만들고 나면 별로 남는 것이 없는 금액이다. 이렇게 작게 시작한 경우는 흔치 않다. 붐의 최종 목표가 마하 2.2 속도로 비행하는 중량 77톤급의 여객기를 만드는 것임을 감안한다면, 자신들 외에 다른 기업이 이 목표를 먼저 달성할 가능성도 높다고 숄은 인정했다.

사람들의 움직임으로 부산한 붐 사의 본사는 덴버 교외의 밝은 흰색 격납고에 있다. 한 구석에는 오버튜어의 내부 목업을 조립하는 팀이 있었다. 폭이 넓은 좌석과 목재 마감재가 보였다. 짐칸은 객석 위가 아니라 아래에 있었다. 거기서 별로 멀리 떨어지지 않은 곳에서는 엔지니어들이 탄소섬유제 수직안정판의 응력 실험을 하고 있었다. XB-1 시연기의 수평 꼬리날개 끝에 설치될 것이었다. 부품들은 갈수록 많아지고 있었다. 굿이어 사제 항공기용 타이어만 해도 방 하나를 채울 지경이었다. 세계 여러 나라 항공사의 로고를 당당히 그려넣은 오버튜어의 모형도 여기저기에서 볼 수 있었다. 전장 51m가 될 이 제트기는 보잉 777보다 약간 작다. 뾰족한 기수와 폭 18m 델타 삼각익을 지닌 이 항공기는 마치 다트처럼 보일 것이다. 격납고 한복판에는 2명을 싣고 시속 2,300km로 비행할 수 있는 시연기의 실물대 모형이 있었다.

항공기 설계는 보통 엔진 중심으로 이루어진다. 그렇게 보면 오버튜어의 엔진이야말로 그 성공에 가장 큰 장애물일 것이다. 아직 없으니까 말이다. 붐 사의 사업이 제대로 돌아가려면 시연기의 J85 엔진이나 롤스로이스/스네크마 사의 올림푸스 593 터보제트 엔진(콩코드 여객기에 사용)보다 더욱 효율이 뛰어난 엔진을 찾아야 한다. , 배기에 연료를 뿜어 추력을 증대시켜 주는 후기 연소기 없이도 초음속을 낼 수 있는 엔진을 만들어야 한다. 과거의 항공기는 후기 연소기가 추가 추력을 제공해 줘야 초음속 비행이 가능했다. 그러나 항공 기술은 장족의 발전을 이루었다. 최신형 초음속 제트 전투기들은 후기 연소기를 쓰지 않아도 초음속을 낼 수 있다. 숄은 현대 엔진 기술 덕택에 후기 연소기 없이도 원하는 추력을 얻을 수 있다고 말한다.

그러나 기술적 문제는 후기 연소기 없이도 초음속을 낼 만큼 강하면서도 여객기에 쓸 만큼 긴 항속거리를 보장하는 엔진이 아직 없다는 것이다. 롤스로이스, 프랫 앤 휘트니, GE 모두 제안서를 쓰고 있지만, 붐이 원하는 성능에 맞춰 주겠다는 회사는 아직 없다.

만약 원하는 성능의 엔진이 만들어진다면, 이 엔진이 원활하게 작동하려면 붐은 먼저 이 엔진의 공기역학적 왜곡을 해결해야 한다. 이 회사의 엔지니어들은 초음속 순항 및 이착륙 등 저속 비행 시에 모두 효율을 극대화할 수 있는 XB-1의 가변형 공기흡입구를 개발하고 있다. 이 탄소섬유제 공기흡입구는 경첩이 달린 플랩이 있어 크기를 조절할 수 있다. 초음속에서는 플랩이 공기 흐름 속으로 끼어들어 공기 흡입구의 크기를 줄인다. 따라서 터빈으로 들어가는 공기 흐름의 속도와 압력을 적절하게 조절해준다. 아음속대에서는 플랩이 벌어져 공기 흡입구와 공기 흡입량을 늘린다. 이런 기능이 달려 있는 항공기는 흔치 않다. 최근의 풍동 실험의 데이터 역시 붐의 공기흡입구 연구를 뒷받침하고 있다. 숄은 항공기에서 제일 복잡한 부분이다. 놀랍게도 우리는 한 번에 제대로 만들었다라고 말한다.

붐 사가 갈 길은 아직도 멀다. 새 여객기를 하나 개발하려면 수 년이 걸린다. 그 와중에 무수한 개발 지연, 폐기, 실수 등이 이어진다. 그게 다 끝나야 관계 당국이 양산 및 비행 안전 절차에 대한 작업을 할 수 있다. 콩코드를 개발할 때도 영불 컨소시엄은 무려 20년의 시간과 370억 달러(현재 화폐 가치)의 국가 예산을 투입했다. 에어버스도 A380 출시를 위해 17년의 시간과 250억 달러를 투자했으며, 보잉도 B787 드림라이너 개발에 8년의 시간과 320억 달러를 투자했다.

현재까지의 판단은 버진 그룹의 창립자인 리처드 브랜슨이 붐 사의 도박이 성공하리라 보고 있다는 것이다. 그의 회사는 붐 사에 엔지니어링, 생산, 비행 시험 등의 지원을 해 주고 있으며 10대의 항공기를 선주문하기도 했다.

아에리온과 스파이크는 숄보다 더 큰 야심을 품고 있다. 이들은 여러 세대에 걸쳐 항공 공학자들을 괴롭혀 온 소닉 붐을 아예 없애 버리고자 하고 있다.

항공기는 비행하면서 주변의 공기를 압축하여 압력파를 만든다. 이러한 파는 마치 수면에 돌을 던졌을 때 물결이 퍼져나가듯이 항공기에서 고리 모양으로 퍼져나간다. 그리고 보통은 큰 소리 없이 소멸된다. 그러나 항공기의 속도가 음속을 넘으면 항공기는 파들을 앞질러 나아가게 된다. 이렇게 뒤처진 파들이 압축되어 충격파가 되면서 천둥 같은 소리인 소닉 붐을 내는 것이다. 그리고 항공기 후미에서 제2의 충격파와 소닉 붐이 만들어진다. 항공기 탑승자는 이 소리를 들을 수 없다. 그러나 항공기가 지나가는 경로 위의 다른 모든 사람은 듣게 되며, 항공기의 고도가 50,000피트(15,000m)를 넘어도 지상에서 소닉 붐을 들을 수 있다. 콩코드도 지상의 건물 유리창이 떨리고 사람과 동물들이 놀랄 정도의 소닉 붐을 만들어냈다. 이 때문에 미국과 여러 유럽 국가들은 초음속 여객기의 육상 초음속 비행을 금지했다.

붐은 해상 비행에 중점을 두고 있기 때문에, 소닉 붐은 별로 신경을 쓰지 않는다. 그러나 아에리온과 스파이크에게 그럴 여유는 없다. 비즈니스 제트기는 어디라도 다니기 때문이다. 아에리온의 목표는 항공기의 속도와 고도를 조절하여 소닉 붐이 지상에 닿지 못하게 하겠다는 것이고, 스파이크는 소닉 붐을 최소화하는 공기역학적 특성을 항공기에 부여하겠다는 목표다. 록히드 마틴의 유명 연구팀인 스컹크 웍스의 연구에 따르면, 항공기가 일정 고도에서 일정 각도로 비행할 경우, 소닉 붐에 의한 피해를 막을 수 있다고 한다.

스파이크는 NASA가 록히드 마틴 사의 X-59 퀘스트(QueSST) 실험기로 얻은 연구 결과를 그대로 갖다 쓸 것이 거의 분명해 보인다. 이 실험기는 소닉 붐 억제 기술의 실현 가능성을 알아보기 위해 만들어진 저소음 초음속 제트기이다. 소닉 붐의 소리 크기를 줄이려면 날개와 동체 표면의 공기 흐름을 조절하여, 항공기에서 내는 충격파들이 합쳐져 큰 소리가 나지 못하게 해야 한다는 것이 록히드 마틴 사의 프로그램 관리자 피터 이오시피디스의 말이다. “설계의 가장 중요한 측면은 형상이다. 공기에 접촉하기 때문이다.” 주익 앞에 붙은 <카나드>라는 이름의 작은 수평 안정판, 그리고 곡선의 구경감소 동체가 소닉 붐 감소에 도움을 주고 있다. 엔지니어들은 그 외에도 여러 소음 감소 기능들을 통합시키고 있다. 예를 들어 조종실 유리를 없애고, 대신 카메라를 이용해 조종하게 함으로서 유리 앞에서 생기는 압력파를 줄인다던지, 항공기의 받음각을 조절한다던지, 항공기 중량을 조정해 소닉 붐 감소의 최적 고도라고 일컬어지는 55,000피트(16,500m) 고도에서의 비행을 유지할 수 있게 하는 것이다.

이론적으로 따지면 이러한 기술들은 통해야 한다. 그러나 과연 실제로도 통할 것인가? 그것을 검증하는 것이 X-59의 임무다. 록히드는 이 항공기를 2021년에 날릴 예정이다. 목표는 지상의 사람의 귀에 75데시벨로 들리는 정도로 소닉 붐을 낮추는 것이다. 75데시벨은 차문이 세게 닫힐 때 나는 소리 정도다. 성공한다면, 미국과 유럽에서는 민항기의 육상 초음속 비행 금지를 해제할 수도 있다.

스파이크가 그 점에서는 훨씬 더 낫다. 이 회사는 무인 축소형 시연기를 201710월에 비행시켜, 자신들의 설계가 비행 가능함을 입증했다. 2019년말에는 실물대 시연기를 실험할 예정이며, 계획대로라면 2021년에는 S-512 제트기 실물의 시험 비행을 실시할 것이다. 스파이크는 자사의 항공기를 2024년에 출시하고 싶어한다. 그 항공기는 엔진이 2개뿐이며, 무게를 늘리는 창문이 없는 것이 특징이다. 승객 탑승 수는 18명으로, 창문 대신 대형 고해상도 디지털 디스플레이로 밖을 보게 된다. 아에리온의 시간표도 스파이크보다 조금 더 늦을 뿐이다. 2023년에 8~12인승 AS2 항공기 시제품을 비행시키고, 2025년에는 인증을 받고, 2026년에는 고객에게 항공기를 인도할 계획이다.

기술적 난제를 해결해야 초음속 여객기를 부활시킬 수 있다. 그러나 그보다 더 큰 문제는 수익을 창출하는 것이다. 콩코드는 공학적으로 뛰어난 물건이었지만 상업적으로는 실패했다. 영국 항공과 프랑스 항공은 콩코드로 흑자를 보지 못했다.

숄은 자신이 해낼 수 있다고 믿고 있다. 그의 항공기는 콩코드보다 더 작고 가볍고 연비가 우수하므로, 운영비도 적을 거라고 생각하고 있다. 런던-뉴욕 간에 3시간만에 비행 가능하고, 일일 비행 횟수를 기존의 2배로 늘리고, 수익률이 높은 비즈니스석 승객을 더 많이 태우면 된다는 것이다. 그는 6시간짜리 태평양 횡단 비행은 더 매력적일 것으로 보고 있다. 일본 항공은 그의 주장에 설득되어 1000만 달러를 투자하고 항공기 20대를 선주문한 상태다. 이로서 그의 항공기는 5개 항공사에서 76대를 주문받게 되었다.

붐의 내부 연구에 따르면 2035년에 상용 초음속 항공기의 수요는 1,800대에 달할 것이라고 한다. 그러나 항공 분석가인 리처드 아보울라피아는 이들 3대 신생기업을 자세히 조사한 다음, 이들이 과연 시장 진입에 필요한 투자를 받을 수 있을지에 대해 회의적인 견해를 보였다. “붐 사가 인증을 받으려면 60억 달러가 필요하다. 하지만 그 돈을 마련하려면 꽤 큰 난관이 있을 것이다.” 투자와 선주문에도 불구하고, 투자자들의 관심이 계속될지, 원하는 성능의 항공기가 탄생 할지 예측하기는 불가능하다는 것이다.

그리고 환경적 우려도 있다. 신세대 초음속 항공기는 기존 제트기에 비해 5~7배의 연료를 사용할 것이다. 따라서 이산화탄소 배출 한계를 무려 70%나 초과하게 된다는 것이 20187월 국제 청정 교통 위원회의 연구 결과다. 그리고 이 보고서에서 인용한 연료 소모율은, 아직 비행도 하지 못한 붐 사의 항공기 관련 일반 공개 자료를 참조한 것이다. 그러나 숄은 이 연구가 기존 제트기의 연료 소모는 실제보다 낮게, 초음속 항공기의 연료 소모는 실제보다 높게 잡고 있다고 주장했다. 그는 붐의 항공기가 좌석마일(항공 업계에서 연비를 재는 일반적 척도)면에서 기존 항공기 비즈니스석만큼 효율적이라고 믿고 있다.

여전히 초음속 항공 여행은 매력적이다. 따라서 항공사들은 이걸로 돈 많은 고객들을 유인할 수 있을 걸로 보고 있다. 아보울라피아는 초음속 항공 여행을 제공할 수 있는 항공사 및 비즈니스 제트 제공사들은 확실히 차별화에 성공할 것이다라고 말한다.

붐의 항공기는 분명 매력적이다. <오버튜어>의 바늘같이 날씬하고 뾰족한 동체와 삼각형 델타익은 아름답다. 내부 모습 역시 매력적이다. 가상 현실 시연을 보면 시속 2,300km의 항공 여행이 어떤 모습인지 알 수 있다. 좌석은 통로를 사이에 두고 좌우측에 각각 1열씩만 있기 때문에, 다른 사람들 사이에 끼어 탈 일이 없다. 내부에는 가죽과 광택나는 목재를 많이 사용했다. 55명의 승객은 대형 스크린과 대형 원형 외부 관측창을 볼 수 있다. 객실은 철저히 방음 처리되어 있어 엔진 소리를 들을 수 없다. “평온함이 배어나는 여행이 목표다라고 그는 말한다.

그리고 어쩌면 그것이 진정한 판매 포인트일 것이다. ‘평온은 요즘의 항공 여행에 어울리지 않는 말이기 때문이다. 게다가 과거의 초음속 항공 여행은 수익도 나지 않았다. 신세대 초음속 여객기를 개발하는 엔지니어들과 사업가들은 그런 현실을 바꿔 보고자 한다. 기존 초음속 여객기보다 더 조용하고 깨끗하고 매력적이고, 큰 수익이 벌리는 항공기로 말이다.

 

김윤겸 기자 yungyeom@naver.com

 


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