초음속 비행기의 충격파를 나사(NASA)는 어떻게 촬영했나

초음속 비행기가 하늘을 날라가면서 발생하는 충격파와 고속도로를 달리는 트럭의 엔진 연기 등을 촬영할 수 있는 장치가 미국 항공우주국 나사(NASA)에서 개발하였습니다. 눈으로 볼 수 없는 공기 밀도의 변화를 값싸고 쉽게 영상으로 촬영할 수 있는 방법입니다.

초음속 비행기의 충격파를 나사(NASA)는 어떻게 촬영했나

밝은 광원이나 얼룩덜룩한 무늬를 배경으로 초음속 비행기를 촬영하면 충격파를 쉽게 얻어질 수 있다고 합니다. 나사에서 특허 출원한 'Background-Oriented Schlieren using Celestial Objects'이라는 새로운 방법입니다. 카메라와 배경 사이를 통과한 충격파의 공기역학적인 흐름에 의해서 생기는 변형을 시각화할 수 있습니다.

필요할 것은 단순한 광학 장치와 적당한 무늬가 있는 배경뿐입니다. 배경으로는 분화구 크레이터가 여기저기에 있는 달이나, 필터를 통해서 흑점들이 보이도록 한 태양도 됩니다. 특수한 수학적 화상처리 알고리즘으로 이미지를 더욱 선명하게 만들 수 있습니다.

기존에는 이러한 촬영을 위해 슐리렌 법을 사용했습니다. 장소에 따라 굴절률이 다를 때, 그 부분에 줄무늬와 안개 모양의 그림자가 보이는 것이 슐리렌 현상입니다. 매우 복잡하고 주의깊게 정렬한 광학장치를 사용하여 초음속 물체 주위에 있는 공기 밀도의 차이에 의해서 나타난 굴절 광선을 촬영하였습니다.

기존 방법에서는 대부분의 경우 다른 비행기에 카메라를 설치합니다. 아래의 사막을 배경으로 이용하여 충격파가 통과하는 것을 촬영하게 됩니다.  또한 과거에 이용했던 지상 기반의 슐리렌 촬영 시스템에서는 태양의 가장자리를 광원으로 이용할 필요가 있었습니다. 그래서 비행기가 태양 표면으로 갈 때와 태양 표면에서 나올 때의 두번 밖에 충격파를 관측하지 못했습니다.

이번에 암스트롱 비행연구센터에서는 칼슘-K (CaK)선 필터를 사용하여 태양의 불균일한 채층(chromosphere, 태양의 광구와 전이층(transition region) 사이에 위치한 대기층)이 보이게 하면 초음속 충격파에 의해서 생기는 변형을 쉽게 파악할 수 있는 것을 발견했습니다. 한 개의 충격파를 여러 차례 잡을 수 있기에 카메라 시스템의 속도와 정확도가 크게 향상되었습니다.

태양 같은 천체를 배경으로 사용하면 비행중인 비행기를 촬영할 때 여러 장점이 있습니다. 이렇게 지상에서 이미지 시스템을 사용하면 촬영하려는 비행기가 어떤 고도에 있더라도 가능하다고 합니다. 개발된 시스템은 하나의 3000달러 정도로 가격도 낮습니다. 또한 아음속기나 고속도로를 달리는 트럭 등 다양한 물체를 대상으로 촬영할 수 있습니다. 날개의 소용돌이나 엔진의 연기와 같은 다른 종류의 공기밀도 변화도 파악할 수 있습니다.