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은밀하게 수학을 품고 있는 스텔스 비행기


유난히 눈이 즐거운 영화 ‘트랜스포머’ 시리즈. 전 세계의 흥행 돌풍을 일으키고 올여름 마지막 이야기로 우리 곁을 다시 찾아왔습니다. 영화 속에는 주인공 ‘샘’의 든든한 보디가드 ‘범블비’와 같이 누구나 사랑하는 로봇이 있죠. 또 더욱 강력한 기술을 가지고 새롭게 등장하는 ‘쇼크웨이브’ 같은 악당 로봇도 있습니다.

특별히 오늘은 이런 악당 중 영화 내내 로봇 ‘스타스크림’으로 변신해 미국 공군을 고집스럽게 공격하는 ‘F-22 랩터’의 비밀에 대해 자세히 살펴보기로 해요. ‘F-22 랩터’의 비밀은 바로 스텔스 기술! 이 녀석은 스텔스 기술을 갖춘 미국의 대표적인 전투기랍니다.

여기서 스텔스란 ‘은밀하게 조용히 이뤄지는 일’을 뜻하는 단어인데요. 스텔스 기술은 글자 그대로 상대방에게 자신의 위치를 들키지 않도록 숨는 기술을 말합니다. 따라서 주로 군사용 항공기나 배를 제작할 때 이용된답니다.

상대방의 눈부터 레이더와 적외선 탐지기, 음향탐지기까지 모든 감시를 피해서 숨는 기술! 이 기술 덕분에 스텔스 비행기는 주목 받고 있답니다. 상대방의 레이더에서 자유롭게 벗어날 수 있는 스텔스 비행기의 비밀은 무엇일까요?

이 비밀을 알려면 우선 일반 비행기가 상대방에게 들키는 이유부터 알아봐야 합니다. 일반 비행기에게 레이더를 쏘면 비행기 몸체에 닿은 후 반사되어 되돌아옵니다. 이것을 잡아내면 비행기가 지금 어디에 있는지 알 수 있답니다.

레이더는 빛의 한 종류인데요. 빛은 곧바로 나아가는 성질(직진) 외에도 다른 물체를 만나면 되돌아오는 성질, 즉 반사하는 성질을 가지고 있습니다. 레이더는 빛의 반사를 이용해서 비행기의 위치를 알아내는 거랍니다.

그런데 만약 비행기가 레이더를 반사시키지 않거나, 레이더를 엉뚱한 방향으로 반사시키면 어떻게 될까요? 상대방은 비행기의 위치를 알 수 없을 것입니다. 스텔스 비행기는 바로 이점을 이용했습니다. 비행기 몸체를 수학적으로 계산해 레이더가 엉뚱한 방향으로 반사되게 만든 것이죠. 또 레이더가 비행기 몸체에 닿는 즉시 흡수해 버리도록 몸체 표면에 특수한 페인트를 바르는 방법도 있답니다.




이렇게 잘 계산된 스텔스 비행기의 구조를 ‘RAS(Radiation Absorbent Structure)’라고 하는데요. 쉽게 말하면 ‘전파를 먹어버리는 구조’입니다. 상대방의 레이더를 엉뚱한 방향으로 반사시키도록 만들거나 레이더가 계속 반사되다 사라지게 만드는 것입니다. 이것을 정확하게 이해하려면 ‘입사각과 반사각’에 대해 잘 알아야 한답니다.

‘입사각’은 빛이 물체에 닿을 때 생기는 각을 말하는데요. 물체와 90°로 만나는 선(법선)과 빛이 이루는 각을 말합니다. ‘반사각’은 빛이 물체에 반사돼 튕겨 나갈 때, 법선과 빛이 이루는 각이고요. 이런 각도는 보통 0°에서 90° 사이의 값을 가집니다. 이때 중요한 점은 입사각과 반사각의 크기가 같다는 것입니다.

예를 들어, 비행기 몸체에 레이저가 수직(90°)으로 닿는다고 해봅시다. 그러면 입사각 또는 반사각이 0°가 됩니다. 빛이 들어왔던 그대로 되돌아간다는 이야기입니다. 되돌아간 레이저는 상대방에게 도달해 결국 비행기가 어디에 있는지 금방 들키게 되는 것입니다.

그래서 스텔스 비행기를 만들 때는 ‘입사각’의 범위를 ‘예각’으로 만듭니다. 레이더가 비행기 몸체에 닿을 때 수직으로 닿지 않게 해서 위치를 알릴 수 없게 만드는 것이죠.

여기서 ‘예각’은 0°보다 크고 90°보다 작은 각입니다. 만약 레이더가 비행기 몸체를 만날 때 ‘예각’으로 만난다면 레이더는 입사각에 따라 엉뚱한 방향으로 반사됩니다. 또 그림처럼 서로 마주 보는 비행기 몸체의 면과 면 사이를 반복해서 반사되다가 사라지고 말거든요.

 

 



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그래서 스텔스 비행기를 만들 때는 레이더가 비행기 몸체를 만날 때 이루는 ‘입사각과 반사각’이 ‘직각’이 되지 않게 꼼꼼하게 계산합니다. 레이더가 비행기 몸체와 ‘예각’으로 만나면 비행기의 위치를 숨길 수 있으니까요.

스텔스 비행기는 이외에도 수학과 과학이 많이 들어 있습니다. 하지만 가장 중요한 원리는 우리가 수학시간에 배웠던 ‘예각’에 있답니다. 자세히 살펴보면 수학 속에도 비행기의 원리가 많이 숨어 있습니다. ‘트랜스포머’ 마지막 이야기에서 활약하는 ‘F-22 랩터’를 보면서 스텔스 기술과 빛의 반사, 그리고 예각을 떠올려 봐요!

 

 

 



염지현 동아사이언스 기자 ginny@donga.com



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