고속 항공역학(High-Speed Aerodynamics)

  압축성 역학 분야인 고속 항공역학(high-speed aerodynamics)은 항공학 연구에 특별한 영역이다. 마하(Mach) 1 이상에 달하는 속도까지 비행하기 위한 항공기를 설계할 때 적용된다. 기체역학(gas dynamics)을 연구했던 19세기 후반 물리학자 에른스트 마흐(Ernst Mach)의 명성에 의해 이름 붙여진 특별한 매개변수인 마하수(mach number)에 의해 설명된다. 마하수는 공간의 음속에 대한 항공기의 속도 비율이고 압축성 효과의 다양한 크기를 결정한다. 항공기가 대기를 통과하여 이동할 때 항공기 근처의 공기 분자는 교란되어 항공기 주위로 이동한다. 공기 분자는 마치 보트가 물을 통과하여 이동할 때 선수파(bow wave)를 일으키는 것과 같이 옆으로 밀려난다. 만약 항공기가 전형적으로 250 mph 이하의 저속에서 지나간다면 공기의 밀도는 일정하게 유지된다. 그러나 더 고속에서 항공기의 에너지 중 일부는 공기를 압축시키고 공기의 밀도를 바꾼다. 속도가 증가할 때 이 효과는 더 증가한다. 해수면에서 760 mph 음속 근처에서의 격렬한 교란은 항공기의 양력과 항력 모두에게 영향을 주는 충격파를 초래한다. 충격파는 모든 방향에서 바깥쪽 방향 및 뒤쪽으로 이동하는 압축된 공기 분자의 원뿔체를 형성하고 지면으로 퍼진다. 충격파에 의해 형성된 압력의 격렬한 해방은 음속폭음(sonic boom)처럼 진행된다. 항공기의 설계속도가 증가할 때 항공기에 의해 마주치는 상황의 범위는 다음과 같다.

 

① 아음속 조건(subsonic condition)은 100∼ 350 mph 이하의 마하수에서 일어난다. 가장 낮은 아음속 조건에서 압축성은 무시할 수 있다.

② 물체의 속도가 음속에 도달할 때, 비행 마하수는 Mach 1(350∼760 mph)과 같고 흐름은 천 음속(ran sonic)이라고 한다. 물체의 일부 영역에서 공기의 국부 속도는 음속을 초과한다. 압축성 효과는 천음속 흐름에서 가장 중요한 것이고 음속 장벽을 발생시킨다.

③ 초음속조건(supersonic condition)은 Mach 5 보다는 크고 Mach 3(760∼2,280 mph)보다는 낮은 수에서 일어난다. 기체의 압축성 효과는 물체의 표면에 의해 발생한 충격파 때문에 초음속항공기의 설계에서 중요한 것이다. Mach 3과 Mach 5(2,280∼3,600 mph) 사이의 극초음속(high-supersonic speed)에서 공력 가열(aerodynamic heating)은 항공기 설계에서 매우 중요한 요소이다.

④ Mach 5 이상의 속도에서의 흐름을 극초음속(hypersonic)이라고 한다. 이들 속도에서 물체의 에너지 중 일부는 바로 공기의 질소 분자와 산소 분자를 함께 결합하는 화학 결합을 일으킨다. 극초음속에서의 공기 화학반응은 물체의 힘을 결정짓기 때문에 고려하여야 한다. Mach 25로 접근한 우주왕복선이 고 극초음속(high hypersonic speed)에서 대기로 재진입할 때 가열 공기는 기체의 전리 플라즈마(ionized plasma)가 되고 우주선은 극단적인 고온으로부터 차단되어야 한다.