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공력가열

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목차

1. 개요

공력 가열은 물체의 운동 에너지가 공기의 압축과 마찰로 인해 열로 변환되는 현상이다. 이 현상은 초음속 및 극초음속 항공기, 미사일, 우주선의 설계에 중요한 영향을 미친다. 항공기 설계에서는 날개 구조, 재료의 강도 저하, 날개 앞전의 액체 냉각 등의 문제와 관련이 있으며, 우주선 재진입 시에는 열 차폐 시스템이 필수적이다. 대한민국은 누리호 개발 과정에서 공력 가열 문제 해결을 위한 연구를 진행했다.

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  • 공기역학 - 항력
    항력은 유체 내에서 움직이는 물체에 작용하여 물체의 운동을 방해하는 유체 저항력이며, 유체의 밀도, 물체의 속도, 기준 면적, 항력 계수 등에 의해 결정된다.
  • 공기역학 - 추력
    추력은 물체를 특정 방향으로 가속시키는 힘으로, 단위 시간당 운동량 변화율과 같으며, 프로펠러 회전, 제트 엔진 배기가스 분출 등 다양한 방식으로 발생하고 이동 및 제어에 필수적인 요소이다.
공력가열

2. 물리



공기 중을 고속으로 이동하는 경우, 물체의 운동 에너지는 공기의 압축과 마찰에 의해 열로 변환된다. 저속에서 공기가 차가우면 그 물체는 공기로부터 열을 빼앗기게 된다. 공기와 공기의 통과에 의한 열의 복합 온도 효과는 Stagnation temperature|정체점 온도영어라고 불린다. 실제 온도는 회복 온도라고 불린다.[12] 인접한 하위 레이어에 대한 이러한 점성 소산 효과로 인해 비 등엔트로피 과정을 통해 경계층의 속도가 감소한다. 다음으로, 열은 고온의 공기에서 표면 재료로 전도되어 결과적으로 재료의 온도가 상승하고 흐름으로부터 에너지가 손실된다. 강제 대류에 의해 냉각된 가스가 다른 재료에 보충되어 이 과정이 계속된다. 흐름의 정체와 회복 온도는 흐름의 속도와 함께 증가하며, 고속에서 커진다. 물체의 총 Thermal shock|열충격영어은 회복 온도와 흐름의 질량 유량의 작용이다.

공력 가열은 고속, 고밀도, 저기압에서 최대가 된다. 위에서 언급한 대류 과정 외에도 흐름에서 몸체로 또는 그 반대로의 열 복사도 있으며, 순방향은 서로의 상대적인 온도에 의해 결정된다.

3. 항공기



공력 가열은 초음속 항공기 및 극초음속 항공기와 미사일 설계에 있어 중요한 고려 사항이다. 피부 온도와 그에 따른 구조, 객실, 장비실, 전기, 유압, 연료 시스템으로의 열 전달을 고려해야 한다.

공력 가열은 고속, 고밀도, 저기압에서 최대가 되며, 흐름에서 몸체로 또는 그 반대로의 열 복사도 발생한다. 이는 서로의 상대적인 온도에 의해 결정된다.

공력 가열은 비행체(항공기, 우주선, 로켓 등)의 속도와 함께 증가한다. 아음속에서는 영향이 미미하지만, 마하 2.2를 초과하는 초음속에서는 비행체 구조와 내부 시스템 설계 및 재료 선정에 큰 영향을 미친다.

가열 효과는 전연에서 가장 크지만, 속도가 일정하면 비행체 전체가 안정된 온도까지 가열된다. 공력 가열은 고온에 견딜 수 있는 합금 사용, 비행체 외부 단열 또는 어블레이션 재료를 통해 대응할 수 있다.

3. 1. 날개 설계

초음속 항공기 및 극초음속 항공기의 날개 설계에서 공력 가열은 중요한 고려 사항이다. 아음속에서는 무게를 최소화하고 강도를 최대화하는 것이 목표지만, 초음속 및 극초음속에서는 공력 가열로 인한 열 하중을 추가로 고려해야 한다.

이상적인 날개 구조는 스파, 스트링거(롱지론), 스킨 세그먼트로 구성된다. 아음속 날개는 양력에 의한 축 방향 및 굽힘 응력을 견뎌야 하며, 스킨 패널이 좌굴되지 않도록 스트링거 간 거리가 충분히 작아야 하고, 패널은 전단 응력을 견딜 수 있을 만큼 두꺼워야 한다.

초음속에서는 공력 가열로 인해 스파에 열 하중이 추가된다. 이 열 하중은 스트링거가 받는 힘을 증가시켜 더 큰 면적의 스트링거가 필요하게 된다. 또한, 고온은 재료의 탄성 계수(영률)를 감소시켜 강도를 저하시킨다. 따라서 인코넬이나 티타늄과 같은 내열 합금 사용이 필요하다.

SR-71 블랙버드는 티타늄 스킨 패널을 사용하고 검은색으로 도색하여 온도를 낮추었으며, 팽창을 수용하기 위해 골판지 형태로 제작되었다.[7][8] 초기 초음속 항공기는 두께-코드 비를 작게 설계하여 속도 증가를 억제했다. 극초음속 미사일 설계에서는 날개 앞전에 액체 냉각(일반적으로 연료 사용)을 사용하기도 한다. 스프린트 미사일의 열 차폐는 마하 10 온도에 대해 여러 번 설계 변경이 필요했다.[9]

3. 2. 재료

공력 가열로 인해 발생하는 고온은 일반적인 항공기 재료(알루미늄, 강철 등)의 강도를 저하시킨다. 재료의 탄성 계수(영률)는 온도가 상승함에 따라 감소하며, 이는 날개 재료 선택에 있어 매우 중요한 요소이다.[5][6]

고온에서도 강도를 유지하는 재료도 있다. 예를 들어, 인코넬 X-750은 1958년 극초음속으로 비행한 북아메리카 항공기인 X-15의 동체 부품에 사용되었다.[5][6] 티타늄은 고온에서도 강도가 높은 또 다른 재료이며, 종종 초음속 항공기의 날개 프레임에 사용된다. SR-71은 온도를 낮추기 위해 검은색으로 칠해진 티타늄 스킨 패널을 사용했으며,[7] 팽창을 수용하기 위해 골판지형으로 만들어졌다.[8]

4. 우주선 재진입

대기권 재진입 시 발생하는 극심한 공력가열은 우주선을 파괴할 수 있기 때문에 특수 기술이 필요하다. 고도의 재진입 속도(마하 20 이상)에서 발생하는 가열은 특별한 기술 없이는 우주선을 파괴할 수 있다.

재진입 시 우주왕복선의 표면 온도 (적외선 사진)

4. 1. 열 차폐 시스템

머큐리, 제미니, 아폴로에 사용된 초기 우주 캡슐은 둔탁한 모양을 사용하여 활 모양 충격파를 생성, 대부분의 열이 주변 공기 중으로 분산되도록 했다. 또한, 이 우주선들에는 고온에서 기체로 승화되는 삭마 물질이 사용되었다. 승화 작용은 공기역학적 가열로부터 열 에너지를 흡수하여 캡슐을 가열하는 대신 물질을 침식시킨다. 머큐리 우주선의 열 차폐막 표면은 여러 층의 유리 섬유가 포함된 알루미늄 코팅으로 덮여 있었으며, 온도가 1100°C까지 상승하면 층이 증발하여 열을 제거했다. 우주선은 뜨거워졌지만 해로운 수준은 아니었다.[10] 우주 왕복선은 알루미늄 항공기 골격으로의 열 전달을 방지하면서 열을 흡수하고 복사하기 위해 하부 표면에 단열 타일을 사용했다. 컬럼비아의 발사 중 열 차폐막 손상은 재진입 시 파괴의 원인이 되었다.

참조

[1] 간행물 Aerodynamic Heating https://apps.dtic.mi[...]
[2] 간행물 The problem of aerodynamic heating Aeronautical Engineering Review 1956-10
[3] 간행물 Concorde Structural Development https://arc.aiaa.org[...]
[4] 서적 Evolution of the Airliner
[5] 서적 Die schnellsten Jets der Welt: Weltrekord-Flugzeuge Aviatic Verlag
[6] 서적 Aerospace Structures- an Introduction to Fundamental Problems Purdue University
[7] 서적 Skunk works: a personal memoir of my years at Lockheed Warner Books
[8] 서적 Kelly: more than my share of it all Smithsonian Institution Press
[9] 문서 Bell Labs 1974
[10] 웹사이트 How Project Mercury Worked http://science.howst[...] 2001-05-04
[11] 웹사이트 NASA – Spacecraft Design http://www.nasa.gov/[...] 2013-01-07
[12] 간행물 A-to-Z Guide to Thermodynamics, Heat and Mass Transfer, and Fluids Engineering Thermopedia 2011-02-03
[13] 서적 Die schnellsten Jets der Welt: Weltrekord-Flugzeuge Aviatic Verlag
[14] 서적 Aerospace Structures- an Introduction to Fundamental Problems Purdue University
[15] 서적 Skunk works: a personal memoir of my years at Lockheed Warner Books
[16] 서적 Kelly: more than my share of it all Smithsonian Institution Press
[17] 문서 Bell Labs 1974
[18] 웹사이트 How Project Mercury Worked http://science.howst[...]


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