극초음속

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요

극초음속은 음속의 5배 이상 속도를 의미하며, 극초음속 유동은 충격파 층, 공력 가열, 엔트로피 층, 점성 상호작용, 고온 흐름, 실제 기체 효과 등의 특징을 갖는다. 극초음속 영역은 마하 수에 따라 완전 기체, 2-온도 이상 기체, 해리 기체, 이온화 기체, 복사 지배 영역으로 구분된다. 극초음속 유동은 여러 상사 매개변수에 의존하며, 각국은 극초음속 미사일 개발에 경쟁적으로 참여하고 있다.

더 읽어볼만한 페이지

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.

극초음속
개요
정의	극초음속은 음속의 5배 (마하 5) 이상의 속도를 의미한다.
특징	극초음속에서는 공기의 화학 반응과 이온화 효과가 나타난다.
관련 분야	유체역학 공기역학 열역학 화학
극초음속의 중요 파라미터
압력	'높은 압력으로 인해 항력 증가와 열 전달 문제가 발생한다.'
온도	'매우 높은 온도로 인해 재료의 손상과 성능 저하가 발생한다.'
밀도	'밀도 변화는 공기역학적 특성에 영향을 미친다.'
속도	'마하 5 이상의 속도는 충격파를 발생시키고 공기 흐름을 복잡하게 만든다.'
극초음속 흐름의 특징
얇은 충격파 층	물체 표면에 매우 얇은 충격파 층이 형성된다.
점성 상호 작용	점성과 압력 간의 강한 상호 작용이 나타난다.
고온 효과	매우 높은 온도로 인해 공기의 화학적 변화가 발생한다.
열 전달	물체 표면으로의 높은 열 전달이 발생한다.
극초음속 기술의 응용 분야
극초음속 비행체	극초음속 미사일 극초음속 여객기 재사용 우주 발사체
국방	극초음속 무기는 빠른 속도와 기동성으로 인해 요격이 어렵다.
우주 개발	극초음속 기술은 우주 발사 비용을 절감하고 접근성을 향상시킬 수 있다.
과학 연구	극초음속 풍동은 고속 공기역학 연구에 사용된다.
극초음속 관련 연구 분야
공기역학적 설계	극초음속 비행체의 효율적인 형상 설계 연구가 필요하다.
추진 시스템	스크램제트 엔진과 같은 극초음속 엔진 개발이 중요하다.
열 보호 시스템	고온 환경에서 비행체를 보호하는 기술이 필수적이다.
재료 공학	극초음속 환경에 견딜 수 있는 새로운 재료 개발이 요구된다.
추가 정보
참고 문헌	Atmospheric Flight in the Twentieth Century Specific Heat Capacity, Calorically Imperfect Gas 極超音速機

2. 극초음속 유동의 특징

극초음속 흐름의 정의는 매우 모호하고 일반적으로 논쟁의 여지가 있을 수 있다. 특히 초음속 흐름과 극초음속 흐름 사이에는 명확한 경계가 없다. 하지만 극초음속 흐름은 초음속 흐름에서는 분석적으로 무시할 수 있었던 특정 물리적 현상들이 두드러지게 나타나는 것으로 특징지을 수 있다. 극초음속 흐름의 주요 특징은 다음과 같다.

# 충격파 층: 물체와 충격파 사이의 거리가 매우 가까워지는 현상.

# 공력 가열: 물체 표면 온도가 급격히 상승하는 현상.

# 엔트로피 층: 충격파 뒤에서 강한 엔트로피 변화와 와류가 발생하는 현상.

# 실제 기체 효과: 고온으로 인해 기체의 해리나 이온화 등이 발생하는 현상.

# 저밀도 효과: 고온으로 인한 밀도 감소와 점성 효과가 두드러지는 현상.

# 마하수에 따른 공력 계수의 독립성: 특정 마하 수 이상에서는 공력 계수가 마하 수 변화에 크게 영향을 받지 않는 경향.

2. 1. 충격파 층

물체의 마하 수가 증가함에 따라, 물체에 의해 생성된 활형 충격파 뒤의 밀도도 증가한다. 이는 질량 보존의 법칙에 따라 충격파 뒤의 부피가 감소하는 것에 해당한다. 결과적으로, 활형 충격파와 물체 사이의 거리는 마하 수가 높아질수록 감소한다.^[3]

2. 2. 엔트로피 층

마하 수가 증가하면 충격파를 통과하는 동안 엔트로피 변화량이 커진다. 이로 인해 강한 엔트로피 구배와 심한 와류가 발생하는 흐름이 만들어지며, 이는 경계층과 섞이게 된다.

2. 3. 점성 상호작용

고속의 마하수에서 유동과 관련된 대량의 운동 에너지 일부는 점성 효과로 인해 유체 내의 내부 에너지로 변환된다. 내부 에너지의 증가는 온도의 증가로 나타난다. 경계층 내에서 유동에 수직인 압력 구배는 낮거나 중간 정도의 극초음속 마하수에서 거의 0에 가깝기 때문에, 경계층을 통한 온도의 증가는 밀도의 감소와 일치한다. 이는 경계층의 바닥 부분이 팽창하게 만들어, 물체 표면의 경계층이 두꺼워지고 종종 물체 선단 부근의 충격파와 합쳐질 수 있게 한다.

2. 4. 고온 흐름

점성 소산으로 인해 발생하는 고온은 분자의 진동 여기, 해리 및 이온화와 같은 비평형 화학 유동 특성을 유발하며, 이는 대류 및 복사 열 플럭스를 발생시킨다.

3. 마하 영역 분류

"아음속"과 "초음속"은 일반적으로 각각 국소적인 음속보다 느리고 빠른 속도를 의미하지만, 공기역학자들은 종종 이러한 용어를 특정 범위의 마하 값에 적용하여 사용한다. 항공기가 천음속 속도(약 마하 1)에 접근하면 특수한 영역에 진입한다. 나비에-스토크스 방정식을 기반으로 한 일반적인 근사는 아음속 설계에 적합하지만, 자유 흐름에서도 흐름의 일부가 국소적으로 마하 1을 초과하기 때문에 작동하지 않기 시작한다. 따라서 이러한 복잡한 동작을 처리하기 위해 더 정교한 방법이 필요하다.^[4]

"초음속 영역"은 일반적으로 선형화된 이론을 사용할 수 있는 마하 수의 집합을 의미한다. 예를 들어, (공기) 흐름이 화학적으로 반응하지 않고 공기와 차량 간의 열 전달을 계산에서 합리적으로 무시할 수 있는 경우이다. 일반적으로 NASA는 "고" 초음속을 마하 10에서 25 사이의 모든 마하 수로 정의하고, 재진입 속도를 마하 25보다 큰 모든 속도로 정의한다. 이러한 영역에서 운용되는 우주선으로는 귀환하는 소유스 및 드래곤 우주 캡슐; 이전에 운용되었던 우주 왕복선; 스페이스X 스타쉽 및 로켓랩 일렉트론과 같은 다양한 재사용 가능 우주선 개발; 그리고 (이론적인) 우주 비행기가 있다.

다음 표에서는 "아음속" 및 "초음속"의 일반적인 의미 대신 "영역" 또는 "마하 값 범위"를 참조한다.

영역	마하 수	속도	일반적인 특징	항공기	미사일/탄두
아음속	[0–0.8)	<614mph	주로 프로펠러 구동 방식 및 고종횡비(날씬한) 날개와 코 및 앞전과 같은 둥근 특징을 가진 상업용 터보팬 항공기. 아음속 속도 범위는 항공기 전체의 기류가 마하 1 미만인 속도 범위이다. 임계 마하 수(Mcrit)는 항공기의 모든 부분에서 기류가 처음으로 마하 1에 도달하는 가장 낮은 자유 흐름 마하 수이다. 따라서 아음속 속도 범위에는 Mcrit 미만의 모든 속도가 포함된다.	모든 상업용 항공기	—
천음속	[0.8–1.2)	614mph 에서 921mph	천음속 항공기는 거의 항상 항력 발산을 지연시키는 후퇴익과 파동 항력의 발생을 지연시키는 초임계 에어포일을 가지고 있으며, 종종 Whitcomb 영역 규칙의 원칙을 따르는 설계를 특징으로 한다. 천음속 속도 범위는 항공기의 다른 부분의 기류가 아음속과 초음속 사이에 있는 속도 범위이다. 따라서 Mcrit에서 마하 1.3까지의 비행 영역을 천음속 범위라고 한다.		—
초음속	[1.2–5)	921mph 에서 3836mph	초음속 속도 범위는 항공기 전체의 기류가 초음속(마하 1 이상)인 속도 범위이다. 그러나 앞전에 부딪히는 기류는 처음에 감속되므로, 항공기 전체의 흐름이 초음속이 되도록 하려면 자유 흐름 속도가 마하 1보다 약간 커야 한다. 일반적으로 초음속 속도 범위는 마하 1.3보다 큰 자유 흐름 속도에서 시작하는 것으로 간주된다. 초음속 속도로 비행하도록 설계된 항공기는 마하 1 이상에서 기류의 급격한 차이로 인해 공기역학적 설계에 큰 차이를 보인다. 날카로운 모서리, 얇은 에어포일 단면, 그리고 모든 이동 수평 꼬리날개/카나드는 일반적이다. 현대의 전투기는 저속 핸들링을 유지하기 위해 타협해야 한다. 일반적으로 델타익을 통합하는 "진정한" 초음속 설계는 더 드물다.		—
극초음속	[5–10)	3836mph 에서 7673mph	냉각된 니켈 또는 티타늄 외피; 작은 날개. 설계는 간섭 효과가 지배적이기 때문에 개별적으로 설계된 별도의 구성 요소에서 조립되는 대신 고도로 통합된다. 즉, 단일 구성 요소의 작은 변화가 다른 모든 구성 요소 주변의 기류에 큰 변화를 일으키고, 이는 다시 해당 구성 요소의 동작에 영향을 미친다. 그 결과 모든 구성 요소가 다른 모든 구성 요소가 공기 흐름에 미치는 영향을 알지 못하고 설계될 수 없으며, 단일 구성 요소에 대한 변경 사항은 다른 모든 구성 요소의 재설계를 동시에 요구할 수 있다.
고-극초음속	[10–25)	7673mph 에서 19180mph	열 제어가 지배적인 설계 고려 사항이 된다. 구조는 뜨겁게 작동하도록 설계되거나 특수 규산염 타일 또는 유사한 것으로 보호되어야 한다. 화학적으로 반응하는 흐름은 또한 차량 외피의 부식을 유발할 수 있으며, 매우 고속의 흐름에서는 자유-원자 산소가 특징이다. 극초음속 설계는 곡률 반경이 감소함에 따라 상승하는 공력 가열 때문에 종종 둔중한 형상으로 강제된다.	—
재진입 속도	≥25	≥19180mph	절삭 열 보호막; 날개가 없거나 작은 날개; 둔중한 형상. 재진입 캡슐 참조.

4. 상사 매개변수

공기의 흐름을 분류하는 데에는 여러 무차원수인 상사 매개변수가 사용된다. 이를 통해 무수히 많은 실험 조건을 유사한 특성을 가진 그룹으로 단순화할 수 있다. 천음속 및 압축성 유동의 경우, 마하 수와 레이놀즈 수만으로도 대부분의 유동 현상을 잘 설명할 수 있다.

그러나 극초음속 유동에서는 다른 상사 매개변수들이 중요해진다. 첫째, 매우 높은 마하 수(대략 10 이상)에서는 사선 충격파의 각도가 마하 수 변화에 거의 영향을 받지 않게 된다. 둘째, 물체 주위에 강한 충격파가 형성되기 때문에, 자유 흐름 상태의 레이놀즈 수만으로는 물체 표면의 경계층 거동을 예측하기 어려워진다(물론 레이놀즈 수는 여전히 중요한 변수이다). 마지막으로, 극초음속 유동에서는 온도가 매우 높아져 공기가 이상 기체가 아닌 실제 기체처럼 행동하는 효과가 중요해진다. 이러한 이유로 극초음속 연구는 단순한 공기역학보다는 공기열역학이라는 용어로 불리기도 한다.^[5]

실제 기체 효과를 고려하면 기체의 상태를 완전히 기술하기 위해 더 많은 변수가 필요하다. 정지된 기체는 압력, 온도, 단열 지수의 세 가지 변수로 설명할 수 있고, 움직이는 기체는 여기에 유동 속도를 더해 네 가지 변수로 설명할 수 있다. 하지만 화학적으로 평형 상태에 있는 고온 기체는 화학적 조성을 설명하는 상태 방정식이 필요하며, 비평형 상태의 기체는 시간에 따른 변화까지 고려해야 하므로 시간이 추가 변수로 포함된다. 결과적으로 비평형 유동에서는 특정 시점의 기체 상태를 설명하는 데 10개에서 100개에 이르는 변수가 필요할 수 있다. 또한, 누센 수가 0.1 이상인 희박한 극초음속 유동(일반적으로 이렇게 정의됨)은 일반적인 유체 역학 방정식인 나비에-스토크스 방정식을 따르지 않는다.

극초음속 유동은 종종 총 에너지로 분류되는데, 이는 총 엔탈피 (단위: MJ/kg), 총 압력 (kPa-MPa), 정체 압력 (kPa-MPa), 정체 온도 (K), 또는 유동 속도 (km/s) 등으로 표현된다.

월리스 D. 헤이즈는 휘트컴의 면적 규칙과 유사한 개념의 상사 매개변수를 개발하여 서로 다른 형상이지만 유사한 극초음속 유동 특성을 보이는 경우를 비교할 수 있게 하였다. 특히 가늘고 긴 물체 주변의 극초음속 유동을 연구할 때, 자유 흐름 마하 수 $M_{\infty}$ 와 유동 편향각 $\theta$ 의 곱으로 정의되는 극초음속 상사 매개변수 $K$ 가 중요한 지배 변수로 사용된다.^[5]

$K = M_{\infty}\theta$

때로는 유동 편향각 $\theta$ 대신 물체의 직경 $d$ 와 길이 $l$ 의 비율인 가늘고 긴 정도 $\tau = d/l$ 가 사용되기도 한다.

5. 극초음속 영역

극초음속 유동은 나타나는 물리적 효과에 따라 대략적으로 몇 가지 영역으로 나눌 수 있다. 다만, 각 효과가 나타나는 경계가 명확하지 않기 때문에 이 구분은 대략적이다.

5. 1. 완전 기체

이 영역에서는 기체를 이상 기체로 간주할 수 있다. 유동의 특성은 여전히 마하 수에 따라 달라진다. 유동을 시뮬레이션할 때는 저속 영역에서 주로 사용하는 단열벽 조건 대신, 온도가 일정한 벽(등온 벽) 조건을 사용하는 경향이 있다. 이 속도 영역의 하한선은 램제트 엔진의 효율이 떨어지기 시작하는 마하 수 5 부근이며, 상한선은 마하 수 10~12 부근이다.

5. 2. 2-온도 이상 기체

2-온도 이상 기체 모델은 기체가 화학적으로는 이상 기체처럼 반응하지 않고 안정적이라고 가정할 수 있지만, 기체의 분자 운동 중 회전 에너지와 진동 에너지가 평형 상태에 도달하지 않아 각각 다른 온도를 가지는 경우를 다룬다. 이는 열역학적으로 완벽한 기체 상태와는 구분되며, 회전 온도와 진동 온도를 분리하여 고려하는 '두 온도 모델' (two-temperature model)로 이어진다. 특히 극초음속 흐름에서 분자의 진동 에너지가 급격한 온도 변화를 따라가지 못하고 특정 상태에 머무르는 '진동 동결' (vibrational freezing) 현상이 중요해지는데, 이는 초음속 노즐 내부의 유동 해석 등에서 중요하게 고려된다.

5. 3. 해리 기체

극초음속 영역에서는 물체가 만들어내는 충격파와 기체가 부딪히면서 기체 분자가 해리되기 시작한다. 이는 주로 대기 중에 많은 2원자 기체나 다원자 기체에서 일어난다. 물체 표면에서 일어나는 표면 촉매작용은 표면이 얼마나 뜨거워지는지 계산하는 데 중요하며, 표면을 이루는 재료의 종류 역시 공기 흐름에 영향을 준다. 이 해리 기체 영역은 기체 혼합물의 성분이 흐름의 정체점에서 처음으로 해리되기 시작하는 온도부터 시작되는데, 예를 들어 질소의 경우 약 2000 K 정도이다. 온도가 더 높아져 이 영역의 상한선에 이르면, 이온화 현상이 공기 흐름에 영향을 미치기 시작한다.

5. 4. 이온화 기체

이 영역에서는 정체된 흐름의 이온화된 전자 수가 상당해지며, 전자를 별도로 모델링해야 한다. 종종 전자 온도는 나머지 가스 성분의 온도와 별도로 처리된다. 이 영역은 자유 흐름 속도가 약 3~4 km/s일 때 발생한다. 이 영역의 가스는 비방사성 플라즈마로 모델링된다.

5. 5. 복사 지배 영역

대략 12km/s 이상에서 차량으로의 열 전달은 전도 지배에서 복사 지배로 바뀐다. 이 영역에서의 기체 모델링은 두 가지 범주로 나뉜다.

'''광학적으로 얇은''' 경우: 기체가 기체의 다른 부분에서 방출된 복사를 재흡수하지 않는다.
'''광학적으로 두꺼운''' 경우: 복사를 별도의 에너지원으로 간주해야 한다.

광학적으로 두꺼운 기체의 모델링은 각 지점에서 복사 계산으로 인해 고려되는 점의 수가 증가함에 따라 계산 부하가 이론적으로 기하급수적으로 증가하므로 극도로 어렵다.

6. 각국의 극초음속 미사일 개발 현황

극초음속 미사일은 빠른 속도와 회피 기동 능력으로 기존 미사일 방어 체계를 무력화할 가능성이 제기되면서, 미국, 러시아 등 주요 군사 강국들이 개발 경쟁을 벌이고 있다. 북한 역시 극초음속 미사일 개발을 공개하며 한반도 및 주변 지역의 군사적 긴장감을 높이고 있다. 주요 국가들의 구체적인 극초음속 미사일 개발 현황은 아래 하위 문단에서 확인할 수 있다.

6. 1. 미국

6. 2. 러시아

6. 3. 북한

화성-8형

7. 극초음속 미사일의 군사적, 전략적 함의

극초음속 미사일은 빠른 속도와 회피 기동 능력으로 인해 기존 미사일 방어 체계를 무력화할 잠재력을 가지며, 이는 군사 전략 및 국제 안보에 중대한 영향을 미친다. 이러한 군사적, 전략적 함의 때문에 세계 주요국들은 극초음속 미사일 개발에 경쟁적으로 나서고 있다. 관련하여 주목받는 극초음속 미사일 또는 관련 무기체계의 예시는 다음과 같다.

참조

_[1] 서적 Atmospheric Flight in the Twentieth Century https://books.google[...] Springer
_[2] 웹사이트 Specific Heat Capacity, Calorically Imperfect Gas https://www.grc.nasa[...] NASA 2019-12-27
_[3] 학술지 Recent research in magneto-aerodynamics https://www.scienced[...] 2001-01-01
_[4] 웹사이트 Hypersonics https://link.springe[...]
_[5] 서적 Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics American Institute of Aeronautics and Astronautics
_[6] 웹사이트 極超音速機 https://www.jsme.or.[...] 一般社団法人日本機械学会 2023-07-12