초음속
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1. 개요
초음속은 소리보다 빠른 속도를 의미하며, 라틴어 단어에서 유래되었다. 채찍, 총알, 우주선 등 다양한 물체가 초음속에 도달할 수 있으며, 마하 수에 따라 비압축성, 아음속, 천음속, 초음속, 극초음속으로 분류된다. 초음속 기술은 군사, 민간 분야에서 활용되며, 전투기, 극초음속 병기, 초음속 수송기 등에 사용되었다. 1947년 척 예거의 X-1이 최초의 유인 초음속 비행을 달성했으며, 이후 다양한 기록들이 세워졌다. 음속에 가까워지면 발생하는 조파 저항을 극복하는 기술적 어려움은 음속의 벽으로 불렸다.
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| 초음속 | |
|---|---|
| 속도 정보 | |
| 정의 | 소리의 속도를 넘는 속도 |
| 참고 | 음속 참고 |
| 음속 | 343.2(일반적인 조건에서) |
 | |
| |
2. 어원
초음속이라는 단어는 라틴어에서 유래된 단어 두 개에서 파생되었다. 1) ''super'': ~보다 위에, 2) ''sonus'': 소리. 이 둘을 합쳐 소리보다 위, 즉 소리보다 빠르다는 의미를 가진다.[7]
20세기 초, "초음속"이라는 용어는 정상적인 인간의 가청 범위를 초과하는 주파수의 소리를 설명하는 형용사로 사용되었다. 이 의미에 대한 현대적인 용어는 "초음파"이지만, 이전의 의미는 수퍼헤테로다인과 같은 단어에서 여전히 사용된다.
3. 초음속 물체
초음속 물체는 음속보다 빠른 속도로 움직이는 물체를 말한다. 소리의 속도는 고도에 따라 약간 감소하는데, 이는 더 낮은 온도가 발견되기 때문이다(일반적으로 최대 25km). 더 높은 고도에서는 온도가 상승하기 시작하여 소리의 속도가 그에 따라 증가한다.
음속은 매질을 통해 전파되는 진동의 최고 속도이며, 초음속에서는 이를 넘어서기 때문에 물체 선단부에서 퍼지는 충격파와 같은 특이한 현상이 발생한다. 그러나 실제로 이동하는 물체의 주변에서는 공기 등 매질은 복잡한 흐름(난류)을 가지며, 물체 표면과 매질의 상대 속도는 확률 분포를 보인다. 이는 기체가 초음속에 도달하지 않더라도 기체의 일부에서는 초음속에 의한 충격파가 발생할 수 있음을 의미한다. 따라서 항공기 설계 및 운용 등에서는 기체 표면에 초음속 기류가 존재하지 않는 속도(아음속)를 넘어 모든 기류가 초음속이 될 때까지의, 아음속 기류와 초음속 기류가 혼재하는 영역을 천음속으로 별도로 취급한다.
항공기의 충격파를 관측하기 위해서는 태양을 광원으로 하는 슐리렌법으로 촬영되었지만, 촬영 가능한 것은 태양면 통과 시(2회)로 제한되었다. 2015년 미국 항공 우주국(NASA)의 암스트롱 비행 연구 센터에서 필터를 이용하여 여러 번 촬영이 가능하도록 한 『배경 지향 슐리렌(BOS) 기법』이 개발되었다.[7]
3. 1. 초기 사례
채찍의 끝은 음속에 도달하도록 설계된 최초의 물체로 여겨진다. 이러한 동작은 특징적인 "딱" 소리를 내는데, 이는 실제로 음속 폭음이다.[3] 최초의 인공 초음속 폭음은 흔한 천 조각에 의해 발생했을 가능성이 높으며, 이는 채찍의 발달로 이어졌다.[3] 채찍을 통해 이동하는 파동이 채찍이 초음속 속도를 달성할 수 있게 해준다.[4][5]
팽팽하게 부풀린 풍선이 터질 때 찢어진 라텍스 조각은 초음속으로 수축하며, 이는 날카롭고 큰 파열음에 기여한다.
3. 2. 현대의 초음속 물체
대부분의 현대식 총기 탄환은 초음속이며, 소총 발사체는 종종 마하 3에 근접하거나 경우에 따라[6] 훨씬 초과하는 속도로 이동한다.
대부분의 우주선은 재진입 과정의 적어도 일부 동안 초음속이지만, 낮은 공기 밀도로 인해 우주선에 미치는 영향은 감소한다. 상승 중에는 발사체는 공기 저항을 줄이기 위해 일반적으로 30km(약 29992.32m) 이하에서는 초음속으로 진입하는 것을 피한다.
3. 3. 육상 교통
현재까지 초음속 속도로 공식적으로 주행한 육상 차량은 ThrustSSC뿐이다. 앤디 그린이 운전한 이 차량은 1997년 10월 15일 블랙 록 사막에서 왕복 주행 평균 속도 763mph을 기록하며 세계 육상 속도 기록을 보유하고 있다.[3]
Bloodhound LSR 프로젝트는 2020년 남아프리카 공화국 Hakskeenpan에서 제트 엔진과 하이브리드 로켓을 결합한 차량으로 기록 경신을 시도할 계획이었다. 목표는 기존 기록을 깨고, 이후 팀원들이 최대 1000mph의 속도에 도달하고자 추가 시도를 하는 것이었다. 이 프로젝트는 원래 ThrustSSC 프로젝트의 리더였던 리처드 노블이 이끌었으나, 2018년 자금 문제로 인해 팀이 이안 워허스트에게 인수되어 Bloodhound LSR로 이름이 변경되었다. 이후 코로나19 범유행으로 인해 프로젝트가 무기한 연기되었고, 해당 차량은 매물로 나왔다.[4]
3. 4. 항공 및 우주
대부분의 현대 전투기는 초음속 항공기이다. 현대 여객기 중 초음속 속도를 낼 수 있는 기종은 없지만, 초음속 수송기인 콩코드와 투폴레프 Tu-144가 있었다. 이 두 여객기 외에도 일부 현대 전투기는 애프터버너를 사용하지 않고도 지속적인 초음속 비행이 가능한 슈퍼크루즈 능력을 갖추고 있다. 콩코드는 수 시간 동안 슈퍼크루즈 비행을 할 수 있었고 수십 년 동안 비교적 높은 빈도로 비행했기 때문에, 다른 모든 항공기를 합친 것보다 훨씬 더 많은 시간을 초음속으로 비행했다. 2003년 11월 26일 콩코드의 마지막 비행 이후, 현재 운항 중인 초음속 여객기는 없다. 투폴레프 Tu-160과 록웰 B-1 랜서와 같은 일부 대형 폭격기도 초음속 비행이 가능하다.
초음속 항공기의 공기역학은 비행기 각 지점의 공기 흐름이 서로 영향을 미치지 못하는 경우가 많기 때문에 아음속 공기역학보다 간단하다. 초음속 제트기와 로켓 차량은 천음속 영역(약 마하 0.85–1.2)에서 발생하는 추가적인 공력 저항을 극복하기 위해 몇 배 더 큰 추력이 필요하다. 이러한 속도에서 항공우주 공학자들은 새로운 충격파를 발생시키지 않고 항공기 동체 주위의 공기를 부드럽게 유도할 수 있지만, 차량의 후방에서 단면적의 변화가 생기면 동체를 따라 충격파가 발생한다. 설계자들은 초음속 면적 규칙과 Whitcomb 면적 규칙을 사용하여 크기의 갑작스러운 변화를 최소화한다.
그러나 실제 응용 분야에서 초음속 항공기는 아음속 및 초음속 프로파일 모두에서 안정적으로 작동해야 하므로 공기역학적 설계가 더 복잡하다.
초음속 저항을 낮추는 주요 핵심은 전체 항공기의 모양을 길고 얇게 하고, "완벽한" 형상, 즉 폰 카르만 오지브 또는 시어스-하크 바디에 가깝게 만드는 것이다. 이로 인해 거의 모든 초음속 순항 항공기는 매우 길고 가느다란 동체와 큰 삼각 날개를 가지고 있어, SR-71 블랙버드, 콩코드 등과 매우 유사하게 보인다. 여객기에는 이상적이지 않지만, 이러한 형태는 폭격기 사용에 상당히 적합하다.
초음속으로 인해 발생하는 충격파(압력파)나, 이것이 감쇠된 소닉 붐 (충격음)이 지상에 도달하면, 건조물의 유리가 깨지는 등의 피해를 주기 때문에, 초음속기의 운용에는 제약 조건이 많다. 또한, 엔진의 효율이 나쁘고, 운용비가 매우 비싸게 든다. 따라서, 현재 운용되고 있는 것은 높은 속도가 요구되는 군용기뿐이다. 많은 항공기는 저비용으로 항속 거리도 길고 환경에 대한 영향도 적은 아음속기이다.
4. 초음속의 분류
음속은 매질을 통해 전파되는 진동의 최고 속도이며, 초음속에서는 이를 넘어서기 때문에 물체 선단부에서 퍼지는 충격파와 같은 특이한 현상이 발생한다. 그러나 실제로 이동하는 물체 주변의 공기 등 매질은 복잡한 흐름(난류)을 가지며, 물체 표면과 매질의 상대 속도는 확률 분포를 보인다. 이는 기체가 초음속에 도달하지 않더라도 기체의 일부에서는 초음속에 의한 충격파가 발생할 수 있음을 의미한다. 따라서 항공기 설계 및 운용 등에서는 아음속 기류와 초음속 기류가 혼재하는 영역을 천음속으로 별도 취급한다.
흐름은 마하 수에 따라 분류되며, 그 특징은 다음과 같다.[8]
| 마하 수 | 분류 | 특징 |
|---|---|---|
| 0.3 이하 | 비압축성 흐름 | 유체의 내부 에너지가 운동 에너지에 비해 매우 커서 속도 변화에 따른 온도 변화를 무시할 수 있다. |
| 0.3 이상, 1 미만 | 아음속 | 정성적으로는 비압축성 흐름과 유사하지만, 속도 변화에 따른 온도 변화는 무시할 수 없다. |
| 1 전후 (0.8 ~ 1.3) | 천음속 | 충격파 발생, 음속 장벽 문제 발생. |
| 1.3 ~ 5.0 | 초음속 | 공력 가열 발생, 열의 장벽 문제 발생, 사선 충격파 발생. |
| 5.0 이상 | 극초음속 | 충격파층 발생, 공기 조성 변화, 특수 열 방호 시스템 필요. |
위 모든 영역을 통과하는 대기권 재진입 캡슐의 경우 방대한 데이터 획득이 요구된다.[9]
4. 1. 비압축성 흐름
마하 수 0.3 이하의 흐름이다. 유체의 내부 에너지가 운동 에너지에 비해 매우 커서 속도 변화에 따른 온도 변화를 무시할 수 있다. 공학적으로는 저속 풍동에 의한 시험이 이 영역이며 항공기의 이착륙, 낙하산, 자동차, 풍력 발전기, 빌딩풍 등 다종 다양한 모형 또는 실기의 흐름이 해석된다.[10]4. 2. 아음속
마하 수가 0.3 이상이고, 흐름장의 모든 곳에서 1 미만인 상태이다. 정성적으로는 비압축성 흐름과 유사하지만, 속도 변화에 따른 온도 변화는 무시할 수 없다. 비열비 1.4의 이상 기체로 생각했을 경우, 밀도의 상대 변화는 5% 이상이 되며[11], 이를 문제 삼는 정밀 측정의 경우 압축성 흐름으로 해석한다.4. 3. 천음속
마하 1 전후(보통 0.8에서 1.3 정도)의 속도 영역이다. 제트 여객기의 순항 속도(950-1100 km/h)가 이에 해당한다. 이 속도에서는 충격파가 발생하여 음속 장벽이라고 불리는 문제를 일으킨다. 고아음속에서 마하 수가 올라감에 따라, 마하 1 이하에서도 기체의 형상 및 비행 자세 변화 등의 요인에 의해 국소적으로 음속에 도달하는 부분이 생기고, 충격파에 의한 조파 저항과 버펫 등이 문제가 된다.이 때문에 다양한 천음속 익형이 고안되고 있다. 제트 여객기의 개발 경쟁에 있어서는 이 영역에 대해 천음속 풍동 및 CFD를 활용하여 매우 정밀한 측정이 이루어지고 있다.[12] 그 이유는 순항 속도 상한 확대, 또는 공력 성능 향상에 의한 연비 개선 등이다.[13]
4. 4. 초음속
마하 수 1.3에서 5.0 정도의 속도이다. 많은 제트 전투기의 최고 속도에 해당하며, 기류에서 기체로 열이 전달되는 '''공력 가열'''[14] 현상이 발생하기 시작한다. 특히 마하 수 3 부근에서는 열의 장벽이라고 불리는 문제가 발생한다. 또한, 초음속기의 날개 등 날카로운 형상에서는 '''사선 충격파'''라고 불리는 특징적인 강한 충격파가 발생하기 때문에 다양한 기체 형상 및 초음속 익형이 고안되고 있다. 초음속 비행 시에는 소닉 붐에 의한 소음이 문제가 되지만, 최근 항공 기술 발전에 따라, 일본에서는 저소음 기체의 연구가 활발하게 진행되고 있다.[15]4. 5. 극초음속
마하 5.0 이상은 우주 왕복선의 재돌입 시와 같이 극히 특수한 현상이 발생하기 때문에, 넓은 의미에서 초음속에 포함되지만 별도로 취급되며 다른 이론이 적용된다. 풍동 실험에서는 운동 에너지가 매우 커서 극초음속 흐름의 정압은 매우 작다 (하지만 실제 비행에서는 정압이 단지 대기압이므로 고도에 의존한다).[16]극초음속의 특징은 다음과 같다:[16]
- 충격파가 물체 표면에 접근하여 '''충격파층'''이 발생한다.
- 물체 선단부의 단열 압축 및 물체 표면의 점성으로 인해 공기가 극고온이 되어 조성이 변한다.
- 흐름에 평행한 얇은 판에서도 강한 충격파가 발생한다.
공력 가열로부터 기체를 보호하기 위해 특수한 열 방호 시스템이 필요하며, 다양한 형태의 시스템이 고안 및 연구되고 있다.[17][18][19][20]
5. 초음속 기술의 이용
초음속 기술은 군사 및 민간 분야에서 다양하게 이용된다.
군사적으로는 대부분의 현대 군용 소화기 총알이 초음속이며, 소총탄의 초속은 마하 3에 달한다.[1] 대부분의 제트 전투기는 초음속 비행을 할 수 있고, 짧은 시간 동안 마하 2 정도로 비행하는 경우도 많다.[1] 여러 국가에서 극초음속 병기 개발도 진행하고 있다.[1]
민간 분야에서는 초음속 여객기가 소닉 붐(충격음) 발생, 높은 운용 비용 등의 문제로 현재는 운용되지 않는다. 과거 콩코드와 Tu-144 같은 초음속 여객기가 있었지만, 지금은 모두 퇴역했다. 다만, 워터 제트 가공기 중에는 물을 마하 3으로 분출하는 장비가 있다.
5. 1. 군사적 이용
대부분의 현대 군용 소화기 총알은 초음속이다.[1] 소총탄의 초속은 마하 3이라고 한다.[1] 대부분의 제트 전투기는 초음속 비행 능력을 갖추고 있으며, 짧은 시간 마하 2 정도로 비행할 수 있는 것이 많다.[1] 각국에서 극초음속 병기 개발이 진행되고 있다.[1]5. 2. 민간 이용
초음속기는 운용에 제약 조건이 많다. 초음속으로 인해 발생하는 충격파나 소닉 붐(충격음)이 지상에 도달하면 건물의 유리가 깨지는 등의 피해를 주기 때문이다. 또한, 엔진 효율이 나빠 운용비가 매우 비싸다. 따라서 현재는 높은 속도가 요구되는 군용기만 운용되고 있으며, 대부분의 항공기는 저비용, 긴 항속 거리, 환경 영향이 적은 아음속기이다.과거에는 초음속 여객기인 콩코드(2003년 11월 25일까지)와 Tu-144(여객편은 100편 정도 운행)가 운용되었다. 그러나 현재는 업무용 초음속 여객기는 남아 있지 않다.
워터 제트 가공기 중에는 물을 마하 3으로 분출시키는 것이 있다.
6. 역사
- 1947년 10월 14일 척 예거가 조종하는 X-1이 마하 1.06(1,299km/h)을 기록하여 최초로 유인 초음속 비행을 달성했다.
- 1961년 8월 21일 더글러스 DC-8이 미국 에드워즈 공군 기지 상공에서 실시된 비행 테스트에서 마하 1.021(1,261km/h)를 기록하여, 여객기로는 최초로 초음속 비행을 달성했다.
- 1967년 10월 3일 윌리엄 J. 나이트가 조종하는 X-15A-2가 유인기의 최고 속도 기록인 마하 6.7(7,274km/h)를 기록했다.
- 1997년 10월 15일 앤디 그린이 조종하는 Thrust SuperSonicCar가 마하 1.016(1,228km/h)를 기록하여 최초로 자동차에 의한 음속 돌파를 달성했다.
- 2004년 11월 14일 무인 실험기 X-43A가 마하 9.8(11,199.6km/h)을 기록했다.
- 2010년 4월 22일 무인 실험기 HTV-2a가 마하 22(26,951km/h)를 기록했지만, 그 후 행방불명되었다.
- 2012년 10월 14일 펠릭스 바움가르트너가 고도 약 39,000m에서 초음속 자유 낙하를 달성했다.
덧붙여, 1945년 4월 9일에 한스 기도 뮈케(en)가 메서슈미트 Me262에 의한 급강하 가속으로 음속 도달을 주장했지만, 공식적으로 인정되지 않았다. 또한, 1947년 10월 1일과 1948년 4월 26일에 조지 웰치(en)가 조종하는 XP-86이 급강하에 의해 음속을 돌파한 기록도 있지만, 어느 것도 수평 비행은 아니다.
6. 1. 음속의 벽 돌파
항공기가 음속에 가까워지면 기수 앞부분의 공기가 압축되어 온도가 높아진다. 또한 음속에 도달하면 높은 에너지를 가진 충격파가 발생하는데, 이를 만들어내기 위해 큰 운동 에너지가 필요하다. 이것을 조파 저항이라고 하며, 항공기 개발 과정에서 이를 극복하는 기술적인 어려움 때문에 음속의 벽이라고 불렸다.1942년, 영국의 항공 대신은 마일스 항공기와 함께 음속의 벽을 돌파할 수 있는 세계 최초의 항공기를 개발하는 계획을 극비리에 시작했다. 그 결과, 마일스 M.52 시제기가 개발되었다. 이 항공기는 고도 11km에서 1분 30초 만에 시속 1600km에 도달하도록 설계되었다.
이 항공기 설계에는 현재 초음속 항공기에서도 사용되는 혁신적인 기술들이 많이 도입되었다. 가장 중요한 발전 중 하나는 초음속에서도 조종성을 유지할 수 있게 해주는 전 가동식 수평 꼬리날개였다. 이것은 마일스 연구소의 데니스 밴크로프트와 그의 프로젝트 팀이 독창적으로 고안해낸 것이었다. 이 계획은 유인 전투 비행이 이루어지기 전에 과학 연구소 소장 벤 록스페이서 경에 의해 중단되었다.
이후 정부 명령에 의해 마일스 M.52에 관한 모든 설계 데이터와 조사 결과는 미국의 벨 항공기 회사로 보내졌다. 양측 관리자 간 정보 교환 합의가 있었지만, 기록에 따르면 미국 정부는 영국의 데이터를 받은 후 취급을 봉인했다고 한다. 이후 마일스 M.52 설계 검증 실험에서 사람이 타지 않은 3/10 크기 모형이 1948년 10월에 마하 1.5를 달성했다고 한다.
참조
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上空3.9万メートルからのダイビングに成功、音速超える
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