초음속기

3. 설계 원리

초음속 비행은 아음속 비행과 비교하여 공기역학적으로 큰 차이를 보인다. 특히 천음속 영역(약 마하 0.85~1.2)을 통과할 때 공기 저항이 급격히 증가하여 훨씬 더 큰 엔진 출력과 유선형의 기체가 필요하다. 초음속 공기역학은 아음속 공기역학보다 단순한데, 비행기 내의 서로 다른 지점에서 공기 흐름이 서로 영향을 미치지 못하는 경우가 많기 때문이다. 설계자들은 크기의 갑작스러운 변화를 최소화하기 위해 휘트컴 면적 법칙을 사용한다.

3. 1. 날개

3. 2. 엔진

초음속 항공기는 일반적으로 음속 이하 및 이상에서 허용 가능한 효율을 갖는 저 바이패스 터보팬을 사용한다. 초음속 순항이 필요한 경우, 초음속에서 나셀 항력이 적기 때문에 터보제트 엔진이 더 적합할 수 있다. 록히드 SR-71 블랙버드의 프랫 & 휘트니 J58 엔진은 두 가지 방식으로 작동했는데, 이륙과 착륙 시에는 바이패스 없이 터보제트로 작동했지만, 고속에서는 압축기 공기의 일부를 애프터버너로 바이패스했다. 이를 통해 블랙버드는 마하 3 이상으로 비행할 수 있었으며, 이는 다른 어떤 생산 항공기보다 빠른 속도였다. 이러한 속도에서 공기 마찰로 인한 가열 효과는 열에서 분해되지 않고 버너로 가는 연료 파이프를 막지 않는 특수 연료를 개발해야 함을 의미했다.

또 다른 고속 동력 장치는 램제트이다. 램제트는 작동하기 전에 상당히 빠르게 비행해야 한다.

3. 3. 공력 가열

고속에서는 공력 가열이 발생할 수 있으므로 항공기는 매우 높은 온도에서 작동하고 기능하도록 설계되어야 한다. 전통적으로 항공기 제조에 사용되는 재료인 두랄루민은 비교적 낮은 온도에서 강도를 잃고 변형되기 시작하며, 마하 2.2~2.4 이상의 속도에서는 지속적으로 사용할 수 없다. 티타늄 및 스테인리스강과 같은 재료는 훨씬 더 높은 온도에서 작동할 수 있다. 예를 들어 록히드 SR-71 블랙버드 제트기는 마하 3.1로 지속적으로 비행할 수 있었고, 이로 인해 항공기 일부 부품의 온도가 315°C 이상으로 상승할 수 있었다.

3. 4. 천음속 비행

항공기 표면의 여러 지점에서 공기 흐름이 국부적으로 가속되거나 감속될 수 있다. 마하 1 부근 영역에서는 일부 구역에서 초음속 흐름이 발생하고 다른 구역에서는 아음속 흐름이 발생할 수 있는데, 이러한 영역을 천음속 비행이라고 한다. 항공기 속도가 변경됨에 따라 압력파가 형성되거나 이동한다. 이는 항공기의 트림, 안정성 및 조종성에 영향을 미칠 수 있으며, 항공기는 아음속 또는 완전 초음속 속도보다 더 높은 항력을 경험하게 된다. 설계자는 이러한 영향이 모든 속도에서 고려되도록 해야 한다.

3. 5. 극초음속 비행

마하 5 이상의 속도로 비행하는 것을 흔히 극초음속이라고 부른다. 이 영역에서는 항력과 가열 문제가 더욱 심각해진다. 이러한 속도에서 공기 저항에 의해 생성되는 힘과 온도를 견딜 수 있는 재료를 만드는 것은 어려운 일이다.

제트 엔진(터보제트 엔진 · 저 바이패스비 터보팬 엔진)은 작동 원리상 고속이 될수록 추진 효율이 향상되고, 음속을 돌파한 후에는 공기 저항이 감소하는 반면, 최고 속도가 마하 1급 정도의 초음속기는 적다. 1947년 10월 실험기X-1에 의해 마하 1이 돌파된 후, 1953년 11월 D-558-2에 의해 마하 2급에 달했다. 한편, 마하 3을 넘으면 대기의 단열 압축에 의해 가속적으로 기체 표면 온도가 상승하므로 (열의 벽), 최고 속도가 마하 3 이상인 초음속기도 극히 드물다.

현재 대부분의 초음속기의 최고 속도는 마하 수 2급이다.

4. 음속 폭음

5. 초음속 순항 (Supercruise)

''초음속 순항''(Supercruise)은 초음속 항공기가 애프터버너를 사용하지 않고 효율적으로 지속적인 초음속 비행을 하는 것을 말한다. 애프터버너는 매우 비효율적이기 때문에, 이를 사용하지 않고 초음속 순항을 하는 것은 연료 효율을 높이고 항속 거리를 늘릴 수 있다.^[7] 많은 초음속 군용 항공기들은 애프터버너를 사용하여 짧은 시간 동안만 마하 1 이상의 속도로 비행할 수 있지만, SR-71 블랙버드와 같은 항공기는 애프터버너를 켠 상태로 초음속 순항을 할 수 있도록 설계되었다.

초음속 순항이 가능한 대표적인 항공기 중 하나는 콩코드이다. 콩코드는 상업용 항공기로 오랫동안 운항했기 때문에, 다른 모든 항공기를 합친 것보다 초음속 순항에 가장 많은 시간을 할애한 기록을 보유하고 있다.^[7]

6. 용도별 초음속기

초음속기는 그 용도에 따라 초음속 수송기, 초음속 비즈니스 제트기, 군용기 등으로 나눌 수 있다.

• 초음속 수송기(SST): 음속보다 빠른 속도로 승객을 운송하는 민간 여객기이다. 소련의 투폴레프 Tu-144와 프랑스-영국 합작 콩코드가 대표적이다.
• 초음속 비즈니스 제트기(SSBJ): 10명 정도의 승객을 수송할 수 있는 소형 초음속기이다.
• 군용기:
• 초음속 전략 폭격기: 전략 폭격기는 장거리 비행과 대량 폭탄 탑재를 위해 보통 25,000kg이 넘는 대형 항공기이다. 초음속 전략 폭격기는 컨베어 B-58 허슬러(1956년 최초 비행), 록웰 B-1B 랜서(1983년 최초 비행) 등 몇몇 기종이 실전에 배치되었고, 오늘날에도 운용되고 있다.
• 초음속 전략 정찰기: 록히드 SR-71 블랙버드는 초음속 전략 정찰 임무를 위해 특별히 설계된 항공기이다.
• 초음속 전투기/공격기: 미코얀-구레비치 MiG-21, 록히드 F-104 스타파이터, 다소 미라주 III 등은 대량 생산된 초음속 전투기다. 여러 국가에서 4세대 및 5세대 군용 초음속 전투기를 개발하고 있다.
• 초음속 연구 항공기: 초음속 비행 특성 연구 및 신기술 개발을 위해 특별히 설계된 항공기다. 벨 X-1은 수평 비행에서 최초로 음속 장벽을 돌파한 로켓 추진 항공기다.

6. 1. 초음속 수송기 (SST)

1960년대부터 1970년대에 걸쳐 초음속 여객기 설계 연구가 다수 이루어졌고, 최종적으로 소련의 투폴레프 Tu-144 (1968년), 영불의 콩코드 (1969년) 2기종이 취항했다. 그러나 정치적, 환경적, 경제적 장애와 콩코드 추락 사고 등으로 인해 상업적인 가능성을 최대한 발휘할 수 없었다.

6. 2. 초음속 비즈니스 제트기 (SSBJ)

6. 3. 군용기

6. 3. 1. 초음속 전략 폭격기

6. 3. 2. 초음속 전략 정찰기

6. 3. 3. 초음속 전투기/공격기

제트 엔진(터보제트 엔진 · 저 바이패스비 터보팬 엔진)은 고속이 될수록 추진 효율이 향상되고, 음속 돌파 후에는 공기 저항이 감소하는 특성이 있다. 1947년 실험기X-1에 의해 마하 1이 돌파되었고, 1953년 D-558-2에 의해 마하 2급에 도달했다. 마하 3을 넘으면 대기의 단열 압축에 의해 기체 표면 온도가 급격히 상승하므로(열의 벽), 최고 속도가 마하 3 이상인 초음속기는 매우 드물다.

현재 대부분 초음속기의 최고 속도는 마하 수 2급이다. 현대 전투기 대부분은 초음속 비행이 가능하지만, 애프터버너를 사용해야 일시적으로 초음속을 낼 수 있는 경우가 많다. 대공 미사일의 발달로 인해 공격 회피 수단으로서 초음속 비행의 중요성은 낮아졌다.

2세대 제트 전투기부터 3세대 제트 전투기 시대에는 초음속 비행 능력이 필수적이었으나, 4세대 제트 전투기 시대에 들어서면서 고속 성능이 덜 중요시되어 마하 2급 정도에 머무는 기체가 늘고 있다. 하지만 마하 1.5 이상에서의 비행 능력은 여전히 필수적인 것으로 간주되며, 작전기는 보통 마하 1.6~2.0 정도의 최고 속도를 낼 수 있다.

5세대 제트 전투기 시대에는 수퍼크루즈(엔진의 바이패스비를 낮춰 애프터버너 없이 초음속 순항하는 능력) 능력이 주목받고 있으며, F-22가 그 예시이다.

6. 4. 초음속 연구 항공기

수평 비행으로 초음속 비행을 한 최초의 항공기는 액체 산소와 에틸 알코올을 동력으로 하는 로켓을 탑재한 미국의 벨 X-1 로켓 실험기이다.

참조

_[1] 웹사이트 Jacqueline Cochran and the Women's Airforce Service Pilots. https://www.eisenhow[...] National Archives and Records Administration: The Dwight D. Eisenhower Presidential Library, Museum, and Boyhood Home. 2013-07-10
_[2] 서적 German Jet Genesis Jane's 1982
_[3] 웹사이트 I Was There: When the DC-8 Went Supersonic http://www.airspacem[...] 2017-02-03
_[4] 학술지 Theory of aerodynamic design for swept-winged aircraft at transonic and supersonic speeds https://doi.org/10.1[...] 1967
_[5] 학술지 Flight Demonstration Of Low Overpressure N-Wave Sonic Booms And Evanescent Waves http://nix.nasa.gov/[...] NASA 2015-02-12
_[6] 웹사이트 Crackin' Good Mathematics http://www.americans[...] 2002
_[7] 웹사이트 Defence & Security Intelligence & Analysis - IHS Jane's 360 http://www.janes.com[...] janes.com 2015-09-04
_[8] 웹사이트 Boom Technology's Supersonic jet with 1,700mph top speed ready for test flight https://www.theindia[...] 2020-07-14
_[9] 뉴스 NASA's experimental supersonic aircraft now known as X-59 QueSST http://www.spacedail[...] Space Media Network 2018-06-30
_[10] 웹사이트 Jacqueline Cochran and the Women's Airforce Service Pilots. https://www.eisenhow[...] National Archives and Records Administration: The Dwight D. Eisenhower Presidential Library, Museum, and Boyhood Home. 2013-07-10
_[11] 서적 German Jet Genesis Jane's 1982
_[12] 웹사이트 I Was There: When the DC-8 Went Supersonic http://www.airspacem[...] 2017-02-03