웨이브라이더
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1. 개요
웨이브라이더는 기체 전방에서 생성되는 충격파를 이용하여 양력을 얻는 극초음속 비행체 설계 개념이다. 1950년대에 처음 개발되어, 재진입 시 열을 방출하기 위해 넓은 표면적을 가진 델타익 형태를 특징으로 한다. 웨이브라이더는 특정 마하 수에서만 효율적으로 작동하고 속도 변화에 따라 양력이 크게 변하며, 복사 냉각에 의존하는 등의 설계적 문제를 해결하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있다. 최근에는 표면 재료 개발과 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다.
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| 웨이브라이더 | |
|---|---|
| 웨이브라이더 | |
 | |
| 개요 | |
| 종류 | 축대칭 웨이브라이더 콘 웨이브라이더 2차원 웨이브라이더 3차원 웨이브라이더 |
| 상세 정보 | |
| 작동 원리 | 웨이브라이더는 충격파를 사용하여 양력을 생성하고, 공기역학적 항력을 줄이는 극초음속 항공기 설계 방식이다. |
| 특징 | 높은 양력-항력 비 낮은 항력 극초음속 비행에 적합 |
| 장점 | 연료 효율성 향상 더 긴 항속 거리 더 높은 속도 |
| 단점 | 설계 복잡성 제작 비용 제어 어려움 |
| 적용 분야 | 극초음속 항공기 극초음속 미사일 우주 왕복선 |
| 예시 | HTV-2 X-43 X-51 |
| 참고 자료 | |
| 참고 문헌 | R. Radespiel, "Waversider Configurations Derived from Inclined Circular and Elliptic Cones," 2nd European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, November 1994. T. G.িয়াম্বু, “Study on the Aerodynamic Characteristics of Cone-Derived Waverider Configurations", Aircraft Engineering and Aerospace Technology, Vol. 84 Iss: 6, pp. 404 – 410 |
2. 역사
웨이브라이더의 설계 개념은 1951년 벨파스트 퀸스 대학교의 테렌스 논바일러(Terence Nonweiler)에 의해 처음 개발되었으며, 재진입 비행체로 처음 묘사되었다.[3] 이는 재진입 시 열을 방출하기 위해 상당한 표면적을 제공하는 낮은 날개 하중의 델타익 플랫폼으로 구성되었다.
1950년대에 영국은 블루 스트릭 미사일을 기반으로 하는 우주 프로그램을 시작했으며, 암스트롱 휘트워스(Armstrong-Whitworth)는 재진입 비행체를 개발하기 위해 계약을 맺었다. 1957년부터 1959년까지 논바일러와 계약을 맺어 그의 개념을 발전시켰고, 평평한 바닥과 짧은 날개를 가진 피라미드 모양의 설계를 만들었다. 1960년, 블루 스트릭 미사일이 구식으로 간주되어 작업이 취소된 후, 영국 왕립 항공 연구소(Royal Aircraft Establishment, RAE)에서 고속(마하 4~7) 민간 여객기 연구 프로그램으로 계속되었다.[4]
이 연구는 노스 아메리칸 항공(North American Aviation)의 엔지니어들이 XB-70 폭격기를 설계하는 초기 연구 중에 발견되었다.
논바일러는 날개 모양을 조절하여 충격파를 기체 아래에 가두는 방식을 연구했고, 1962년 글래스고 대학교로 옮긴 후 "정확한 충격파 이론에 적합한 델타 날개 형태"라는 논문을 발표하여 왕립 항공 학회 금메달을 수상했다. 이 논문의 날개는 "캐럿"(^) 모양을 하고 있어 "캐럿 날개"라고 불렸다.
RAE의 연구 결과, 웨이브라이더를 이용하면 호주까지 90분 만에 도달할 수 있다는 전망이 제시되었다. 호커 시들리는 1960년대 후반 달 로켓 설계를 위해 캐럿 날개 웨이브라이더를 연구했으며, 1971년에는 2단계 재사용 가능 우주선 설계를 제안했다.
초고속 유동 연구가 발전하면서, 원뿔에 의해 생성되는 원추형 충격파를 이용하는 웨이브라이더 설계가 연구되기 시작했다.[5]
1980년대부터 유용한 전산 유체 역학이 도입되기 전까지 경계층과 항공기 기수에서 생성되는 충격파의 상호작용 효과를 계산하는 것은 어려웠으나, 1981년 오클라호마 대학교의 모리스 라스무센이 새로운 3D 하단 모양에 대한 논문을 발표하여 웨이브라이더 연구에 새로운 전기를 마련했다. 이후 복잡한 원추형 충격파를 기반으로 하는 소프트웨어를 사용하여 원뿔 파생 웨이브라이더 계열이 설계되었고, 1989년 메릴랜드 대학교에서 ''제1회 국제 극초음속 웨이브라이더 회의''가 열렸다.[1]
2. 1. 초기 연구 (1950년대 ~ 1960년대)
웨이브라이더 설계 개념은 1951년 벨파스트 퀸스 대학교의 테렌스 논바일러(Terence Nonweiler)에 의해 처음 개발되었으며, 재진입 비행체로 처음 인쇄물에 묘사되었다.[3] 이는 재진입 시 열을 방출하기 위해 상당한 표면적을 제공하는 낮은 날개 하중의 델타익 플랫폼으로 구성되었다. 당시 논바일러는 항공기 주변의 공기 흐름에 대한 매우 단순화된 2D 모델을 사용해야 했는데, 이는 날개 전체에 걸친 가로 방향 흐름으로 인해 정확하지 않을 것이라고 생각했다. 그러나 그는 또한 가로 방향 흐름이 항공기에서 생성되는 충격파에 의해 멈추게 되며, 날개가 의도적으로 충격파에 접근하도록 배치되면 가로 방향 흐름이 날개 아래에 갇혀 압력이 증가하고, 따라서 양력이 증가한다는 것을 알아차렸다.1950년대에 영국은 블루 스트릭 미사일을 기반으로 하는 우주 프로그램을 시작했으며, 이 프로그램에는 어느 시점부터 유인 비행체가 포함될 예정이었다. 암스트롱 휘트워스(Armstrong-Whitworth)는 재진입 비행체를 개발하기 위해 계약을 맺었고, 미국 우주 프로그램과 달리 탄도 우주 캡슐 대신 날개 달린 비행체를 고수하기로 결정했다. 1957년부터 1959년까지 그들은 논바일러와 계약을 맺어 그의 개념을 더 발전시켰다. 이 작업으로 평평한 바닥과 짧은 날개를 가진 피라미드 모양의 설계가 탄생했다. 열은 날개를 통해 상부의 차가운 표면으로 전달되었고, 여기서 날개 상단의 난류 공기로 방출되었다. 1960년, 블루 스트릭 미사일은 실전 배치 전에 구식으로 간주되어 작업이 취소되었다. 이후 작업은 영국 왕립 항공 연구소(Royal Aircraft Establishment, RAE)로 옮겨져 고속(마하 4~7) 민간 여객기에 대한 연구 프로그램으로 계속되었다.[4]
이 작업은 노스 아메리칸 항공(North American Aviation)의 엔지니어들이 XB-70 폭격기를 설계하는 초기 연구 중에 발견했다. 그들은 항공기 전면에서 생성된 충격 콘 대신 기계적으로 충격파를 가두기 위해 원래의 "클래식" 델타익을 윙팁이 아래로 처지도록 재설계했다. 이 메커니즘은 또한 다른 두 가지 유익한 효과가 있었다. 이는 항공기 후면의 수평 양력 표면의 양을 줄여 고속에서 발생하는 노즈 다운 트림을 상쇄하는 데 도움이 되었으며, 방향 안정성을 개선하는 데 도움이 되는 더 많은 수직 표면을 추가하여 고속에서 감소했다.
2. 2. 캐럿 날개 (Caret wing)
논바일러는 날개 모양을 조절하여 충격파를 기체 아래에 가두는 방식을 연구했다. 그는 날개 모양을 통해 기체 아래에 수평적인 충격파 시트를 형성하여 공기를 수직, 수평으로 가두는 방법을 발견했다. 이 방식은 기존 방식보다 더 많은 양의 공기를 가두고, 충격 가열을 날개 앞전에 제한하여 동체의 열 부하를 낮추는 장점이 있었다.1962년 논바일러는 글래스고 대학교로 자리를 옮겼고, 같은 해 "정확한 충격파 이론에 적합한 델타 날개 형태"라는 논문을 발표하여 왕립 항공 학회 금메달을 수상했다. 이 논문에서 제시된 날개는 가운데가 부러져 양쪽이 아래로 접힌 델타 날개 형태로, 뒤에서 보면 거꾸로 된 V자 모양, 즉 "캐럿"(^) 모양을 하고 있어 "캐럿 날개"라고 불렸다.
RAE의 연구 결과, 웨이브라이더를 이용하면 호주까지 90분 만에 도달할 수 있다는 전망이 제시되기도 했다. 호커 시들리는 1960년대 후반 달 로켓 설계를 위해 캐럿 날개 웨이브라이더를 연구했으며, 1971년에는 2단계 재사용 가능 우주선 설계를 제안했다. 이 우주선은 약 36.88m 길이의 웨이브라이더 1단계와 저궤도에 3.6ton의 탑재 하중을 실을 수 있는 양력체 2단계로 구성되었다.
2. 3. 원뿔 흐름 웨이브라이더 (Cone flow waveriders)
초고속 유동 연구가 발전하면서, 연구자들은 원뿔에 의해 생성되는 원추형 충격파를 이용하는 웨이브라이더 설계를 연구하기 시작했다. 원뿔 흐름 설계는 둥근 충격파를 날개에 부착시켜 표면 아래에 갇힌 공기의 부피를 늘리고, 이를 통해 양력을 증가시킨다.[5]캐럿 날개와 달리, 원뿔 흐름 설계는 날개를 중앙에서 거의 수평으로 유지하다가 충격파와 만나는 지점에서 매우 처지도록 부드럽게 곡선화한다. 캐럿 날개와 마찬가지로, 특정 속도에서 충격파를 날개 앞전에 부착하도록 설계되지만, 전체 기체 형상은 다른 설계 속도에서 변경될 수 있다.
원추형 단면을 더 개발하여 "접선 원추 웨이브라이더"가 등장했는데, 이는 동체의 여러 지점에서 생성되는 원뿔형 충격파를 혼합하여 단일 형상의 충격을 생성한다. 이는 더 넓은 범위의 압축 표면 유동을 가능하게 하여 부피 제어, 상부 표면 형태, 엔진 통합 및 압력 중심 위치를 갖는 웨이브라이더 설계를 가능하게 했다. 1970년까지 성능 향상 및 설계 분석이 계속되었다.[6][7]
이 기간 동안 적어도 하나의 웨이브라이더가 공중 발사된 블루 스틸 미사일의 기수에 장착되어 우메라 로켓 사격장에서 시험되었으며, 여러 기체 구조가 NASA의 에임스 연구 센터의 풍동에서 시험되었다.
2. 4. 점성 최적화 웨이브라이더 (Viscous optimized waveriders)
1980년대부터 유용한 전산 유체 역학이 도입되기 전까지 경계층과 항공기 기수에서 생성되는 충격파의 상호작용 효과를 계산하는 것은 어려웠다. 1981년, 오클라호마 대학교의 모리스 라스무센은 이러한 기술을 사용하여 새로운 3D 하단 모양에 대한 논문을 발표하여 웨이브라이더 연구에 새로운 전기를 마련했다. 이러한 모양은 우수한 양력 성능과 더 적은 항력을 갖는다. 그 이후, 점점 더 복잡한 원추형 충격파를 기반으로 하는 복잡한 소프트웨어를 사용하여 전체 원뿔 파생 웨이브라이더 계열이 설계되었다. 이러한 연구는 1989년 메릴랜드 대학교에서 열린 ''제1회 국제 극초음속 웨이브라이더 회의''로 이어졌다.[1]"점성 최적화 웨이브라이더"는 기수의 충격파 각도가 어떤 임계각 이상인 한, 예를 들어 마하 6 설계의 경우 약 14도와 같이 원추형 설계와 유사하게 보인다. 충격파의 각도는 기수를 특정 반경의 곡선판으로 넓혀서 제어할 수 있으며, 반경을 줄이면 더 작은 충격파 원뿔 각도가 생성된다. 차량 설계는 주어진 각도를 선택한 다음 해당 각도를 가두는 동체 모양을 개발한 다음 다른 각도에 대해 이 과정을 반복하는 것으로 시작한다. 주어진 속도에 대해 단일 모양이 최상의 결과를 생성한다.[1]
3. 설계
웨이브라이더 설계 개념은 1951년 벨파스트 퀸스 대학교의 테렌스 논바일러(Terence Nonweiler)가 처음 개발했으며, 재진입 비행체로 처음 묘사되었다.[3] 이는 재진입 시 열을 방출하기 위해 상당한 표면적을 제공하는 낮은 날개 하중의 델타익 플랫폼으로 구성되었다.
1950년대 영국은 블루 스트릭 미사일 기반 우주 프로그램에 착수하면서 암스트롱 휘트워스(Armstrong-Whitworth)가 재진입 비행체 개발 계약을 맺었다. 이들은 논바일러와 계약하여 그의 개념을 발전시켰고, 평평한 바닥과 짧은 날개를 가진 피라미드 모양 설계를 개발했다. 1960년 블루 스트릭 미사일 계획은 취소되었지만, 연구는 영국 왕립 항공 연구소(Royal Aircraft Establishment, RAE)로 이관되어 고속 민간 여객기 연구로 이어졌다.[4]
이 연구는 노스 아메리칸 항공사(North American Aviation) 엔지니어들이 XB-70 폭격기 설계 초기 연구 중 발견했다. 이들은 항공기 전면 충격파를 가두기 위해 델타익 윙팁을 아래로 처지도록 재설계했다. 이는 방향 안정성 개선 등 추가적인 효과도 가져왔다.
논바일러는 초기 설계에서 항공기 발생 충격파를 이용하여 날개 아래 공기를 가두는 방식을 연구했다. 이후 날개 모양을 통해 기체 아래 수평 충격파 시트를 형성하여 더 많은 공기를 가두고, 충격 가열을 날개 전연으로 제한하여 동체 열 부하를 낮추는 방법을 발견했다.
1962년 논바일러는 글래스고 대학교로 옮겨 "정확한 충격파 이론에 적합한 델타 날개 형태" 논문을 발표, 왕립 항공 학회 금메달을 수상했다. 이 모델은 가운데가 부러져 양쪽이 아래로 접힌 델타 날개, 즉 "캐럿" (^) 모양을 가졌으며, RAE 연구를 통해 호주까지 90분 만에 도달 가능하다는 전망이 제시되기도 했다.
호커 시들리는 1960년대 후반 캐럿 날개 웨이브라이더를 3단계 달 로켓 설계에 연구했다. 1971년에는 2단계 재사용 가능 우주선으로 일반화되었는데, 1단계는 공기 흡입 엔진을 갖춘 웨이브라이더, 상단은 저궤도에 약 3628.74kg 탑재체를 실을 수 있는 양력체로 설계되었다.
초기 연구는 평면 2차원 충격파에 기초했지만, 이후 연구자들은 원뿔형 충격파를 사용하는 설계를 연구했다. 이는 둥근 충격파를 날개에 부착하여 표면 아래 갇힌 공기 부피를 늘리고 양력을 증가시켰다.[5] 캐럿 날개와 달리, 원뿔 흐름 설계는 날개를 중앙에서 거의 수평에서 충격파와 만나는 지점에서 매우 처지도록 부드럽게 곡선화한다.
원추형 단면은 "접선 원추 웨이브라이더"로 발전했는데, 이는 동체 여러 지점에서 원추형 충격파를 생성, 혼합하여 단일 형상 충격을 만든다. 이는 부피 제어, 상부 표면 형태, 엔진 통합, 압력 중심 위치를 갖는 설계를 가능하게 했다. 1970년까지 성능 향상 및 설계 외 분석이 계속되었다.[6][7]
1970년대 초고속 비행 연구 중단과 함께 웨이브라이더 연구도 주춤했지만, 1980년대 전산 유체 역학 발전으로 웨이브라이더 연구가 다시 시작되었다. 오클라호마 대학교 모리스 라스무센은 새로운 3D 하단 모양 논문을 발표, 우수한 양력과 적은 항력을 갖는 웨이브라이더 설계를 제시했다. 이후 복잡한 원뿔형 충격파 기반 소프트웨어를 사용한 연구가 진행, 1989년 메릴랜드 대학교에서 ''제1회 국제 극초음속 웨이브라이더 회의''가 개최되었다.
최신 "점성 최적화 웨이브라이더"는 원추형 설계와 유사하며, 기수 충격파 각도가 특정 임계각 이상일 때 (예: 마하 6 설계에서 약 14도) 최적 성능을 보인다. 기수를 곡선판으로 넓혀 충격파 각도를 제어하고, 주어진 각도에 맞는 동체 모양을 개발하는 방식으로 설계된다.
3. 1. 기본 원리
웨이브라이더는 기체 전방에서 생성되는 충격파를 이용하여 양력을 얻는 극초음속 비행체 설계 방식이다. 재진입 시 높은 받음각으로 기울어진 기체 하부는 공기를 아래로 밀어내면서 양력을 발생시킨다.[3]웨이브라이더는 날카로운 전연(leading edge)을 가지며, 이 전연에 충격파가 부착되어 공기가 빠져나가는 것을 막고 양력을 유지한다. 이는 테오도어 폰 카르만이 개척한 무딘 코(blunt nose) 재진입 설계가 충격파를 분리시켜 열 발생을 줄이는 것과 대조적이다.[3] 무딘 코 시스템은 양력을 거의 생성하지 않아 재진입 시 기동에 어려움이 있지만, 웨이브라이더는 충격파를 부착시켜 양력을 얻고 기동성을 확보한다.[4]
3. 2. 설계 특징
웨이브라이더는 일반적으로 델타익(삼각익) 형태를 가지며, 음의 익면각을 갖는 경우가 많다. 캐럿 날개는 단면이 캐럿 기호(^) 모양이며, 3D 형태는 둥근 문자 'M' 모양과 유사하다. 이론적으로, 정면 단면이 "+" 또는 "×" 모양인 별 모양[8] 웨이브라이더는 항력을 더욱 줄일 수 있지만, 열 문제가 더 심각해질 수 있다.3. 3. 설계 문제 및 해결 방안
웨이브라이더는 특정 마하 수에서만 최적의 성능을 발휘하도록 설계되어, 속도가 변하면 양력 특성이 크게 달라지는 설계상의 문제를 가지고 있다. 또한, 복사 냉각을 위해 매우 높은 고도에서 비행해야 하지만, 얇은 공기에서 충분한 양력을 얻으려면 매우 큰 날개가 필요하다. 이러한 날개는 낮은 고도와 속도에서는 다루기 어려워지는 문제가 발생한다.[8]이러한 문제점을 해결하기 위해 다음과 같은 다양한 연구가 진행되고 있다.[8]
- 다중 속도 웨이브라이더: 다른 받음각에서 작동하는 "캐럿 날개"를 사용하는 방식이다. 캐럿 날개는 종방향 원추형 또는 삼각형 전연 슬롯 또는 스트레이크가 있는 삼각익으로, 종이 비행기 또는 로갈로 윙과 유사하다.
- 투과 표면: 물과 같은 냉각수를 항공기 표면의 작은 구멍을 통해 펌핑하여 냉각하는 방식이다. (투과 및 발한 참조)
- 이국적인 재료: 탄소-탄소 복합체와 같이 열을 전도하지 않지만 견딜 수 있는 재료를 사용하는 방식이다.
- 히트 파이프: 기존의 열교환기보다 열을 더 잘 전도하고, 열사이폰처럼 수동적으로 작동하는 방식을 사용한다.
보잉 X-51A는 이러한 문제 해결 방안을 적용한 예시이다. 텅스텐 노즈콘과 우주왕복선 스타일의 열 차폐 타일을 사용하여 외부 가열을 처리하고, JP-7 연료를 냉각수로 사용하여 내부 엔진 가열을 흡수한다.[8]
지르코늄 디보라이드(ZrB2) 및 하프늄 디보라이드(HfB2)와 같은 고온 재료는 1970년대부터 ICBM 재진입 차량의 조향 베인에 사용되었으며, 극초음속 비행체에 적용될 가능성이 있다. 이러한 재료는 약 30480.00m 고도에서 마하 11 비행과 해수면에서 마하 7 비행을 가능하게 한다고 알려져 있다. 또한, 우주 왕복선 노즈 및 전연에 사용된 강화 탄소 복합체(RCC)보다 구조적으로 더 견고하고, 방사성 및 온도 내성이 더 높으며, RCC가 코팅으로 보호해야 하는 산화 문제를 겪지 않는다는 장점이 있다.[9][10]
4. 표면 재료
2023년, 중국 우주항공 공기역학 연구원(CAAA) 과학자들은 웨이브라이더 및 극초음속(마하 5 – 10) 비행체용 표면 재료를 개발하고 시험했다.[11]
RTX 코퍼레이션은 미 공군의 지원을 받아 투과성 막을 이용한 표면 재료를 개발하고 있으며, 계약 번호는 FA8650-20-C-7001이다.[12]
참조
[1]
간행물
First X-51A Hypersonic Flight Deemed Success
http://www.aviationw[...]
Aviation Week & Space Technology
2010-05-26
[2]
웹사이트
Experimental aircraft speeds to more than 3,000 mph in test flight
https://www.latimes.[...]
2013-05-03
[3]
백과사전
Nonweiler Waverider
http://www.astronaut[...]
2012-08-15
[4]
웹사이트
Supersonic Hypersonic Flight
http://film.iwmcolle[...]
2012-10-17
[5]
논문
A Method of Designing Lifting Configurations For High Supersonic Speeds, Using Axisymmetric Flow Fields
http://www.jackpike.[...]
Ingenieur-Archiv
1968
[6]
학회자료
Experimental Results from Three Cone-Flow Waveriders
http://www.jackpike.[...]
Royal Aeronautical Society
1968-05-01
[7]
학술지
The Pressure on Flat and Anhedral Delta Wings with Attached Shock Waves
http://www.jackpike.[...]
1972-11
[8]
웹사이트
Hypersonic X-51 Scramjet to Launch Test Flight in May
http://www.space.com[...]
Spaceflight Now
2012-08-16
[9]
학술지
Thermal Conductivity Characterization of Hafnium Diboride-Based Ultra-High-Temperature Ceramics - Gasch -
[10]
간행물
Sandia materials enable hypersonic flight
http://www.aviationw[...]
Aviation Week
[11]
뉴스
China Makes Hypersonic Technology Breakthrough as US Lags Behind
https://www.newsweek[...]
2023-10-24
[12]
보도자료
How to protect hypersonic vehicles? Make them sweat!
https://www.rtx.com/[...]
RTX
2023-10-16
[13]
간행물
First X-51A Hypersonic Flight Deemed Success
http://www.aviationw[...]
Aviation Week & Space Technology
2010-05-26
[14]
웹인용
Experimental aircraft speeds to more than 3,000 mph in test flight
http://articles.lati[...]
2013-05-03
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