천음속
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1. 개요
천음속은 음속에 가까운 속도 영역을 의미하며, 이 속도에서 항공기 주변의 기류가 복잡한 현상을 일으킨다. 1940년대 초, 항공기 속도가 빨라지면서 천음속 기류의 문제가 처음 발견되었고, 이를 해결하기 위해 항공기 설계와 수학적 분석이 이루어졌다. 항공기 날개 디자인 개선과 풍동 개발을 통해 천음속 비행 연구가 진행되었으며, 수학적 모델링을 통해 천음속 유동의 특성을 이해하려는 노력이 있었다. 천음속 현상은 항공기뿐만 아니라 천체물리학에서도 중요한 개념으로, 블랙홀 강착, 별의 유출류, 초신성 폭발 등에서 나타난다.
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| 천음속 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 정의 | 공기 흐름의 속도가 일부는 음속보다 빠르고 일부는 음속보다 느린 비행 조건 |
| 설명 | |
| 특징 | 항공기가 임계 마하수에 도달하면 날개와 동체 주위의 공기 흐름이 가속되어 일부 영역에서 국지적으로 음속을 초과하게 됨. 이로 인해 충격파가 발생하고, 압력 항력이 크게 증가하며, 층류 박리와 같은 문제가 발생할 수 있음. |
| 극복 방법 | 후퇴익이나 델타익을 사용하여 임계 마하수를 높임. 초임계 날개를 사용하여 충격파 발생을 지연시키고 압력 항력을 줄임. 면적 법칙을 적용하여 항공기 동체의 단면적 변화를 부드럽게 만들어 조파 항력을 최소화함. 내충격 동체를 사용하여 충격파의 영향을 완화함. |
| 관련 개념 | |
| 마하 수 | 항공기 속도와 음속의 비 |
| 임계 마하 수 | 항공기 표면에서 처음으로 국지적인 음속 흐름이 나타나는 마하 수 |
| 조파 항력 | 충격파 발생으로 인해 발생하는 항력 |
| 에어포일 | 날개 단면의 모양 |
| 시아즈-하크 바디 | 조파 항력을 최소화하는 단면적 변화를 갖는 이상적인 형태 |
2. 역사
1940년대 초, 초음속 시대가 시작되면서 항공기 비행 속도와 관련된 문제가 처음으로 나타났다.[5] 시험 비행 조종사 랠프 버든은 비행 중 초음속 기류로 인해 날개에 충격파가 발생, 실속하면서 제어력을 잃고 추락하는 사고를 겪었다.[6] 이는 비행기 주변에 다양한 기류가 형성될 수 있음을 보여주는 사례였다.[5] 캘리 존슨은 항공기에 미치는 압축성의 영향을 조사한 선구적인 엔지니어 중 한 명이었다.[5] 그러나 당시의 풍동 기술로는 마하 1에 가까운 풍속을 구현하기 어려웠다.[6] 이후 "천음속"이라는 용어는 NACA의 국장 휴 드라이든과 캘리포니아 공과대학의 테오도어 폰 카르만이 처음 사용하였다.[5]
제2차 세계 대전 이후, 항공기 설계는 천음속 비행 성능을 개선하기 위해 큰 변화를 겪었다.[6] 항공기를 안정시키는 주된 방법은 날개의 시위를 변경하여 날개 주변 기류 속도를 줄이는 것이었다. 천음속 파동을 방지하기 위한 해결책은 후퇴익이었다.[5] 후퇴익은 기류가 날개에 비스듬히 부딪히게 하여 날개 두께와 시위 비율을 감소시켰다.[5] 익형은 충격파를 방지하고 날개 위 기류의 거리를 줄이기 위해 상단이 더 평평하게 설계되었고,[8] 이후 리처드 휘트컴은 최초의 초임계 익형을 설계하였다.[7]
강력한 컴퓨터가 등장하기 전에는, 압축성 유동 방정식의 비선형성 때문에 풀기 어려웠다.[6] 초기 연구에서는 유동 내의 교란이 비교적 작다는 가정을 통해 압축성 유동 방정식을 선형화하여 아음속 또는 초음속 유동에 대한 미분 방정식을 풀었으나, 천음속 유동에는 맞지 않았다. 이로 인해 항력이 무한대에 접근한다는 비현실적인 결과가 나오기도 했다.[6]
천음속 유동 모델의 비선형성을 해결하기 위한 초기 방법 중 하나는 호도그래프 변환이었다.[2] 이 개념은 1923년 이탈리아 수학자 프란체스코 트리코미가 연구했다.[2] 브라운슈바이크 공과대학교의 고트프리트 구더리는 제2차 세계 대전 말에 트리코미의 연구를 발견하고 호도그래프 방법을 천음속 유동에 적용했다.[2] 구더리와 히데오 요시하라는 아돌프 부세만의 도움을 받아 이중 쐐기 에어포일에 대한 천음속 유동을 해석적으로 해결했다.[2][6]
구더리의 연구는 마하 1에서 이중 쐐기 에어포일에 대한 단일 해만 도출했다.[2] 월터 G. 빈센티는 에임스 연구 센터에서 구더리의 연구를 보완하여 마하 1과 완전 초음속 유동 사이의 천음속 속도 범위를 커버하는 수치 해를 구하고자 했다.[2] 빈센티와 그의 조수들은 하워드 윌슨 에먼스의 연구와 트리코미의 방정식을 활용하여 마하 1 이상 천음속 유동에서 이중 쐐기 에어포일에 대한 항력에 대한 네 가지 수치 해를 완성했다.[2] 이후 줄리안 콜과 레온 트릴링이 아음속과 마하 1 유동 사이의 간극을 채워 1950년대 초까지 에어포일의 천음속 거동이 완성되었다.[2]
2. 1. 천음속 기류의 발견
1940년대 초, 초음속 시대가 시작되면서 항공기 비행 속도와 관련된 문제가 처음으로 나타났다.[5] 시험 비행 조종사 랠프 버든은 비행 중 초음속 기류로 인해 날개에 충격파가 발생, 실속하면서 제어력을 잃고 추락하는 사고를 겪었다.[6] 이 사고는 버든이 음속보다 훨씬 낮은 마하 0.675의 속도로 비행했음에도 발생했는데, 이는 비행기 주변에 다양한 기류가 형성될 수 있음을 보여주는 사례였다.[5]같은 시기, 캘리 존슨은 항공기에 미치는 압축성의 영향을 조사한 선구적인 엔지니어 중 한 명이었다.[5] 그러나 당시의 풍동 기술로는 마하 1에 가까운 풍속을 구현하여 천음속 영역의 영향을 제대로 테스트하기 어려웠다.[6] 이후 "천음속"이라는 용어는 "음속을 가로지르는"이라는 의미로 정의되었으며, NACA의 국장 휴 드라이든과 캘리포니아 공과대학의 테오도어 폰 카르만이 처음 사용하였다.[5]
2. 2. 항공기 설계의 변화
제2차 세계 대전 이후, 항공기 설계는 천음속 비행 성능을 개선하기 위해 큰 변화를 겪었다.[6] 항공기를 안정시키는 주된 방법은 날개의 시위를 변경하여 날개 주변 기류 속도를 줄이는 것이었다. 천음속 파동을 방지하기 위한 한 가지 해결책은 후퇴익이었다.[5] 후퇴익은 기류가 날개에 비스듬히 부딪히게 하여 날개 두께와 시위 비율을 감소시켰다.[5] 익형은 충격파를 방지하고 날개 위 기류의 거리를 줄이기 위해 상단이 더 평평하게 설계되었다.[8] 이후 리처드 휘트컴은 이러한 원리를 활용하여 최초의 초임계 익형을 설계하였다.[7]2. 3. 수학적 분석
강력한 컴퓨터가 등장하기 전에는, 가장 간단한 형태의 압축성 유동 방정식조차 그 비선형성 때문에 풀기 어려웠다.[6] 이를 해결하기 위해 유동 내의 교란이 비교적 작다는 가정을 통해 압축성 유동 방정식을 선형화하여 아음속 또는 초음속 유동에 대한 미분 방정식을 풀었다.[6] 하지만, 이러한 가정은 천음속 유동에는 맞지 않았다. 마하 1 근처에서는 유속의 교란이 커서 유선이 충분히 수축되지 못하고 전파되기 때문이다.[9] 초기 연구에서는 이러한 교란으로 인해 항력이 무한대에 접근한다는 비현실적인 결과가 나오기도 했다.[6]
천음속 유동 모델의 비선형성을 해결하기 위한 초기 방법 중 하나는 호도그래프 변환이었다.[2] 이 개념은 1923년 이탈리아 수학자 프란체스코 트리코미가 연구하여 압축성 유동 방정식을 단순화했다.[2] 루트비히 프란틀과 O.G. 티에텐(1929년), 아돌프 부세만(1937년)도 연구했지만, 천음속 유동에 적용하지는 않았다.[2]
브라운슈바이크 공과대학교의 독일 수학자이자 엔지니어인 고트프리트 구더리는 제2차 세계 대전 말에 트리코미의 연구를 발견하고 호도그래프 방법을 천음속 유동에 적용했다.[2] 그는 트리코미의 비선형 박형 에어포일 압축성 유동 방정식을 사용했지만, 에어포일 상의 유동을 해결하는 것은 어려운 과제였다.[2][6] 구더리와 히데오 요시하라는 부세만의 도움을 받아 트리코미 방정식의 특이 해를 사용하여 이중 쐐기 에어포일에 대한 천음속 유동을 해석적으로 해결했다.[2][6]
구더리의 연구는 이론에 집중되었고, 마하 1에서 이중 쐐기 에어포일에 대한 단일 해만 도출했다.[2] 월터 G. 빈센티는 에임스 연구 센터의 미국 엔지니어로서, 구더리의 연구를 보완하여 마하 1과 완전 초음속 유동 사이의 천음속 속도 범위를 커버하는 수치 해를 구하고자 했다.[2] 빈센티와 그의 조수들은 하워드 윌슨 에먼스의 연구와 트리코미의 방정식을 활용하여 마하 1 이상 천음속 유동에서 이중 쐐기 에어포일에 대한 항력에 대한 네 가지 수치 해를 완성했다.[2] 이후 줄리안 콜과 레온 트릴링이 아음속과 마하 1 유동 사이의 간극을 채워 1950년대 초까지 에어포일의 천음속 거동이 완성되었다.[2]
3. 응축 구름 (Prandtl–Glauert Singularity)
초음속에서 초음속 팽창 팬은 항공기 주변의 다양한 지점에서 강렬한 저압, 저온 영역을 형성한다. 온도가 이슬점 이하로 떨어지면 가시적인 구름이 형성되는데, 이 구름은 항공기가 이동함에 따라 함께 유지된다. 이러한 구름이 형성되기 위해 항공기 전체가 초음속 속도에 도달할 필요는 없다. 일반적으로 항공기 꼬리는 초음속 비행에 도달하는 반면, 항공기 앞부분은 여전히 아음속 비행 상태에 있다. 와류 충격파로 끝나는 초음속 팽창 팬의 버블이 꼬리를 감싸게 된다. 항공기가 계속 가속됨에 따라 초음속 팽창 팬은 강화되고 와류 충격파는 무한대에 도달할 때까지 크기가 커지며, 이때 선두 충격파가 형성된다. 이것이 마하 1이고 프란틀-글라우어트 특이점이다.[1]
4. 천체물리학에서의 천음속 흐름
천체물리학에서 충격파(정지파, 전파파 또는 진동파)가 존재하는 곳이라면 어디든지 인접한 유동은 천음속인데, 그 이유는 초음속 유동만이 충격파를 형성하기 때문이다. 모든 블랙홀의 강착은 천음속이다.[10] 이러한 유동 중 다수는 블랙홀에 매우 가까운 지점에서 충격파를 갖는다.
어린 별 객체 또는 블랙홀 주변의 원반에서 나오는 유출류 또는 제트 역시 아음속으로 시작하여 멀리 떨어진 거리에서는 예외 없이 초음속이 되기 때문에 천음속일 수 있다. 초신성 폭발에는 초음속 유동과 충격파가 동반된다. 태양풍에서 형성된 활 충격파는 별에서 나오는 천음속 바람의 직접적인 결과이다. 한동안 태양계의 헬리오스피어 주변에 활 충격파가 존재한다고 생각되었지만, 2012년에 발표된 IBEX 데이터에 따르면 그렇지 않은 것으로 밝혀졌다.[11]
5. 같이 보기
wikitext
- 초음속
- 프란틀-글라우어트 특이점
- 블랙홀 강착
- 캘리 존슨
- NACA
- 테오도어 폰 카르만
5. 1. 관련 항목
- 초음속
- 프란틀-글라우어트 특이점
- 블랙홀 강착
5. 2. 관련 인물
캘리 존슨은 1940년대에 항공기에 압축성이 미치는 영향을 조사한 최초의 엔지니어 중 한 명이었다.[5] NACA의 국장이었던 휴 레이티머 드라이든과 캘리포니아 공과대학의 테오도어 폰 카르만은 "천음속"이라는 용어를 만들었다.[5]참조
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