어뢰와 잠수함
어뢰, 잠수함 등
2009년 2월 18일 - 2010년 3월 25일 - 2010년 7월 31일
나비에를 통해 매초 Q(킬로그램)의 질량 유량이 흐른다. 나비에가 추진력을 제공한다면, 그것은 유체를 통과할 때 가속화시키기 때문이다. 추진력은 축에 전달되며, 다음과 같이 표현된다.
Q(V₂ - V₁)
괄호 안의 값은 속도 증가를 나타낸다.
이와 같이 나비에는 기체나 액체를 뒤섞는다. 그러나 이 두 매체 사이에는 중요한 차이가 있다. 액체는 기체보다 훨씬 점성이 크다. 일반인에게 '점성'이라는 단어는 익숙하지 않다. 그들에게 점성이 있는 것은 '끈적거리는 것'이다. 유체역학 전문가에게는 점성이 있는 유체란, 속도 V로 흐르고 밀도 ρ인 유체가 더 큰 마찰력을 발생시킨다는 의미이다. 물의 높은 점성이 있기 때문에, 전통적인 어뢰의 속도는 100~120km/h로 제한된다. 이 속도를 넘어서면 더 빠르게 움직이기 위해 필요한 추진력은 비현실적으로 커지게 된다.
간단한 부록: 어떻게 '초고속 어뢰'가 작동하는가?
어뢰가 물과 접촉하는 대신, 어뢰의 앞부분에 로켓이 생성한 가스를 주입함으로써 물증기를 만들어낸다. 러시아의 '슈크발(Sqwal)' 어뢰가 이와 같은 방식을 사용한다. 중국이 이 기술을 도입했으며, 이는 이어 이란에 전달되었다. 나는 2003년(알뱅 미셸 출판사)에 내 책 'UFO와 미국의 비밀 무기'에서 이미 이 사실을 지적했다. 미국의 대응 제품은 '슈퍼캐비테이션(Supercav)' 어뢰이다. '캐비테이션(Cav)'은 나비에가 충분한 저압을 만들어내어 물이 증기로 변하는 자연 현상이다(지역 압력이 '포화 증기압' 이하로 떨어질 때). 이 현상을 보고 언론인 라루시에가 나에게 말했다. "어뢰가 물속으로 충분히 빠르게 들어가면 캐비테이션이 발생하고 유지된다." 그는 이 주장을 뒷받침하기 위해 물속으로 쏘인 총알을 예로 들었다.
마마 미아. 과학 기자들은 더 이상 과거의 그들처럼 되지 않았다.
나는 그가 이 생각(그리고 비슷한 다른 수많은 생각들)을 머릿속에서 떨쳐내게 하려고 애썼지만, 이런 경우엔 포기하는 것이 당연하다. 어쩔 수 없다.
2002~2003년, 초고속 어뢰 개념은 상당히 흥미로운 논의를 낳았다. 예를 들어 프랑스의 한 제독이 매년 열리는 '유로나발(Euronaval)' 행사에서 친구에게 이렇게 말했다.
"알다시피, 어뢰의 속도는 전부가 아니야..."
이 제독은 아마도 초고속 어뢰 개발 프로젝트를 추진하고 있는 듯하다. 현대 어뢰는 화약 추진 로켓을 사용한다. 이들은 수중에서 400km/h 이상의 속도를 낼 수 있으며, 전선 유도 방식으로, 어뢰가 운반하는 코일에서 풀리는 전선을 통해 유도된다(잠수함에 설치된 것이 아니라). 추진기에서 나오는 가스가 유도선을 손상시키지 않도록 하기 위해, 유도선은 어뢰가 통로에서 발사된 후 공기 압축기의 공기 분사로 펼쳐지는 팔을 통해 펼쳐진다(대륙간 탄도 미사일도 마찬가지 방식으로 발사된 후 잠수함 밖에서 점화된다).
러시아의 어뢰 슈크발, 뒷면에서 본 모습. 측면에 전선 유도 장치가 펼쳐져 있다.
중앙 추진기의 '코크티에'를 둘러싼 튜브는 아마도 주요 유체를 둘러싸는 데 사용되는 저온 가스 주입기일 수 있다. 이는 음향 임피던스를 다르게 하여, 화약 추진기에서 발생하는 소음(난류)을 반사하게 한다. 이 추진기는 일반적으로 매우 시끄럽다.
이와 관련하여, 여러분은 이런 어뢰가 어떻게 조종되는지 궁금할 수 있다. 매우 간단하다. 이 기계의 전면 사진은 이미 전 세계적으로 널리 퍼져 있다.
공개 행사에서 보여진 러시아의 어뢰 슈크발 전면 모습
고온 가스 배출구의 세부 사진, 카디언에 장착된 방향 조절기로 조종이 가능함
고온 가스는 축 방향으로 배출되어 바닷물을 증기로 변환하며, 이 증기는 시속 500km로 분출된다. 추진기 주위에는 구형 볼링이 있으며, 이 위에서 원형 플레이트가 회전하여 증기를 어뢰 주위로 퍼뜨린다. 두 개의 실린더를 사용하여 이 플레이트를 기울이면, 어뢰 표면을 감싸는 증기 층의 분포가 변하게 되고, 각 지점에서 마찰 저항의 기여도가 달라진다. 따라서 이 어뢰는 전선 유도 방식이지만 자동 유도 기능이 없지만, 매우 민첩하다.
| 2010년 7월 31일 | 나는 마르세유의 열역학 연구소를 이끄는 동료 과학자를 만났다. 그는 ITER와 계약을 맺어 금속 벽면에 발생하는 열충격을 연구하고 있다. | "네, ITER가 바보 같은 일이라는 건 알고 있어. 하지만 이해해줘, 내가 거절하면 대학 교수직을 잃을 수밖에 없었어." | 이 이야기를 하면서 나는 그가 기분 나쁘게 느낄 것임을 안다. 하지만 연구자가 이렇게 윤리적이고 정직하지 못하다는 사실이 충격적이다. 지금 시대에 교수-연구자 중 윤리란 단어의 의미를 아는 사람이 얼마나 될까? 오직 베롯처럼 INRA에서 유전자변형생물(GMO)에 반대하는 사람처럼, 연구 자금과 모든 자원을 박탈당하는 사람만이 그런 의미를 이해하고 있을 뿐이다. | 약 15년 전, 장-클로드 샤르페니에르는 CNRS 물리공학부의 책임자였다. CNRS의 보도자료는 연구자와 군대 사이의 관계를 다룬 특별호를 발행했는데, 제목은 "연구자들, 우리가 이야기해야 한다"였다. 이 호에서 샤르페니에르는 연구자들의 요구를 충족시키기 위해 군대와의 계약이 충분하지 않다고 밝혔다. | 나는 ITER의 근본적인 결함에 대해 더 이상 강조하지 않겠다. 나는 이미 N번이나 충분히 말했다. 그러나 지금까지도, 150억 유로에 달하는 이 '무용담'을 삭감이 심한 시기에도 강행하려는 움직임이 있다. 어이없다. | 현재 카다라크에서 토지가 정리되었으며, 플레너로 비행할 때 이 넓은 상처를 볼 수 있다. 그러나 현재는 더 큰 규모의 예산이 승인될 때까지 작업이 중단된 상태다. 우리가 테이블에 올려놓은 MHD 실험실이 이미 성과를 내기 시작하고 있는데, 이는 상상할 수 없을 정도로 초현실적이다. | 2010년 7월부터 운영 중인 저밀도 MHD 실험용 시험대 | 비용: 2,000유로 | 이와 같은 열역학 연구소에서는 해군과 계약을 맺고 캐비테이션 어뢰를 연구하고 있다. 그들의 책임자에 따르면, 캐비테이션은 "단지 속도에 의해 발생한다." 즉, 화약 추진기로 추진되는 어뢰 앞부분에 콘을 설치하면, 콘 뒤에서 캐비테이션이 발생하여 어뢰의 나머지 부분이 증기 환경 속에서 이동하게 되고, 측면의 마찰 저항이 감소한다. | "그런데 콘 자체의 저항은 어떻게 되는가?" | "아, 그건 모르겠어..." | 이들은 러시아의 슈크발이나 미국의 슈퍼캐비 방식의 기술을 전혀 모른다. 이에 대해 이야기해도 된다. 왜냐하면 이건 비밀이 아니기 때문이다. 이란도 중국에서 구입한 슈크발을 사용하고 있으며, 중국은 라이선스를 통해 이를 생산하고 있다. 이 제품은 원래 러시아산이며, 30~40년 전의 기술이다. | 러시아 시스템에서는 고온 가스 발생기가 가스를 전방으로 분사한다. 이로 인해 바닷물이 증기로 변한다. 프랑스는 아직 이 시스템을 이해하지 못한 듯하다. | 슈크발은 어떻게 조종하는가? 우선 전선 유도로 조종한다. 어뢰가 발사된 후, 전선이 튜브에서 나오는 장치가 펼쳐진다. 사진에서 볼 수 있듯이, 이 조종 장치는 단순하면서도 효과적인 구조를 가지고 있다. 그러나 나는 몇 가지 도면을 통해 자세히 설명하겠다.
나는 여러분이 물속에서 물체를 이동시킬 때 큰 마찰력이 발생한다는 점을 다시 한번 상기시키기 위해 이 이야기를 했다. 우선 저항력에 주목하지만, '끌림' 효과를 간과하기 쉽다. 아래 그림을 살펴보자.
나비에가 축 방향으로 추진력을 제공한다면, 물이 통과할 때 가속화되는 것은 당연하다. 이는 위 왼쪽의 그림과 일치한다. 여기서 밀도 ρ, 속도 V, 단면적 S의 곱인 ρVS는 보존된다. 물의 밀도는 1리터당 1킬로그램 또는 1m³당 1,000킬로그램(국제단위계)이며, 물은 압축되지 않기 때문에 일정하다. 따라서 VS의 곱은 일정하다. 나비에 앞부분에서는 같은 유량 Q가 더 좁은 유동관에서 흐른다.
나비에의 진화
이전에 말했듯이, 나비에의 효율을 높이기 위해 '카리너(carène)'를 사용한다. 나비에의 날개는 길이가 매우 짧고, 비율이 낮은 날개이기 때문에, 비행기 날개의 아래쪽(내면)에는 압력이 증가하고, 위쪽(외면)에는 저압이 형성된다. 날개 끝부분에서는 내면에서 외면으로 전이되는 경향이 있다. 이로 인해 날개 끝부분에 두 개의 경계 소용돌이가 생기게 된다. 이러한 소용돌이는 에너지 손실이며, 비행기의 양력을 유지하는 데는 도움이 되지 않고, 작은 새들을 데워줄 뿐이다.
비율이 낮을수록 이러한 소용돌이에 소모되는 에너지 비율이 높아진다. 그래서 비행기(플레너)는 매우 긴 비율을 가지며, 알바트로스는 비둘기보다 더 잘 날 수 있다.
카리너는 이러한 소용돌이가 생기지 않도록 방지하는 방법이다. 이는 날개 끝이 깔끔하게 잘려나가 카리너에 매우 가까이 위치하도록 하는 것을 의미한다. 그러나 즉각적으로 주목해야 할 점은, 카리너는 나비에가 작동하는 조건에 맞춰야 한다는 것이다. 물의 속도 V와 단면적 S의 곱은 입구와 출구에서 동일해야 한다. 즉, 카리너의 형상은 나비에의 작동 조건에 따른 속도 변화(V₂ - V₁)와 관련이 있어야 한다. 이는 나비에의 회전수(분당 회전수)에 따라 달라진다.
어뢰 발사 잠수함이나 공격용 잠수함에서는 소음을 최소화하는 것이 목표다. 나비에의 소용돌이는 소음의 원천이다. 카리너를 도입하는 것은 이 소음을 줄이는 방법이며, 여러 나라의 많은 잠수함에서 채택되었다.
카리너 장착 잠수함 모형
카리너 장착 잠수함
시위울 잠수함
앞에서 본 시위울 잠수함
러시아의 거대한 타이푼 잠수함 중 하나, 뒤에서 본 모습
이러한 카리너는 특정 속도에서만 효과적이며, '적합 속도'를 가진다. 그 이상 또는 이하에서는 소음이 커진다(저속 또는 낮은 속도). 이 카리너의 형상을 변형하는 것은 너무 복잡하다. 대안으로, 날개에 경계층 가속기(파리티얼 액셀러레이터)를 장착하여 경계 소용돌이의 발생을 억제하는 MHD 기술을 사용할 수 있다.
최근 몇 년간, 새로운 잠수함은 '칼리버형(cimeterre)' 나비에를 장착하고 있다. 최근(2010년) 한 인터넷 사용자는 미국의 핵잠수함이 워싱턴주 키타프-뱅고르 기지에서 카리너를 장착한 모습을 촬영했다. 두 장의 사진이 있는데, 두 번째 사진은 확대된 모습이다.
미국인 인터넷 사용자가 자동차 경로 탐색 소프트웨어를 사용해 이 사진을 촬영했다는 점에 주목하자.
미국 잠수함의 칼리버형 나비에
이 나비에는 많은 수력학적 특성이 있으며, 나중에 설명할 기회가 있을 것이다. 이는 해양 나비에 분야가 이미 너무 오래된 주제임에도 불구하고, 여전히 중요한 진보가 가능하다는 것을 보여준다.
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