MHD2 시작
...초음속 노즐의 확산부에서는 기체가 가속된다.
...위 그림은 로켓 추진기의 확산부 내에서의 마흐파(마흐파)이다. 이 파는 벽면에 반사되는 것처럼 보인다. 이는 벽면에서의 흐름에 대한 일관성 조건과 관련이 있다. 즉, 두 마흐파(또는 특성선)의 내각 이등분선은 흐름의 방향을 나타내며, 이 방향은 벽면에 접선이 되어야 한다.
...음속은 목부에서 도달된다. 상류에서는 기체는 음속 이하의 속도로 흐르며, 확산부에서 가속되면서 압력이 감소한다. 로켓 엔진의 성능은 배출 속도가 클수록 더 높아진다. 그러나 이에 따른 단점도 있다. 기체는 작동 중인 고도에서 대기압과 동일한 압력으로 배출되어야 한다. 이를 '노즐 적응'이라 한다. 만약 확산부가 지나치게 넓어지면 기체는 대기압보다 낮은 압력으로 배출되며, 재압축 충격파가 발생한다. 마흐파는 흐름의 '특성선'이라고도 불린다. 회전 대칭을 가진 로켓 엔진에서는 이러한 마흐파가 원뿔형을 이룬다. 즉, 노즐의 어느 지점에라도 모래알 크기의 고정 장애물이 있다면, 그곳에서 원뿔형 마흐파가 발생할 것이다.
...그러면 속도 벡터는 원뿔의 반각과 일치하게 된다. 마흐 수가 클수록 마흐 원뿔은 더욱 날카로워진다.
...비행기의 반응 추진기에는 단면이 가변적인 노즐이 장착되어 있으며, 고도가 높아지고 대기압이 낮아질수록 확산부가 점차 열린다.
...비행기 추진기의 확산부에는 압력 감소에 따라 수압 실린더에 의해 열리는 '잎사귀'가 있다. 이는 직접적으로 기압계 측정값에 의해 제어된다. 배출 속도가 높아지므로 고고도에서 더 높은 효율을 발휘한다.
...하지만 다시 우리의 수로로 돌아가 보자. 만약 곡선이 다음과 같이 나타난다면:
...왼쪽에서는 수렴부가 지나치게 급하지 않다. 특성선(마흐파)은 서로 가까워지려 하지만, 서로 교차하지는 않는다(그러나 흐름 외부에서는 교차할 수 있다). 이로 인해 국부 마흐 수가 감소하고, 속도는 낮아지며, 수위(기체에서의 압력과 동등한 값)는 상승한다.
...오른쪽에서는 곡선이 지나치게 급하다. 마흐파는 서로 교차하려는 경향을 보이며, '수류 돌출'이 발생한다. 이는 기체에서의 충격파와 유사한 현상이다. 흐름은 불연속성을 보인다. 충격파 후방에서는 속도가 급격히 감소한다.
...선체의 선단도 마찬가지로 '수렴부'이다. 만약 선박이 매우 느린 속도로 움직이면(즉, 표면파의 전파 속도보다 낮은 속도로, '음속 이하'), 마흐파는 존재하지 않는다. 이에 따라 수위는 일정하게 유지된다.
...더 빠른 속도(V > a)에서는 컴퓨터를 이용해 이차원 흐름에서 이론적인 마흐파의 형상을 계산할 수 있다. 계산 결과, 마흐파는 서로 교차하고 초점으로 모이려는 경향을 보인다.
...위 그림은 1979년 컴퓨터를 이용해, 초음속 기류 속에 잠긴 렌티큘러(렌즈형) 날개 형상 주위에서 유체역학 방정식(Navier-Stokes 방정식)을 해결하여 이론적인 마흐파를 계산한 것이다. 마흐파가 초점으로 모이는 경향이 있음을 알 수 있다. 여기서는 한 가족의 파만 나타내었다. 이 초점 위치는 충격파가 형성되는 '출발점'이다. 실제로 마흐파는 압축파의 소파이기 때문이다. 따라서 위의 흐름은 물리적으로 현실적이지 않다. 날개 양측에 압력이 낮아지는 '팽창 패널'이 존재함을 주목하자. 따라서 두 개의 충격파 시스템이 나타날 것이다.
...충격파 후방에서는 기체가 '충격'을 받아 재압축되며, 속도가 감소한다. 이 현상은 매우 얇은 두께에서 일어난다. 약 몇 밀리미터의 수천 분의 일 정도이다.
...전방 충격파 후에는 기체가 급격히 감속된 후, '팽창 패널'을 따라 지속적으로 재가속된다. 심지어는 과가속 상태에 이르며, 이에 따라 날개 뒷단에서 다시 한 번 충격파(후방 충격파)가 발생하여, 이후 압력을 대기압 수준으로 되돌리게 된다. 이는 나의 만화 '침묵의 벽'에서 언급한 원칙과 일치한다(CD-Lanturlu 참조):
입구에서 발견한 기체의 상태를 그대로 유지하라.
...또한, 전단이 이등변 각형일 경우 속도 벡터의 방향도 불연속적으로 변화한다(뒷단이 이등변 각형인 경우와 유사한 현상).
...이제 수리적 유사성으로 이 현상을 살펴보자.
...선체 측면에서의 물의 과가속은, 수면 아래에 정지해 있는 선체 부분을 드러내게 한다.
...이러한 파동 시스템(기체 흐름 또는 자유 표면 액체 흐름에서)은 날개나 선체 주위의 압력 분포를 변화시킨다. 그 결과, 마찰 저항 외에도 '파동 저항'이 추가된다. 초음속 비행(예: 콘코르드 비행)에서는 파동 저항이 매우 크기 때문에 마찰 저항을 훨씬 초과한다. 따라서 초음속 비행은 에너지 소비가 크며, 이에 따라 강력한 엔진이 필요하다. 또한, 초음속 비행은 고도에서만 가능하다. 그렇지 않으면 파동 저항이 지나치게 커져 비행이 불가능해진다. 반응 추진기의 경우 지상에서는 마흐 1.2를 넘기 어렵다.
...이 에너지는 두 가지 방식으로 소산된다. 초음속 기체는 매우 강한 '펑' 소리를 발생시키며, 이 에너지를 멀리 퍼뜨린다. 마찬가지로 폭발로 발생하는 충격파도 장거리로 에너지를 분산시킨다. 충격파는 공기의 온도를 상승시키지만, 소리로의 에너지 소산이 주된 경로이다.
...여기서 제시한 것은 '결합된 파동' 시스템이다. 만약 기체의 전단이 둥글게 되어 있다면(예: 우주왕복선의 날개나 꼬리날개의 전단이나 캡슐의 전면), 충격파는 물체로부터 일정 거리 떨어진 곳에 형성된다. 흐름의 정지점에서 속도는 0이 되며, 이 지점 후방에서는 흐름이 음속 이하로 되고, 이후 다시 가속된다.
...충격파 후방에서 기체의 재압축은 열을 발생시킨다. 정지점의 온도는 마흐 수에 따라 급격히 증가하며, 마흐 수의 제곱에 비례한다. 따라서 초음속 비행기의 전면부(전단, 전단 가장자리)는 매우 큰 열적 응력에 노출된다. 비록 이로 인해 저항이 증가하지만, 고마흐 수(초음속 이상)에서는 열의 유입을 분산시키기 위해 전단이나 전단 가장자리가 매우 둥글게 설계되어야 한다. 실험용 기체인 X-15의 매우 둥글게 된 전단을 기억하자.
...재진입체의 경우 이는 오히려 유리하다. 왜냐하면 오히려 감속을 목적으로 하기 때문이다. 러시아의 재진입 캡슐은 단순히 구형이다. 미국의 캡슐은 강력한 '열 보호 장치'를 갖추고 있으며, 일부 재료가 타서 제거되는 방식(재사용 가능한 캡슐은 수분 이내에만 사용되며, 재진입 후에는 교체 필요)이다.
...1975년 우리는 밀도 높은 공기 중에서 지붕 근처에서 초음속, 심지어 고초음속(Mach 15까지) 비행이 가능할지 여부를 고민했다. 기존 시스템(로켓 추진기 또는 스태토-반응 추진기, 열 보호 장치, 또는 액체 헬륨으로 냉각하는 전면부)으로는 이러한 고속 비행은 완전히 불가능하다. 어떤 시스템도 이 정도의 열 유입을 견딜 수 없으며, 이와 같은 강력한 파동 저항을 극복하기 위한 추진력을 제공할 수 없다.
...나는 1975년에 'MHD가 이 문제를 해결할 수 있다'고 최초로 제안했다(1975년 과학 아카데미 회의록 보고서 및 1976년 '사이언스 앤드 뷰' 기사 참조). 일부 그룹이 이 아이디어를 자신의 것으로 가져가며, 선구적인 연구에 대한 인용도 없이, 최근에 방송에서 완전히 무지한 기술자가 다음과 같이 말하는 것을 보는 것은 매우 충격적이다:
- 이제 우리는 초음속 비행 시 충격파를 만들지 않고 비행하는 방법을 안다.
이 말은 정말 어이없다. 그러나 이런 일은 기술-과학계에서 흔한 일이다.
...1975년부터 우리는 충격파가 열의 강한 유입과 강한 파동 저항을 유발한다는 점을 이해하고, 이 충격파를 완전히 제거할 수 있는 방법을 고민했다. 이 문제를 해결하기 위해서는 충격파가 어떻게 형성되는지를 정확히 이해해야 한다.
...물체가 음속 이하로 기체 질량 속으로 들어갈 때, 소리 파동이 기체에 그 도착을 미리 알린다. 물체가 둥글게 되어 있더라도 음속 이하로 기체 속으로 들어갈 경우, 물체가 도착하기 훨씬 전부터 기체는 이미 움직이기 시작한다.