충격파 소멸
충격파를 어떻게 소멸할 것인가?
1970년대 후반, 장피에르 페티의 100% 독창적 아이디어
2003년 11월 21일
2003년 6월 툴루즈 항공고등학교에서 이 강연을 할 때, 나는 이 핵심 아이디어를 제시했고, 그 자리에 있던 학생들과 초음속 유체역학 교수들로부터 즉각 이해를 받았다.
이 아이디어를 다시 설명하기 전에, 이 아이디어가 이미 2001년 1월의 문서에 포함되어 있다는 점을 인지하게 되었다(사마스가 논의한 회의 참석자들은 그 내용을 모를 것이다). 왜 초음속 비행기인 오로라(Aurora)와 같은 장비에 장착된 'MHD로 제어되는 공기흡입구'가 상단에 위치해 있을까?
첫 번째 점: 상단은 평평하다. 아제크스(Ajax)의 모형을 풍동에서 촬영한 사진을 참조하라.
이 사진을 제가 찾은 것이 아니라, 사마스가 2000년 말에 에어 앤 코스모(Air et Cosmo)에 발표한 논문에서 가져온 것이다. 브리튼 회의 직전에 발표된 논문이다. 회의 후 사마스는 나에게 이렇게 말했다.
- 이 회의에서 MHD에 대해 언급한 사람은 당신이 유일했어요. 저는 그 단어가 한 번도 언급되는 것을 듣지 못했습니다.
우리 신발 가게 주인은, 중요한 논의가 회의실 안이 아니라 전문가들 사이에서 비밀스럽게 이루어진다는 사실을 모른다(또는 단순히 무지한 귀에 들리지 않도록). 이 그림을 보자. 장비 주위에 형성되는 특성과 충격파를 표시해보자(간단한 참고: 사진 왼쪽 끝부분, 기체의 날카로운 전면 가장자리 근처에서 관찰되는 광학 현상은 충격파가 아니라, 이 실험에서 열 효과를 줄이기 위해 적용된 전기 방전에 의해 발생한 것이다).
충격파는 장비의 하단에 형성되며, 상단은 '바람의 흐름 속'에 있다. 충격파가 생기려면 유속 방향이 변화해야 한다. 오로라-아제크스의 전면 가장자리가 베벨 처리되어 있으며, 그 상단 부분이 유입 가스의 '유선'과 접선을 이룬다.
하단에는 두 개의 충격파가 존재하며, 두 번째는 공기흡입구의 베벨 가장자리에서 시작된다(콘코르드와 매우 유사하며, 이는 일반적인 터보제트 엔진으로 이어진다!).
장비 속도가 증가할수록 온도 변화는 마하 수의 제곱에 비례한다. 어느 순간 마하 3를 넘으면 하단 공기흡입구는 더 이상 사용할 수 없게 된다. 그렇지 않으면 가스가 과열되어 터빈 블레이드가 증발할 것이다. 고 마하 수(10~12)에서는 온도 상승이 너무 심해, 액체 연료를 순환시켜 냉각하는 스테로제트 공기흡입구조차 견딜 수 없다. 미국이 추진하는 '스캐임젯(scramjet)'(초음속에서 연소하는 스테로제트) 이론은 유럽인들이 머리만 들고 뛰어드는 아름다운 오해일 뿐이다. 항공 기자인 베르나르 두아넬은 MHD에 대해 완전히 무지한 사람인데, 당연히 이 이론에 동조한다(인터넷에 있잖아).
따라서 하단 공기흡입구는 닫히고, 충격파가 유도하는 과압이 양력을 제공하게 된다. 이러한 장비는 하단의 충격파 위를 '서핑'하므로 '웨이브라이더(wave-rider)'라고 불린다. 이 개념은 1950년대부터 존재한다. 외부 연소, 즉 기체 아래, 충격파 뒤에서 연소를 고려했던 시절이다(그러나 안타깝게도, 그 열은 아마도 그 고도에 있는 작은 새들을 데우게 되었을 것이다).
상단에 공기흡입구를 열고, 이 구조는 일부 레이저 프린터의 출력부와 유사하다. 그 앞에는 긴 파셜 MHD 발전기가 장착되어 있다(내 책 여기 참조). 이 MHD 발전기는 전기를 생성하며, 이후 기체 뒷부분에 있는 반도체 유동 구역(뒤쪽의 '다리 위로 올라가는' 구역)에 재주입되어 배기 유속의 특성 추진력을 높인다. 이것이 바로 'MHD 브리지(MHD bypass)' 시스템이며, 사마스가 2000년에 이 단어를 사용했지만, 그 의미는 당시 그에게는 매우 낯설었을 것이다. 사마스가 작성한 이 논문에는 엄청난 정보가 담겨 있었으며, 2000년부터 '홀 효과(Hall effect)'의 중요성을 언급한 점(그는 히브리어라고 표현했고, 두아넬 역시 마찬가지였다)이 주목할 만하다. 나는 사마스의 논문 내용이 러시아인 프라이스타트가 아제크스 프로젝트를 시작한 후 말한 발언과 일치한다는 점을 인정해야 한다. 이 내용이 브리튼으로 올라오게 되었고, 그곳에 있던 미국 전문가들에게 질문을 던지게 했다. 두아넬은 즉시 그들의 이름을 모두에게 공개했다.
이러한 전기 에너지 생산은 가스의 운동 에너지를 소모하는 방식으로 이루어지며, 결과적으로 충격파 없이 부드럽게 압축된다. 충격파는 절대 피해야 하는 현상이다(그것은 하단에서 처리할 경우 불가능하다. 미국과 러시아가 회의와 논문에서 퍼뜨리는 또 다른 오해다. 프랑스 전문가들은 이에 머리만 들고 뛰어든다). 바로 여기서 장피에르 페티의 아이디어를 실현한다: 특성들이 교차하지 않도록 방지함으로써 충격파의 발생을 막는 것이다. 왜냐하면 정확히 특성들의 교차가 불필요한 충격파를 유발하기 때문이다. 그 결과 고전적인 '팽창 팬'이 형성된다. 이는 수파에르 학생들이 잘 아는 현상이다. 이제 MHD 공기흡입구 주변에서 'MHD 감속기-발전기'가 작동하지 않을 경우 어떤 일이 일어날지 살펴보자.
아래 오른쪽에 있는 수렴형(convergent)은 특성을 바로잡고, 마하면을 형성하며, 이들의 교차를 유도하고 압력 변동이 축적되게 한다. 가스는 느려지고 재압축되지만, 충격파가 나타난다. 이 교차 지점이 충격파가 발생하는 장소이다.
반면 위 오른쪽에 있는 팽창 팬(expansion fan)은 가스를 가속화하고 마하 수를 증가시킨다. 마하선은 퍼지고 서로 교차할 수 없으므로 충격파가 생기지 않는다. 이것은 1939-45년 전쟁 이전의 유체역학이다. MHD 발전기가 연결되어 있지 않으면, 공기흡입구의 팽창 팬은 초음속으로 떨어지는 가스를 더 빠르게, 더 높은 마하 수로 압축기까지 전달하게 된다. 이것은 불가능하다(비록 이 공기흡입구가 후퇴형이어서 라다르 파동이 터빈 블레이드로 되돌아오는 것을 방지하여 '정찰 가능'한 특성을 지녔지만 말이다. 미국 드론 X-47A의 사진은 마케팅에서 실수로 수정되었지만, 내 책 표지에 나와 있다).
X-47A 전면도
다음은 같은 장비, 드론의 측면도이다:
X-47A 측면도
공기흡입구가 후퇴형으로 배치되어 있어, 터빈 블레이드에 도달하는 라다르 파동이 되돌아오지 않음을 잘 알 수 있다(이것이 은폐성에서 가장 큰 장애물이다). 이 드론 자체가 문제라는 점을 주목하자. 어떻게 이런 공기흡입구가 초음속 비행에서 작동할 수 있을까? 처음에는 불가능해 보인다. 그러나 만약 이것이 전투용 드론이라면(미국은 이를 그렇게 설명하지만, 성능에 대해선 아무런 정보를 주지 않음), 심지어 매우 민첩하다고 해도(그러나 노즐이 '벡터링'되지 않았다는 점에서, 즉 방향 조절이 불가능함을 보여줌)…… 음속 이하일까? B2는 유명한 B-52를 넘어서, 1950년대 전략공군의 핵심 기체였지만, 가장 정교한 기체이다. 그러나 그는 음속 이하로 제시된다. 정말 음속 이하일까? 이러한 문제들은 항공 기자들이 전혀 다루지 않으며, 베르나르 두아넬도 마찬가지다. 그러나 이런 질문을 던져야 할 사람은 바로 그들이다.
하지만 다시 미국의 초음속 비행체와 MHD로 제어되는 공기흡입구의 비밀을 해독해보자. 중앙 그림은 파셜 MHD 발전기의 자연적인 작동과 관련된 전자기력 J × B의 영향 없이, 공기흡입구 내 마하면의 변화를 보여준다.
이제 팽창 팬의 효과와 라플라스 힘에 의한 가스 감속을 결합하면, 섬세한 조절(물리학과의 박사학위 논문 수천 개가 필요한 시대에, 새로운 아이디어 없이 쇠락 중인 과학부서들)을 통해 특성, 마하면을 원하는 만큼 부드럽게 바로잡을 수 있다. 이로써 유동 내에서 특성들이 교차하지 않게 하여 충격파가 발생하지 않도록 한다. 특성이 완전히 평탄해지고 유동선에 수직이 되면 성공이다: 당신은 음속 아래에 있으며, 이제 안심하고 재압축되었지만 가열되지 않은 가스를 일반 터보제트 엔진의 블레이드로 보내면 된다. 이와 같은 엔진은 이륙, 마하 3.5까지의 초음속 비행, 그리고 마하 12의 극초음속 비행 모두에 사용된다. 멋지지 않은가? 놀라운 점은, 가스를 느리게 하고 엔진 입구에서 적절한 압력으로 만드는 데 필요한 에너지를 그 엔진이 스스로 제공한다는 것이다. 이 개념은 1986년 베르트랑 르브룅의 박사학위 논문과 이후의 과학 논문들에도 명시되어 있었다. 그러나 DGA(군대)나 ONERA(국립항공연구소) 사람들이 이 개념을 완전히 이해했는지는 확신이 없다(여기서는 '충격파 저항 감소'라는 조심스러운 표현만 사용된다). 반면, 이 논문 발표 후 연구자 베르나르 포탱은 전화로 말했다. "레브룅이 너와 함께 일했으니, 어떤 프랑스 연구소에서도 직장을 얻는 것은 불가능하다."
한편, 저밀도(대기압: 수은 1mm)에서 작동하는 MHD 발전기의 강한 홀 효과는 고전압을 유발하며, 이 전압은 자연스럽게 기체의 전면 가장자리로 전달되어 보호용 플라즈마 쿠션을 형성한다(아제크스 풍동 모형 사진과 일치하는 실험). 이로써 앞부분 충격파의 열 효과가 감소된다. 그러나 이 충격파는 항상 존재하지 않는다. 실제로 이 초음속 정찰기의 항공기 비행 중, 속도가 증가하여 고층 대기(약 120km 고도)로 뛰어오르게 되며, 그곳은 공기가 너무 희박해 열 유동은 무시할 수 있다. 오로라는 이처럼 저층 대기를 반복적으로 '튕겨' 날아다닌다(상대적인 개념: 약 80km 고도). 마치 고층 대기 표면 위를 튀는 돌멩이처럼 말이다. 따라서 조종사는 파라볼라 궤도를 따라 가속과 무중력 상태를 반복하며, 각 주기는 수십 초 정도이다(내 웹사이트의 하이퍼소어 문서 참조). 이들은 익숙하지만, 민간용 버전에서는 승객들이 드라마민을 복용하거나 실용적인 냉장고를 준비해야 할 것이다.
이론적으로는 이 아이디어는 누구나 이해할 수 있다. 그러나 실제로는 또 다른 문제다. 거기에는 엄청난 난제들이 숨어 있으며, 나는 그 본질과 해결책을 알고 있으며, 미국 및 러시아 동료들도 마찬가지다. 실제로 브리튼에서 이 문제를 논의한 적도 있다. 그러나 나는 내 책에 이를 언급하지 않았다. 프랑스인들이 자신들의 어리석음으로 인해 이런 흙탕물에 머리만 들고 뛰어드는 대가를 치르게 하겠다. 내가 그 해결책을 알려줄 것이라고 기대하지 마라. 이 해결책은 어떤 문서에도 없으며, 나는 2003년 6월 수파에르에서 열린 세미나에서 수파에르 학생들에게만 공개할 것이다.
좋은 운을 빌어, 친구들. 사건의 교훈은 한편으로는 카프르나움 회당을 나선 후 예수께서 말씀하신 것처럼 "자신의 고향에서는 아무도 예언자가 되지 못한다." 또 다른 측면에서는, 진정한 혁신적인 아이디어는 보수주의가 절대적 규칙인 국가에서는 수십 년이 걸려야 정착된다(프랑스의 경우, 모든 연구가 .. 폴리테크닉 출신들에 의해 장악된다는 악영향이 더해진다). 피카르의 말을 기억하겠는가?
- 독일의 군사적 잠재력을 파괴하고 싶다면, 거기에 폴리테크닉 학교를 설립하라 (길버트 페얀은 이 유명한 '틀'에서 나왔다).
나는 이후 15년 동안 천체물리학과 우주론으로 방향을 돌렸다. 그러나 다시 말하지만, 특히 프랑스에서는 내가 너무 앞서 나가고 있는 것 같다. 과학자 탐험기 일기를 현재 집필 중이다.
결국, 2001년 이 분야를 포기한 후 내 현재의 해결책은 이집트학으로 전환하는 것이었다. 나는 지금 이 분야에서 연구 결과를 발표하려고 노력하고 있다(그것이 쉬운 일은 아닐 것이다). 나는 이미 임모테프가 피라미드 건설 방식에 대해 알고 있던 모든 비밀을 밝혀냈다는 확신이 있다(안심해도 된다: 중력 반전은 아니다).
마지막 일화: 란투르루 시리즈의 탄생을 누가 이끌었는지 아시나요? 당시 CNES를 이끌고 있던 허버트 쿠리엔이었다. 에스테르레와 자포리가 폴리테크닉 출신인 페얀과 군대의 승인을 받으며 MHD의 초기 아이디어를 개발하려 애쓰고 있었을 때였다. 나는 그에게 이렇게 요청했다.
- 당신의 팀은 내 도움을 거부했지만, 그들은 이 분야에서 완전히 무지하다. 그러면 그들은 반드시 실패할 것이다(즉시 발생했으며, 이후 설명될 것이다). 만약 당신이 개입하지 않으면, 나는 창의성과 여유 시간을 과학 대중화에 쏟을 것이다. 아래 첨부된 것은 시리즈가 될 수 있는 앨범 초안이다.
쿠리엔(지금은 사망)은 내 메일에 답을 주지 않았다.
마지막 한 마디.
매우 어려운 작업을 거쳐 1200dpi 스캐너를 사용해 VSD 잡지에 실린 그림을 확대하려 했다. 그러나 두아넬이 매우 축소해서 게재했기 때문에, 눈을 크게 뜨고 글자를 읽어내고 지우고 다시 조합하여 가독성 있게 만들었다. 아래는 그 결과이다.
이 그림은 아제크스 프로젝트의 도면이라고 되어 있다. 전면 가장자리가 베벨 처리되어 있음은 분명하지만, 명시되지 않았다. 그러나 예를 들어 2000년 12월에 Air et Cosmos 표지에 실린 예술가의 그림에서 보이듯이 그렇다. 따라서 두 개의 충격파가 생겨야 한다.
그러나 정확히 이걸 피하고 싶은 것이다. 도면에는 '이온화기'가 그려져 있다. 왜 여기에? 왜 전면 가장자리에 두지 않았는가? 더 합리적인 위치가 아닐까? '외부 MHD 발전기'(즉, 벽면형)가 있으며, 이 도면은 공기흡입구 내부에 있는 내부 MHD 발전기를 추가로 그려, 둘 다 가스 감속기로 작동한다. 'MHD 브리지'는 노즐 후방에 MHD 가속기를 배치했다. 그러나 이 모든 것은 명확하지 않다. 나는 이 도면이 허위 정보일 것이라 생각하며, 브리튼 회의에서 가져온 도면이 올바른 것으로 보인다. 나는 유체역학 전문가이자 이온화 가스 물리학에 능한 사람에게 반박을 증명해보라고 도전한다. 수파에르에서 내 강연을 들은 유체역학 전문가들은 나와 동일한 견해였다.