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1. 충격파의 개념과 특성
1.1. 충격파의 정의
충격파는 고속으로 비행하는 항공기나 물체가 공기 중을 통과할 때 생기는 압력 파장이다. 공기의 압축성 때문에 물체의 표면 근처에서 공기 흐름이 음속보다 빨리 되면 공기가 압축되어 불연속적인 압력 상승이 일어나는데, 이것이 바로 충격파이다.
충격파가 발생하려면 음속 이상의 속도로 비행하는 항공기나 물체가 필요하다. 공기 중을 움직이는 물체의 속도가 음속보다 빨라지면 물체 앞쪽에 압력 파가 생기게 된다. 이 압력 파는 소리의 속도로 전파되는 마하파라고 불린다. 마하파가 중첩되면 충격파가 발생하게 되며, 이 충격파를 지나면 공기의 압력, 밀도, 온도 등이 불연속적으로 증가하게 된다.
따라서 충격파는 음속 이상의 속도로 비행하는 물체 주변에서 발생하는 압력 파동이라고 할 수 있다.
1.2. 공기의 압축성
공기의 압축성은 압력을 받으면 체적이 줄어들면서 밀도가 커지는 성질을 말한다. 일반적으로 공기의 흐름 속도가 100m/s 이하일 때는 밀도 변화가 5% 이내로 작아 압축성 효과를 무시할 수 있어 비압축성 유체로 간주할 수 있다. 하지만 공기 흐름 속도가 100m/s 이상으로 빨라지면 밀도 증가가 5% 이상으로 커져 압축성 효과를 고려해야 한다.
물체가 움직이면 물체 주변의 공기가 교란을 받아 압력 변화가 발생하고, 이 압력 변화가 음속으로 사방으로 퍼져나가는데 이를 마하파라고 한다. 물체의 속도가 음속보다 빨라지면 마하파가 물체 뒤쪽으로 쳐져 원뿔 모양을 이루게 된다. 마하파 안쪽은 교란이 있는 작용구역이고 바깥쪽은 교란이 없는 고요한 구역이다.
비행기가 음속 이상으로 고속 비행하면 공기의 압축성 효과로 인해 날개 윗면에서 충격파가 발생한다. 충격파를 지나면 압력, 밀도, 온도 등이 급격히 증가하며 속도는 감소하게 된다. 이와 같은 압축성 효과로 인해 항공기 설계 시 반드시 고려해야 한다.
1.3. 마하파와 마하수
마하파와 마하수는 항공기의 비행 속도와 공기의 음속과의 관계를 나타내는 개념이다.
마하파(Mach wave)란 음속보다 빠르게 이동하는 물체 주변에서 발생하는 공기의 압력 변화가 음속으로 전달되는 경계면을 말한다. 물체가 음속 이상의 속도로 이동하면 물체 앞에서 발생한 공기의 압력 변화가 음속보다 빨리 전파되어 물체에 도달하지 못하게 된다. 따라서 물체 주변에 교란이 이루어진 구역과 교란이 없는 구역이 나뉘게 되며, 이 경계면이 마하파이다.
마하수(Mach number)는 물체의 속도를 그 물체가 있는 매질의 음속으로 나눈 무차원 수로, 마하수가 1보다 크면 초음속 비행, 1보다 작으면 아음속 비행을 의미한다. 마하수가 0.3 이하이면 비압축성 유동, 0.3 이상 0.8 이하이면 압축성 유동, 0.8 이상 1.2 이하이면 천음속 유동, 1.2 이상 5.0 이하이면 초음속 유동, 5.0 이상이면 극초음속 유동이라고 구분할 수 있다.
마하수는 비행 속도뿐만 아니라 온도 변화에 따른 음속 변화에 의해서도 달라질 수 있다. 고도가 높아질수록 온도가 낮아지므로 음속이 감소하여 마하수가 증가하게 된다.
1.4. 음속 비행과 비압축성 흐름
항공기가 음속 이하로 비행할 때는 공기의 압축성을 무시할 수 있어 비압축성 유동으로 취급할 수 있다. 비압축성 유동에서는 압력, 밀도, 속도 등의 변화가 크지 않기 때문에 항공기의 공기역학적 특성을 간단히 분석할 수 있다.
그러나 항공기의 비행 속도가 증가하면 공기의 압축성 효과를 무시할 수 없게 된다. 일반적으로 마하수가 0.3 이상이 되면 공기의 압축성을 고려해야 하며, 마하수 1을 초과하면 충격파가 발생하게 된다.
음속 비행에서는 물체 주위의 공기흐름이 순간적으로 음속보다 빨라질 수 있다. 날개 윗면의 유동이 음속을 초과하는 것이 대표적인 예이다. 이 경우 날개 윗면에서 수직 충격파가 발생하게 되어 압력과 온도가 급격히 증가한다. 반면에 날개 아랫면의 유동은 음속 이하로 유지되어 압축성 효과가 작게 나타난다.
음속 비행에서는 이러한 압축성 효과로 인해 양력과 항력의 특성이 변화하게 되며, 특히 항력 증가로 인한 성능 저하가 문제가 된다. 따라서 음속 ...
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