극초음속

극초음속(極超音速, 영어: hypersonic speed)은 음속보다 5배 이상 빠른 속도인 마하 5 이상의 속도를 말한다.^[1][2] 특정 물체가 극초음속으로 비행한다고 말할 수 있는 정확한 마하 수는 개별적인 공기 흐름의 물리적 변화(분자 해리 및 이온화)가 다른 속도로 발생하기 때문에 달라진다. 이러한 효과는 마하 5~10 사이에서 중요해진다. 극초음속 영역은 움직이는 물체의 운동 에너지가 열로 전환됨에 따라 흐름의 온도에 따라 비열용량이 변하는 속도로 정의할 수도 있다.^[3]

마하 7에서 CFD 이미지로 표현된 미국 항공 우주국 X-43A

1990년대부터 이 기술이 사용되었으며, 전투기와 미사일에 처음으로 적용되었다. 이후 항공기에도 사용되면서 사용 용도가 점차 넓어지고 있다. 그리고 현재 세계에서 극초음속 미사일을 보유하는 국가는 미국 러시아 중화인민공화국 조선민주주의인민공화국 4개국 뿐이다.

흐름의 특성

극초음속(마하 5) 시뮬레이션

극초음속 흐름의 정의는 모호할 수 있지만^[1][a] 극초음속 흐름은 매우 빠른 초음속 흐름에서 특정 물리적 현상에 의해 특징지어질 수 있다.^[4]

극초음속 흐름의 특징은 다음과 같다.

1. 충격파 층^[1]
2. 충격파 상호작용 - 공기열:^[5] 동체 공력가열^[1][6]
3. 엔트로피 층
4. 실제 기체 효과
5. 저밀도 효과
6. 마하 수에 따른 공기역학 계수의 독립성.

작은 충격파 이격 거리

물체의 마하 수가 증가함에 따라, 물체에 의해 생성된 보우 충격파 뒤의 밀도도 증가하며, 이는 질량 보존 법칙으로 인해 충격파 뒤의 부피 감소에 해당한다. 결과적으로, 더 높은 마하 수에서는 보우 충격파와 물체 사이의 거리가 감소한다.^[7]

엔트로피 층

마하 수가 증가함에 따라, 충격파를 가로지르는 엔트로피 변화도 증가하며, 이는 강한 엔트로피 구배와 경계층과 혼합되는 고도로 소용돌이치는 흐름을 초래한다.

점성 상호작용

높은 마하 수에서 흐름과 관련된 큰 운동 에너지의 일부는 점성 효과로 인해 유체 내의 내부 에너지로 변환된다. 내부 에너지의 증가는 온도 증가로 나타난다. 경계층 내에서 흐름에 수직한 압력 구배는 낮은 마하 수에서 중간 극초음속 마하 수까지는 대략 0이므로, 경계층을 통한 온도 증가는 밀도 감소와 일치한다. 이로 인해 경계층의 하단이 팽창하여 물체 위의 경계층이 두꺼워지고 종종 물체 전면 근처의 충격파와 합쳐질 수 있다.

고온 흐름

점성 소산의 발현으로 인한 고온은 진동 여기 및 분자의 해리와 이온화와 같은 비평형 화학적 흐름 특성을 유발하여 대류 및 복사 열 유속을 발생시킨다.

마하 영역 분류

"아음속" 및 "초음속"은 일반적으로 각각 국부 음속 이하 및 이상의 속도를 의미하지만, 공기역학 전문가는 종종 이 용어를 특정 마하 값 범위를 나타내는 데 사용한다. 항공기가 천음속 속도(약 마하 1)에 가까워지면 특별한 영역에 진입한다. 아음속 설계에 잘 작동하는 나비에-스토크스 방정식에 기반한 일반적인 근사치는, 자유 흐름에서조차 흐름의 일부가 국부적으로 마하 1을 초과하기 때문에 깨지기 시작한다. 따라서 이 복잡한 동작을 처리하기 위해서는 더 정교한 방법이 필요하다.^[8]

"초음속 영역"은 일반적으로 선형화 이론이 사용될 수 있는 마하 수 집합을 의미한다. 예를 들어, 공기 흐름이 화학적으로 반응하지 않고 공기와 비행체 사이의 열전달이 계산에서 합리적으로 무시될 수 있는 경우이다. 일반적으로 NASA는 "고" 극초음속을 마하 10에서 25까지의 마하 수로 정의하며, 재진입 속도는 마하 25보다 큰 모든 것으로 정의한다. 이러한 영역에서 운용되는 우주선 중에는 귀환하는 소유스 및 드래곤 우주 캡슐이 있으며, 이전에 운용되었던 우주왕복선; 스페이스X 스타십 및 로켓 랩 일렉트론과 같이 개발 중인 다양한 재사용 가능 우주선; 그리고 (이론적인) 스페이스플레인이 있다.

다음 표에서는 "아음속" 및 "초음속"의 일반적인 의미 대신 "영역" 또는 "마하 값의 범위"가 참조된다.

영역	마하 수	속도	일반적인 특징	항공기	미사일/탄두
아음속	< 1[1]	<614 mph (988 km/h; 274 m/s)	대부분 프로펠러 구동 및 상용 터보팬 항공기로, 고종횡비(가는) 날개와 뭉툭한 기수 및 앞전 등 둥근 특징을 가집니다. 아음속 속도 범위: 항공기 위를 흐르는 모든 공기 흐름이 마하 1 미만인 속도 범위. 임계 마하 수(Mcrit): 항공기 특정 부분 위의 공기 흐름이 처음으로 마하 1에 도달하는 가장 낮은 자유 흐름 마하 수.	모든 상용 항공기	—
천음속	0.8–1.2	614–921 mph (988–1,482 km/h; 274–412 m/s)	후퇴익, 초임계 날개, 면적 법칙을 적용한 설계를 특징으로 합니다. 천음속 속도 범위: 항공기 주변 공기 흐름이 아음속과 초음속이 혼재하는 속도 범위 (보통 Mcrit부터 마하 1.3까지).	노스롭 X-4 밴텀 (마하 0.9)	—
초음속	> 1[1]	921–3,836 mph (1,482–6,173 km/h; 412–1,715 m/s)	날카로운 모서리, 얇은 에어포일 단면, 카나드 등 공기역학적 설계가 크게 달라집니다. 현대 전투기는 저속 조종성을 위해 절충 설계를 채택합니다. 초음속 속도 범위: 항공기 주변의 모든 공기 흐름이 초음속인 속도 범위 (보통 마하 1.3 이상부터 시작).	XB-70 발키리 (마하 3) SR-71 블랙버드 (마하 3) BAC/아에로스파시알 콩코드 (마하 2) 투폴레프 Tu-144 (마하 2)	—
극초음속	> 5[1]	3,836–7,673 mph (6,173–12,348 km/h; 1,715–3,430 m/s)	냉각된 니켈/타이타늄 외피와 작은 날개를 가지며, 부품 간 간섭 효과가 커 고도로 통합된 설계를 특징으로 합니다. 한 부품의 작은 변화가 전체에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.	노스 아메리칸 X-15 (마하 6.7) 미국 항공 우주국 X-43 (마하 9.6) 보잉 X-51 (마하 5)	브라모스-2 (마하 8) Kh-47M2 킨잘 (마하 10) 3M22 지르콘 (마하 8-9) WU-14 (마하 5–10) HSTDV (마하 6) 화성-8형 (마하 6–10)
고극초음속	[10–25)	7,673–19,180 mph (12,348–30,867 km/h; 3,430–8,574 m/s)	열 제어가 핵심 설계 요소가 됩니다. 구조는 고열에 견디도록 설계되거나 특수 규산염 타일 등으로 보호됩니다. 화학적으로 반응하는 공기 흐름으로 인한 외피 부식도 고려해야 합니다.	—	53T6 (마하 17) 팰컨 HTV-2 (마하 20) 아그니 5 (마하 24) DF-41 (마하 25) M51 (마하 25) 아방가르드 (마하 20–27)
재진입 속도	≥25	≥19,180 mph (30,870 km/h; 8,570 m/s)	삭마열 차폐막, 작거나 없는 날개, 뭉툭한 형태(재진입 캡슐)가 특징입니다.	우주왕복선 궤도선 (마하 22) 부란 보잉 X-37 (마하 25) 재사용 실험 우주선 (마하 25) IXV (마하 22)	아방가르드 (마하 20–27)

유사성 매개변수

공기 흐름의 분류는 수많은 유사성 매개변수에 의존하며, 이는 거의 무한한 수의 테스트 사례를 유사성 그룹으로 단순화할 수 있게 한다. 천음속 및 압축성 흐름의 경우, 마하 및 레이놀즈 수만으로도 많은 흐름 사례를 잘 분류할 수 있다.

그러나 극초음속 흐름에는 다른 유사성 매개변수가 필요하다. 첫째, 경사 충격파 각도에 대한 해석 방정식은 높은(~>10) 마하 수에서 마하 수와 거의 독립적이 된다. 둘째, 공기역학적 물체 주변에 강한 충격파가 형성된다는 것은 자유 흐름 레이놀즈 수가 물체 위의 경계층 거동을 추정하는 데 덜 유용하다는 것을 의미한다 (여전히 중요하지만). 마지막으로, 극초음속 흐름의 증가된 온도는 실제 기체 효과가 중요해진다는 것을 의미한다. 따라서 극초음속 연구는 종종 공기역학보다는 공기열역학이라고 불린다.^[9]

실제 기체 효과의 도입은 기체의 완전한 상태를 설명하기 위해 더 많은 변수가 필요하다는 것을 의미한다. 정지 상태의 기체는 세 가지 변수(압력, 온도, 단열 지수)로 설명될 수 있고, 움직이는 기체는 네 가지 변수(유속)로 설명될 수 있지만, 화학 평형 상태의 고온 기체는 기체의 화학 성분에 대한 상태 방정식도 필요하며, 비평형 상태의 기체는 시간을 추가 변수로 사용하여 해당 상태 방정식을 해결한다. 이는 비평형 흐름의 경우, 특정 시점에 기체의 상태를 설명하기 위해 10개에서 100개 사이의 변수가 필요할 수 있음을 의미한다. 또한, 희박 극초음속 흐름(일반적으로 크누센 수가 0.1을 초과하는 것으로 정의됨)은 나비에-스토크스 방정식을 따르지 않는다.

극초음속 흐름은 일반적으로 총 엔탈피 (MJ/kg), 총 압력 (kPa-MPa), 정체 압력 (kPa-MPa), 정체 온도 (K) 또는 유속 (km/s)으로 표현되는 총 에너지로 분류된다.

월리스 헤이즈는 면적 법칙과 유사한 유사성 매개변수를 개발하여 유사한 구성을 비교할 수 있도록 했다. 가는 물체 위의 극초음속 흐름 연구에서 자유 흐름 마하 수 ${\displaystyle M_{\infty }}$와 흐름 편향 각 ${\displaystyle \theta }$의 곱은 극초음속 유사성 매개변수로 알려져 있으며:$${\displaystyle K=M_{\infty }\theta }$$는 중요한 지배 매개변수로 간주된다.^[9] 차량의 세장비 ${\displaystyle \tau =d/l}$는 종종 ${\displaystyle \theta }$ 대신 사용되며, 여기서 ${\displaystyle d}$는 직경이고 ${\displaystyle l}$은 길이이다.

영역

극초음속 흐름은 대략 여러 영역으로 분리될 수 있다. 이러한 영역의 선택은 특정 효과가 발견될 수 있는 경계가 모호하기 때문에 대략적이다.

이상기체

이 영역에서는 기체를 이상기체로 간주할 수 있다. 이 영역의 흐름은 여전히 마하 수에 의존한다. 시뮬레이션은 일반적으로 낮은 속도에서 사용되는 단열 벽 대신 항온 벽의 사용에 의존하기 시작한다. 이 영역의 하한은 램제트가 비효율적이 되는 마하 5 부근이며, 상한은 마하 10-12 부근이다.

이중 온도 이상기체

이것은 기체를 화학적으로 완전한 것으로 간주할 수 있지만, 기체의 회전 및 진동 온도는 별도로 고려해야 하므로 두 가지 온도 모델로 이어진다. 특히 진동 동결이 중요해지는 초음속 노즐 모델링을 참조하라.

해리된 기체

이 영역에서는 이원자 또는 다원자 기체(대부분의 대기에서 발견되는 기체)가 물체에 의해 생성된 충격파와 접촉하면서 해리되기 시작한다. 표면 촉매 작용은 표면 가열 계산에 중요한 역할을 하며, 이는 표면 재료의 종류 또한 흐름에 영향을 미친다는 것을 의미한다. 이 영역의 하한은 기체 혼합물의 어떤 구성 요소가 흐름의 정체점에서 처음으로 해리되기 시작하는 지점이다(질소의 경우 약 2000 K). 이 영역의 상한에서는 이온화 효과가 흐름에 영향을 미치기 시작한다.

이온화 기체

이 영역에서는 정체된 흐름의 이온화된 전자 집단이 중요해지며, 전자는 별도로 모델링되어야 한다. 종종 전자 온도는 나머지 기체 구성 요소의 온도와 별도로 처리된다. 이 영역은 자유 흐름 유속이 약 3~4 km/s일 때 발생한다. 이 영역의 기체는 비방사성 플라스마로 모델링된다.

복사 지배 영역

약 12 km/s 이상에서는 차량으로의 열전달이 전도 지배에서 복사 지배로 바뀐다. 이 영역의 기체 모델링은 두 가지 클래스로 나뉜다.

1. 광학적으로 얇음: 기체가 기체의 다른 부분에서 방출된 복사를 재흡수하지 않는 경우
2. 광학적으로 두꺼움: 복사를 별도의 에너지원으로 고려해야 하는 경우

광학적으로 두꺼운 기체의 모델링은 각 지점의 복사 계산으로 인해 고려되는 지점 수가 증가함에 따라 계산 부하가 이론적으로 기하급수적으로 증가하기 때문에 매우 어렵다.

같이 보기

• 극초음속 활공체
• 초음속 여객기
• 리프팅 바디
• 대기권 진입
• 극초음속 비행
• DARPA 팰컨 프로젝트
• 리액션 엔진스 스카이론 (설계 연구)
• 리액션 엔진스 A2 (설계 연구)
• 하이퍼소어 (개념)
• 보잉 X-51
• X-20 다이너소어 (취소됨)
• 록웰 X-30 (취소됨)
• 아바타 RLV (2001년 인도 개념 연구)
• 극초음속 기술 시현 비행체 (인도 프로젝트)
• 아약스 (1990년대 러시아 웨이브 라이더 프로젝트)
• 아방가르드 (러시아 극초음속 활공체, 운용 중)
• WU-14 (중국 극초음속 활공체, 운용 중)
• 록히드 마틴 SR-72 (계획 중)
• WZ-8 중국 극초음속 감시 무인 항공기 (운용 중)
• MD-22 중국 극초음속 UCAV (개발 중)

엔진

• 로켓 엔진
• 램제트
• 스크램제트
• 리액션 엔진스 SABRE, LAPCAT (설계 연구)

미사일

• 3M22 지르콘 대함 극초음속 순항 미사일 (생산 중)
• 브라모스-2 순항 미사일 – (개발 중)

다른 흐름 영역

• 아음속 비행
• 천음속
• 초음속

내용주

1. 일반적으로 논쟁의 여지가 있다 (특히 초음속 및 극초음속 흐름 간의 불연속성이 없기 때문).