0. 속력 영역별 비행특성
일반적인 소형 항공기는 마하수 0.4에서 비행하기 때문에 압축성 효과가 거의 없어 저 아음속 항공기라고 부릅니다. 그리고 대부분의 장거리 여객기는 마하수 0.8 근처의 천음속에서 비행합니다. 전투기는 대부분이 고속 항공기에 속합니다. 15장에서는 영역에 따라 구분된 5개의 영역에서의 비행 특성에 대해 살펴보도록 하겠습니다.
1. 아음속 비행
일반적으로 비행속력이 M < 0.3 인 경우, 밀도의 최대 변화가 5% 미만이기 때문에 비압축성으로 간주합니다. 한편, 비압축성과 달리 압축성 효과가 발생하지만 공기 흐름이 가장 빠른 날개 위에서도 마하수가 1에 미치지 못하는 유동을 아음속 유동이라고 합니다. 아음속 비행 상태에서는 충격파와 같은 현상이 발생하지 않기 때문에 조파 항력이나 충격파 발생에 의한 양력 감소 등을 고려하지 않아도 됩니다.
2. 천음속 비행
비행기 주위를 지나는 공기 흐름의 유속은 비행기 날개의 윗부분에서 가장 빨라집니다. 아음속 영역에서는 항공기 날개 주위의 모든 곳에서의 유속이 음속보다 느리지만, 항공기가 천음속 영역에 들어가게 되면 날개 윗부분에는 유속이 음속보다 빠른 부분이 생기게 됩니다. 일반적으로 압축성 효과로 인해 발생하는 충격파가 이 영역에서 발생합니다. 이와 같이 아음속과 초음속 흐름이 공존하는 유동을 천음속 유동이라고 합니다.
공기 흐름의 속력이 빨라짐에 따라 날개 윗면에는 흐름 속력이 M=1에 도달하는 곳이 생기는데, 이때 자유 흐름의 마하수를 임계 마하수라고 합니다. 달리 말하면, 임계 마하수란 비행기 주위의 공기 흐름이 가장 빠른 곳에서 마하수가 1에 도달했을 때의 비행 마하수를 의미합니다.
공기 흐름의 속력이 더욱 빨라져 임계 마하수를 넘어가면 음속보다 빠른 초음속 영역과 충격파가 생기는 부분, 그리고 아음속 영역들이 동시에 생기게 됩니다. 짜라서 세 가지 흐름의 영역이 공존하는 천음속 영역에서는 마하수에 따라 나타나는 에어포일 주위의 흐름 모양이 아주 복잡해집니다.
에어포일 윗면에 발생한 충격파를 지난 공기흐름은 아음속으로 바뀌면서 유속이 작아져 압력이 급격히 상승한다. 충격파로 인한 압력 상승은 경계층 분리 현상을 일으키며, 분리된 경계층은 충격파와 서로 상호작용하여 여러 개의 와류를 포함하는 후류를 발생시킵니다. 마하수가 점점 커짐에 따라 초음속 흐름 영역이 넓어지고 충격파도 강하게 나타난다. M = 0.95 정도가 되면 에어포일 윗면에서의 흐름 대부분은 초음속 흐름이 되고, 날개 끝 부분에서 강한 충격파가 발생합니다. 에어포일 아랫면에도 윗면과 같은 현상이 약하게 나타납니다.
공기 흐름 속력이 더욱 빨라져 음속을 넘어서게 되면 에어포일 앞전 부근에는 표면에서 떨어진 충격파가 나타나는데, 이와 같은 충격파를 이탈충격파라고 합니다. 이탈충격파를 지난 앞전 부근에는 아음속 영역이 생기며 압력과 온도가 급격히 상승합니다. 또한 에어포일의 윗면과 아랫면에는 다시 가속되어 초음속 흐름 영역이 생기고 뒷전 부근에는 피시테일이라고 불리는 물고기 꼬리 모양의 충격파가 형성이 되며, 다시 앞전에서는 에어포일에서 떨어져 생긴 휘어진 활 모양 충격파, 또는 궁형 충격파가 생깁니다.
음속에 가까운 천음속 흐름에서 충격파로 인해 에어포일의 항력은 급격히 증가하며 반대로 양력은 현저히 감소합니다. 즉, 받음각을 크게 증가시켰을 때 아음속 영역에서 나타나는 에어포일의 실속과 같은 현상이 발생합니다. 이와 같은 형태의 실속 현상을 충격파 실속이라고 합니다. 충격파 실속이 발생하는 마하수 근처에서부터 항력은 급격하게 증가하며, 이때의 마하수를 항력 발산 마하수라고 합니다. 항력 발산 마하수 근처에서 양력도 같이 커지므로 양향비도 큰 값을 가지기 때문에 장거리 여객기는 충격파 실속이 발생하기 직전의 마하수에서 순항합니다.
고 아음속기의 압축성 효과에 의한 항력을 감소시키기 위한 방법 중의 하나는 면적 법칙을 적용하는 것입니다. 기체 축에 대해 직각으로 자른 단면적 분포가 연속적으로 완만하게 변하도록 설계함으로써 음속 부근에서 항공기에 발생하는 조파 항력을 줄일 수 있다는 것이 그 원리입니다. 이 법칙은 미국 F-102 전투기에 처음 도입되어 오늘날 천음속을 비행하는 대부분 항공기에 적용되고 있습니다.
천음속 비행에서는 임계 마하수가 높을수록 충격파에 의한 조파 항력을 감소시킬 수 있습니다. 이를 위해 초임계 에어포일이라는 특별히 고안된 에어포일을 사용합니다. 초임계 에어포일은 두께비가 크더라도 천음속 비행에서 약한 충격파가 생기도록 하여 항력의 급격한 증가를 방지하도록 설계된 에어포일입니다.
3. 초음속 비행
비행기 속력뿐 아니라 그 주위를 흐르는 대부분 공기흐름의 속력인 초음속인 경우를 초음속 유동이라고 합니다. 충격파로 인한 조파 항력을 최소화하는 것이 매우 중요하기 때문에, 초음속 비행기는 임계 마하수를 높이고 충격파 발생으로 인한 조파 항력을 줄이기 위한 형상을 가집니다. 초음속 비행에서 조파 항력을 줄이는 데에는 날개 두께를 얇게 하거나 날개에 후퇴각을 주는 방법이 있습니다.
불가피하게 충격파가 발생할 경우 조파항력이 상대적으로 작은 경사 충격파가 발생하도록 하는 방법이 유용합니다. 왜냐하면 분리된 충격파나 수직에 가까운 충격파는 공기 흐름의 속력을 아음속으로 떨어뜨리는 동시에 급격한 압력 증가로 인한 조파 항력을 급증시키기 때문입니다. 이 때문에 둥근 앞전을 사용하는 아음속 비행기와 다르게 초음속 비행기의 앞전은 면도날과 같은 날카롭고 얇은 두께의 에어포일을 사용하여 약한 경사 충격파를 발생시키는 방법으로 조파 항력을 크게 감소시킵니다.
다음장에서 계속됩니다....