공기역학의 역사

History of aerodynamics

공기역학(Airodynamics)은 공기의 운동 연구와 관련된 역학의 한 분야다. 유체와 가스 역학의 하위 분야로, 유체 역학을 언급할 때 흔히 '유체 역학'이라는 용어를 사용한다.

근본적인 공기역학 개념에 대한 초기 기록은 기원전 2, 3세기 아리스토텔레스와 아르키메데스의 연구로 거슬러 올라가지만, 기류의 정량적 이론을 발전시키려는 노력은 18세기에 이르러서야 시작되었다. 1726년 아이작 뉴턴은 공기저항 이론을 발전시켰을 때 현대적 의미의 최초의 공기역학자들 중 한 명이 되었고, 이 이론은 후에 저유속을 검증받았다. 공기저항 실험은 1871년 최초의 풍동굴 건설에 의해 18세기에서 19세기에 걸쳐 조사자들에 의해 수행되었다. 다니엘 베르누이는 그의 1738년 간행물 하이드로디나미카에서 압력, 속도, 밀도 사이의 근본적인 관계를 기술했는데, 이제는 리프트를 설명하는 한 가지 방법을 제공하는 베르누이의 원리로 불렸다.

19세기 전반에 걸친 공기역학 연구는 공기보다 무거운 비행을 달성하고자 했다. 조지 케일리는 1799년에 현대식 고정익 비행기의 개념을 개발했고, 그렇게 함으로써 비행의 네 가지 기본 힘인 리프트, 추력, 드래그, 그리고 무게를 확인했다. 고 리프트, 저 드랙 에어포일 개발과 연계하여 동력 비행에 필요한 추력을 합리적으로 예측하는 개발이 최초의 동력 비행을 위한 길을 열었다. 1903년 12월 17일, 윌버와 오빌 라이트는 최초의 성공적인 동력 비행기를 날렸다. 비행과 그것이 받은 홍보는 항공사와 공기역학자들 간의 보다 체계적인 협업을 이끌어 현대 공기역학으로 나아갔다.

공기역학에서 이론적 진보가 실제와 평행하게 이루어졌다. 베르누이가 묘사한 관계는 압축할 수 없고 비결정적인 흐름에만 유효하다는 것이 밝혀졌다. 1757년 레온하르트 오일러는 오일러 방정식을 발표하여 베르누이의 원리를 압축성 유동체제로 확장시켰다. 19세기 초, Navier-Stokes 방정식의 개발은 점성 효과를 설명하기 위해 오일러 방정식을 확장했다. 첫 비행이 진행되는 동안, 몇몇 조사관들은 유량 순환과 양력을 연결하는 독립적인 이론을 개발했다. 루드비히 프란틀은 이 시기에 경계층을 조사한 최초의 사람 중 한 명이 되었다.

초기 공기역학적 사고 - 19세기까지의 고대

레오나르도 다 빈치 (c. 1488)가 그린 비행기의 설계도. 이 기계는 1505년 새의 비행에 관한 그의 코덱스에서 처음 선보인 새의 날개와 비슷한 날개를 가진 오니톱터였다.

이론적 기초

공기역학 과학의 현대 이론은 18세기까지 등장하지 않았지만, 그 기초는 고대에 들어서기 시작했다. 근본적인 공기역학 연속성 가정은 기원전 3세기에 활동한 아르키메데스가 유체를 연속체로 취급할 수 있다고 공식적으로 주장한 첫 번째 사람이기는 하지만 아리스토텔레스의 천국에 대한 고찰에 그 기원을 두고 있다.[1] 아르키메데스는 유체 흐름이 유체 내부의 압력 구배에 의해 움직인다는 개념도 소개했다.[2][3] 이 아이디어는 나중에 유동 흐름을 이해하는 데 기초적인 것으로 증명될 것이다.

1687년 뉴턴의 공국은 기계 현상을 이해하기 위한 최초의 완전한 이론적 접근인 뉴턴의 운동 법칙을 제시했다. 특히 운동량 보존에 관한 성명서인 뉴턴의 제2법칙은 오일러 방정식과 나비에-스토크스 방정식을 얻기 위해 사용되는 3가지 기본 물리적 원리 중 하나이다.

1738년 네덜란드-스위스 수학자 다니엘 베르누이는 하이드로디나미카를 출판하였는데, 이 책에서 오늘날 베르누이의 원리로 알려진 압력과 속도 사이의 근본적인 관계를 기술하였다.[4] 이것은 유체의 압력이 속도가 증가함에 따라 감소하고, 따라서 유체 역학 이론의 상당한 초기 진보가 있었으며, 레온하르트 오일러가 도출한 방정식으로 먼저 정량화되었다고 기술하고 있다.[5] 흔히 베르누이의 방정식이라고 불리는 이 표현은 유체 내의 능률을 따라 두 지점에서 압력, 밀도 및 속도를 다음과 같이 연관시킨다.

베르누이의 방정식은 유체의 압축성뿐만 아니라 중력과 점성력이 흐름에 미치는 영향도 무시한다. 레온하르트 오일러는 1757년에 오일러 방정식을 계속 발표하게 되는데, 오일러 방정식은 압축 가능 및 압축 불가능 흐름 모두에 유효하다. 오일러 방정식은 1800년대 전반기의 점도의 효과를 반영하기 위해 확장되었고, 그 결과 Navier-Stokes 방정식이 나왔다.

공기저항 연구

공기역학적 형태를 만들려는 초기 시도 중 하나인 조지 케이리 경이 그린 글라이더 그림이다.

움직이는 물체에 대한 공기의 지연 효과는 연구된 가장 초기 공기역학적 현상들 중 하나이다. 아리스토텔레스는 기원전 4세기에 공기저항에 대해 썼지만,[3] 그가 관찰한 저항력을 계량화하기에는 이해가 부족했다. 사실, 아리스토텔레스는 던져진 창 주위의 공기의 움직임이 둘 다 그 움직임에 저항하고 그것을 앞으로 추진시켰다고 역설적으로 제안했다.[6] 15세기에, 레오나드로 다빈치는 코덱스 레스터, 없고 공기의 습격하여 개체의 유일한 효과가 motion,[7]고 그 공기 저항 속도, pend의 갈릴레오의 17세기 관찰에서 지원하는 잘못된 결론을 위한 비례는 저항하기 있는 것을 증명하려 했던 아리스토텔레스의 이론을 거부했다를 출간했다.u루머 운동 [3]붕괴 드래그에 관한 그의 연구 외에도, 다빈치는 채널 흐름에 적용되는 연속성 원리와 vortic의 순환을 정확하게 묘사하는 것을 포함하여 많은 공기역학적 아이디어를 기록한 최초의 사람이었다.[3]

속도에 대한 끌림의 진정한 이차적 의존성은 17세기 후반에 파리의 과학 아카데미의 두 멤버인 에드메 마리오트와 크리스티안 후이겐스에 의해 실험적으로 입증되었다.[8] 아이작 뉴턴 경은 이후 18세기 초 공기저항의 이차적 의존성을 이론적으로 도출한 최초의 사람이 되어 그를 최초의 이론 공기역학자로 만들었다.[9] 뉴턴은 저유속에서는 항력이 신체의 치수, 유체의 밀도, 그리고 기속의 제곱에 비례한다고 진술했지만, 갈릴레오의 초기 연구 결과와 정면으로 충돌했다. 뉴턴, 마리오테, 후이겐스의 작품과 갈릴레오의 초기 작품 사이의 불일치는 20세기 점성 흐름 이론이 진전될 때까지 해결되지 않았다.

뉴턴은 또한 유체 흐름의 방향으로 기울어진 평평한 판의 드래그 힘에 대한 법칙을 개발했다. 드래그력에 대해서는 F, 밀도에 대해서는 ρ, 평판 면적에 대해서는 S, 유속에는 V, 공격 각도에 대해서는 θ을 사용하여 그의 법칙을 다음과 같이 표현하였다.

이 방정식은 대부분의 경우 질질 끄는 것을 과대평가하며, 19세기에 인간 비행의 불가능성을 주장하기 위해 자주 사용되었다.[3] 낮은 경사각에서 끌기는 2차 각도가 아닌 각도의 죄에 따라 선형적으로 달라진다. 그러나 뉴턴의 평판 드래그 법칙은 초음속 흐름이나 큰 경사각에서 매우 가느다란 판에 대해 합리적인 드래그 예측을 산출하여 흐름 분리를 유도한다.[10][11]

공기저항 실험은 18세기와 19세기에 걸쳐 조사자들에 의해 수행되었다. 드래그 이론은 장 르 론드 달른베르트,[12] 구스타프 키르흐호프,[13] 레일리 경에 의해 개발되었다.[14] 마찰이 있는 유체 흐름 방정식은 클로드 루이스 나비에와[15] 조지 가브리엘 스톡스에 의해 개발되었다.[16] 유체 흐름을 시뮬레이션하기 위해, 많은 실험들은 물체를 물줄기에 담그거나 그것들을 높은 빌딩 꼭대기에서 떨어뜨리는 것을 포함한다. 이 시기가 끝날 무렵 구스타브 에펠은 에펠탑을 이용해 평판의 낙하 시험을 도왔다.

저항을 측정하는 보다 정확한 방법은 속도가 알려진 인공적이고 균일한 공기의 흐름 안에 물체를 배치하는 것이다. 이런 방식으로 처음 실험한 사람은 프란시스 허버트 웬햄이었는데, 그는 그렇게 해서 1871년에 최초의 풍동터널을 건설했다. 원햄은 또한 영국 왕립항공학회라는 항공학을 전담하는 최초의 전문 기관의 일원이었다. 풍동 모델에 배치되는 물체는 실제보다 거의 항상 작기 때문에 소형 모델을 실제 모델과 연계시키는 방법이 필요했다. 이것은 오스본 레이놀즈가 무차원 레이놀즈 번호를 발명함으로써 달성되었다.[17] 레이놀즈는 또한 1883년에 층류에서 난류로 이행하는 실험을 했다.

버지니아 항공 우주 센터에 라이트 형제의 풍동 복제품이 전시되어 있다. 풍동 터널은 공기역학 법칙의 개발과 검증의 핵심이었다.

항공의 발달

적어도 모형 헬리콥터를 만들 [18]때인 1796년부터 1857년 사망할 때까지 일하면서 조지 케이리 경은 비행의 네 가지 공기역학적 힘(중량, 상승, 드래그, 추력)과 그들 사이의 관계를 최초로 파악한 사람으로 인정받고 있다.[19][20] 케일리는 또한 다빈치의 노트에는 공중보다 무거운 고정익 비행기의 도면과 설명이 포함되어 있지만, 다빈치의 노트는 그의 죽음 이후 흐트러지고 흩어졌으며, 그의 공기역학 업적은 테크놀로지가 끝난 후에야 재발견되었다.Ogy는 다빈치의 진보를 훨씬 뛰어넘어 진보했다.[21]

19세기 후반에 이르러, 공중보다 무거운 비행이 실현되기 전에 두 가지 문제가 확인되었다. 첫 번째는 저드랙, 고 리프트 공기역학적 날개의 창조였다. 두 번째 문제는 지속적 비행에 필요한 동력을 어떻게 결정하느냐 하는 것이었다. 이 기간 동안, 현대 유체 역학 및 공기역학을 위한 기초가 마련되었고, 과학적으로 덜 표현된 다른 애호가들은 거의 성공하지 못한 채 다양한 비행 기계를 시험했다.

1884년 물리학 교육을 받은 미국인 존 J. 몽고메리는 글라이더 디자인을 실험하기 시작했다. 순환수와 연기실이 있는 물 테이블을 사용하여 그는 유체 역학의 물리학을 적용하여 에어포일과 같은 곡면 위의 흐름의 움직임을 설명하기 시작했다.[22] 1889년 프랑스의 항공 기술자인 찰스 레너드는 지속적인 비행에 필요한 힘을 합리적으로 예측한 최초의 사람이 되었다.[23] 레너드와 독일 물리학자 헤르만 폰 헬름홀츠는 새의 날개 하중(무게 대 날개 면적 비율)을 탐구했고, 결국 인간은 팔에 날개를 달아 자신의 힘으로는 날 수 없다는 결론을 내렸다. 오토 릴리엔탈은 조지 케일리 경의 작품을 따라 글라이더 비행으로 크게 성공한 첫 번째 사람이었다. 릴리엔탈은 얇고 구부러진 에어포일이 높은 리프트와 낮은 드래그를 만들어 낼 것이라고 믿었다.

옥타브 차누트의 1893년 저서 '날아다니는 기계들의 진보'는 전 세계에서 행해진 알려진 모든 연구를 그 시점까지 요약했다.[24] Chanute의 책은 공기역학과 비행 기계에 관심이 있는 사람들에게 훌륭한 서비스를 제공했다.

차누테의 책에 수록된 정보, 차누테 자신의 개인적인 도움, 그리고 그들 자신의 풍동에서 수행된 연구로, 라이트 형제는 1903년 12월 17일 최초의 동력 항공기를 날릴 수 있는 공기역학 지식을 충분히 얻었다. 라이트 형제의 비행은 많은 공기역학 이론을 확인하거나 반증했다. 뉴턴의 드래그포스 이론은 마침내 부정확한 것으로 판명되었다. 이 처음으로 널리 알려진 비행은 비행사와 과학자들 사이의 보다 조직적인 노력으로 이어져 현대 공기역학으로 가는 길을 이끌었다.

첫 비행이 진행되는 동안 존 J. 몽고메리,[25] 프레데릭 W. 란체스터,[26] 마틴 쿠타, 니콜라이 주코프스키 등은 독립적으로 유체 흐름의 순환을 들어올리도록 연결시키는 이론을 만들어냈다. 쿠타와 주콥스키는 계속해서 2차원 날개 이론을 발전시켰다. Ludwig Prandtl은 Lanchester의 연구를 확장하여, 경계층과의 작업뿐만 아니라 박공기와 리프팅 라인 이론의 배후에서 수학을[27] 발전시킨 공로를 인정받고 있다. 괴팅겐 대학의 프란틀 교수는 테오도르 폰 카르만, 막스 멍크 등 공기역학 발전에 중요한 역할을 할 많은 학생들을 지도했다.

속도 향상과 관련된 설계 문제

압축성은 공기역학에서 중요한 요소다. 저속에서는 항공기의 설계와 관련하여 공기의 압축성이 유의하지 않지만, 기류가 근사하고 음속을 초과함에 따라 항공기 설계에서 새로운 공기역학적 효과의 숙주가 중요해진다. 이러한 영향들, 종종 한 번에 여러 대의 항공기가 800 km/h(500mph)를 훨씬 넘는 속도에 도달하는 것을 매우 어렵게 만들었다.

사소한 영향들 중 일부는 통제에 문제를 야기하는 기류의 변화를 포함한다. 예를 들어 두꺼운 하이 리프트 날개가 달린 P-38 번개는 고속 다이빙에서 특히 문제가 있어 코밑으로 이어졌다. 조종사들은 잠수함에 들어갔다가 비행기가 추락할 때까지 계속 전복된 비행기를 더 이상 조종할 수 없다는 것을 발견했다. 이 문제는 날개 아래에 "다이브 플랩"을 추가하여 날개 리프트를 잃지 않도록 압력 분배의 중심을 변경함으로써 해결되었다.[28]

비슷한 문제가 슈퍼마린 스피트파이어의 일부 모델에도 영향을 미쳤다. 고속에서는 스피트파이어의 얇은 날개가 감당할 수 있는 것보다 더 많은 토크를 가할 수 있었고, 날개 전체가 반대 방향으로 꼬일 수 있었다. 이는 비행기가 조종사가 의도한 방향과 반대 방향으로 굴러다닌다는 뜻이었고, 수많은 사고로 이어졌다. 초기 모델들은 이것이 문제가 될 만큼 충분히 빠르지 않았고, 그래서 그것은 Mk와 같은 나중에야 알아차렸다.IX가 나타나기 시작했다. 이것은 날개에 상당한 비틀림 강성을 더함으로써 완화되었고, MK.X 때 완전히 치료되었다.IV가 도입되었다.

메서슈미트 Bf 109와 미쓰비시 제로는 대조군이 실효성이 없게 된 정반대의 문제가 있었다. 더 빠른 속도에서 조종사는 조종 표면 위로 너무 많은 기류가 흐르기 때문에 조종장치를 움직일 수 없었다. 그 비행기들은 조종하기가 어려워질 것이고, 이 문제가 없는 고속 항공기는 그들을 앞지를 수 있을 것이다.

이러한 문제들은 제트 항공기가 트랜소닉과 초음속 속도에 도달하면서 결국 해결되었다. 2차 세계대전의 독일 과학자들은 날개를 쓸고 실험을 했다. 이들의 연구는 MiG-15와 F-86 사브르에 적용됐으며 B-47 스트라토젯 같은 폭격기는 충격파의 시작을 늦추고 항력을 줄이는 쓸린 날개를 사용했다.

음속 가까이 또는 그 이상으로 제어력을 유지하기 위해서는 동력 작동식 모든 비행 테일플레인(안정장치) 또는 동력 작동식 고도가 장착된 델타 날개를 사용해야 하는 경우가 많다. 동력 작동은 조종사의 제어 입력보다 공기역학적 힘이 우선하는 것을 방지한다.

마지막으로 이 범주에 맞는 또 다른 공통적인 문제가 들썩인다. 어떤 속도에서는 조정기 표면 위의 공기 흐름이 난기류가 되어 조정기가 펄럭이기 시작한다. 펄럭이는 속도가 조정기의 움직임의 조화치에 가까우면 공명은 조정기를 완전히 끊어버릴 수도 있다. 이것은 Zero와 VL Myrsky에서 심각한 문제였다. 고속에서의 제어 불량 문제가 처음 발생했을 때, 보다 강력한 힘으로 제어 표면의 새로운 스타일을 설계함으로써 해결되었다. 그러나, 이것은 새로운 공명 모드를 도입했고, 이것이 발견되기 전에 많은 비행기들이 분실되었다. VL Myrsky 설계에서는 이 문제가 날개의 강성과 중량을 증가시킴으로써 대응되었고, 따라서 조화 진동의 감쇠가 증가하여 성능이 어느 정도 저하되었다.

이러한 모든 효과는 흔히 '압박성'이라는 용어와 함께 언급되지만, 어떤 면에서는 잘못 사용되고 있다. 엄격히 공기역학적으로 볼 때, 이 용어는 음속에 접근함에 따라 압축할 수 없는 액체(효과적으로 물과 유사함)에서 압축할 수 있는 유체(기체 역할을 함)로 기류가 변화함에 따라 발생하는 부작용만을 가리켜야 한다. 특히 파동 끌기와 임계 마하 두 가지 효과가 있다.

웨이브 드래그(Wave drag)는 항공기의 항력이 갑자기 상승하는 것으로, 그 앞에 공기가 쌓이면서 발생한다. 저속에서는 이 공기가 항공기와 접촉하는 앞 공기의 안내를 받아 '탈출'할 시간이 있다. 그러나 음속에서는 더 이상 이런 일이 일어날 수 없으며, 이전에 항공기 주변의 능률화를 따라오던 공기는 이제 그것을 직접 타격한다. 이러한 효과를 극복하기 위해 필요한 힘의 양이 상당하다. 임계 마하(critical mach)는 항공기 날개 위를 지나가는 공기의 일부가 초음속으로 변하는 속도다.

음속에서는 버누이의 원리에 지배당하는 것에서 충격파에 의해 생성되는 힘에 이르기까지 양력이 생성되는 방식이 극적으로 변화한다. 날개 윗부분의 공기는 바닥보다 더 빨리 이동하기 때문에 베르누이 효과로 인해 날개 윗부분의 공기는 음속에 가까운 속도로 초음속으로 가속될 것이다. 이렇게 되면 리프트의 분포가 극적으로 변화하여 일반적으로 강력한 코-다운 트림을 유발한다. 항공기는 보통 다이빙에서만 이러한 속도에 접근하기 때문에 조종사들은 항공기가 지상으로 건너가려고 하는 것을 보고할 것이다.

분열은 되돌릴 수 있는 과정에서 많은 에너지를 흡수한다. 이것은 항공 우주선 근처에서 감속된 극초음속 가스의 열역학적 온도를 크게 감소시킨다. 이 압력 의존적 분리가 불완전한 전환 지역에서는 차압, 일정 압력 열 용량과 베타(부피/압력 차등 비율)가 모두 크게 증가한다. 후자는 안정성을 포함한 차량 공기역학에 뚜렷한 영향을 미친다.

소리보다 빠른 속도 – 20세기 후반

항공기가 더 빨리 이동하기 시작하자 공기역학자들은 공기의 밀도가 물체와 접촉하면서 변화하기 시작했으며, 이를 통해 유체 흐름이 압축 불가능한 시스템으로 분할된다는 것을 깨달았다. 압축 공기역학에서는 밀도와 압력이 모두 변화하여 음속을 계산하는 기초가 된다. 뉴턴은 소리의 속도를 계산하는 수학적 모델을 가장 먼저 개발했지만, 피에르 시몬 라플레이스가 가스의 분자 행동을 설명하고 열용량 비율을 소개하기 전까지는 정확하지 않았다. 음속의 속도에 대한 흐름 속도의 비율은 밀도의 변화를 시각화하기 위해 슐리렌 사진 기법을 포함한 초음속 흐름의 특성을 최초로 조사한 에른스트 마하(Ernst Mach)의 이름을 따서 마하(Mach)로 명명되었다. 맥쿠른 랭킨과 피에르 앙리 후고니오트는 충격파 전후의 흐름 특성에 대한 이론을 독자적으로 개발했다. Jakob Ackeret는 초음속 비행선의 양력과 항력을 계산하는 초기 작업을 주도했다.[29] 테오도르 폰 카르만과 휴 라티머 드라이든은 드래그가 빠르게 증가하는 마하 1 주변의 유속을 설명하기 위해 트랜소닉이라는 용어를 도입했다. 마하 1에 근접하는 항력 증가 때문에, 공기역학자와 항전자들은 초음속 비행이 달성 가능한지에 대해 동의하지 않았다.

마하 7에서 비행 중인 NASA의 X-43A 극초음속 연구 차량에서 발생하는 충격파를 보여주는 이미지, 컴퓨터 유체 역학 알고리즘을 사용하여 생성된다.

1935년 9월 30일 로마에서는 고속 비행과 음속의 장벽을 깨뜨릴 수 있다는 주제로 단독 회의가 열렸다.[30] 테오도르 폰 카르만, 루트비히 프란틀, 야콥 애크레트, 이스트만 제이콥스, 아돌프 부세만, 제프리 잉그램 테일러, 가에타노 아르투로 크로코, 엔리코 피스토레시 등이 참가하였다. 애크레트는 초음속 풍동 설계도를 제시했다. 부세만은 고속 비행을 위해 날개가 쓸린 항공기의 필요성에 대해 발표하였다. NACA에서 일하는 이스트맨 제이콥스는 2차 세계대전 당시 고성능 미국 항공기를 탄생시킨 고성능 아음속 비행기에 최적화된 에어포일을 선보였다. 초음속 추진도 논의됐다. 이 방음벽은 12년 후 벨 X-1 항공기를 이용해 깨졌다. 이 개인들 덕분이다.

음속의 장벽이 무너질 무렵, 아음속적이고 낮은 초음속 공기역학 지식의 많은 부분이 성숙했다. 냉전은 끊임없이 진화하는 고성능 항공기에 기름을 부었다. 컴퓨터 유체 역학은 복잡한 물체 주위의 흐름 특성을 해결하기 위한 노력으로 시작되었으며, 풍동실험에 이어 컴퓨터 예측을 확인하기 위한 비행시험이 이어지는 등 컴퓨터를 이용해 항공기 전체를 설계할 수 있을 정도로 빠르게 성장했다.

일부 예외를 제외하고, 극초음속 공기역학에 대한 지식은 1960년대와 현재 10년 사이에 성숙했다. 따라서 공기역학자의 목표는 유체 흐름의 행동을 이해하는 것에서 유체 흐름과 적절하게 상호작용할 수 있도록 차량을 설계하는 방법을 이해하는 것으로 바뀌었다. 예를 들어 극초음속 흐름의 동작은 이해되지만 극초음속 비행을 위한 스크램제트 항공기를 만드는 것은 매우 제한적인 성공을 거두었다. 성공적인 스크램제트 항공기를 만드는 것과 함께, 현재의 항공기와 추진 시스템의 공기역학적 효율을 개선하려는 욕구가 공기역학 분야의 새로운 연구를 계속 추진하게 될 것이다. 그럼에도 불구하고, 난류로의 전환을 예측하는 것과 같은 기본적인 공기역학 이론과 Navier-Stokes 방정식에 대한 해결책의 존재와 고유성에는 여전히 중요한 문제가 있다.

참고 항목

메모들

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참조

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