극초음속

Hypersonic speed
마하 7의 NASA X-43A CFD 이미지

공기역학에서 극초음속(hypersonic speed)은 음속의 5배를 초과하는 속도이며, 종종 마하 5 이상[1]속도에서 시작한다고 언급됩니다.

기체가 극초음속 속도로 비행하고 있다고 말할 수 있는 정확한 마하 수치는 다양합니다. 왜냐하면 기류의 개별적인 물리적 변화(분자 분리 및 이온화 등)는 다른 속도로 발생하기 때문입니다. 이러한 영향은 전체적으로 마하 5-10 정도에서 중요해집니다.극초음속 시스템은 또한 움직이는 물체의 운동 에너지가 [2]열로 변환됨에 따라 흐름의 온도에 따라 비열 용량이 변화하는 속도로 정의할 수 있다.

흐름의 특성

극초음속 시뮬레이션 (Mach 5)

극초음속 흐름의 정의는 상당히 모호할 수 있고 일반적으로 논란의 여지가 있지만(특히 초음속 흐름과 극초음속 흐름 사이의 불연속성이 없기 때문에), 극초음속 흐름은 더 이상 초음속 [citation needed]흐름에서 분석적으로 무시할 수 없는 특정 물리적 현상에 의해 특징지어질 수 있다.극초음속 흐름의 특이성은 다음과 같습니다.[citation needed]

  1. 충격층
  2. 공기역학적 가열
  3. 엔트로피층
  4. 실제 가스 효과
  5. 저밀도 효과
  6. 마하 수치를 가진 공기역학 계수의 독립성.

충격 방지 거리가 작음

물체의 마하수가 증가할수록 물체에 의해 발생하는 활충격 뒤의 밀도도 증가하는데, 이는 질량 보존에 의한 충격 뒤의 부피 감소에 해당한다.그 결과 마하수가 [citation needed]높을수록 활충격과 차체와의 거리가 작아진다.

엔트로피층

마하 수치가 증가함에 따라 충격에 걸친 엔트로피 변화도 증가하여 강한 엔트로피 구배경계층과 혼합되는 높은 소용돌이 흐름이 발생합니다.

비스코스 상호 작용

높은 마하수에서의 흐름과 관련된 큰 운동 에너지의 일부는 점성 효과에 의해 유체 내의 내부 에너지로 변환된다.내부 에너지의 증가는 온도 상승으로 실현됩니다.경계층 내 흐름에 대해 직각인 압력구배는 저~중간 극초음속 마하수에 대해 약 0이므로 경계층을 통한 온도상승은 밀도저하에 일치한다.이로 인해 경계층의 하단이 확장되어 차체 위의 경계층이 두꺼워지고 종종 차체 앞쪽 가장자리 [citation needed]근처에서 충격파와 병합될 수 있습니다.

고온 흐름

점성 소산의 현상으로 인한 고온은 진동 들뜸, 분자의 해리이온화와 같은 불균형의 화학적 흐름 특성을 유발하여 대류복사 열융착[citation needed]일으킨다.

마하 체계의 분류

"아음속"과 "수퍼소닉"은 각각 로컬 음속보다 낮은 속도와 그 이상의 속도를 의미하지만, 공기역학자들은 종종 마하 값의 특정 범위를 언급하기 위해 이러한 용어를 사용합니다.이는 M=1 주위에 Navier의 근사치가 존재하는 "전음계"가 존재하기 때문에 발생합니다.프리스트림[clarification needed] 마하 수치가 이 [clarification needed]값보다 낮더라도 부분적으로 흐름이 M=1을 초과하기 때문에 아음속 설계에 사용된 스토크스 방정식이 더 이상 적용되지 않습니다.

"상위권"은 일반적으로 선형화 이론을 사용할 수 있는 마하 수치 집합을 말한다. 예를 들어, (공기) 흐름이 화학적으로 반응하지 않고 공기와 차량 간의 전달이 계산에서 상당히 무시될 수 있는 경우이다.일반적으로 NASA는 "높은" 극초음속도를 10에서 25 사이의 마하 수치로 정의하고 재진입 속도를 마하 25보다 큰 수치로 정의합니다.이 체제들에서 작동하는 우주선들 중에는 소유스드래곤 우주 캡슐, 이전에 운영되었던 우주 왕복선, SpaceX Starship과 Rocket Lab Electron과 같은 개발 중인 다양한 재사용 가능한 우주선들, 그리고 (이론적인)[citation needed] 우주 비행기들이 있다.

다음 표에서는 "아음속" 및 "슈퍼 퍼소닉"[citation needed]의 일반적인 의미 대신 "정규" 또는 "마하 값의 범위"를 참조합니다.

정권 속도 일반적인 비행기 특성
마하 No 시속 km/h m/s
아음속 0.8 미만 614 미만 988 미만 < 274 대부분의 경우 프로펠러식 상용 터보팬 항공기로 높은 종횡비(슬렌더) 날개와 노즈 및 앞쪽 가장자리와 같은 둥근 특징을 가지고 있습니다.
트랜스오닉 0.8–1.2 614–921 988–1482 274–412 트랜스오닉 항공기는 거의 항상 항력-분산을 지연시키는 스윕 날개, 파동 항력의 시작을 지연시키는 초임계 날개, 그리고 종종 Whitcomb 영역 [citation needed]규칙의 원칙을 준수하는 설계를 특징으로 한다.
초음속 1.2–5 921–3836 1482–6174 412–1715 초음속으로 비행하도록 설계된 항공기는 마하 1을 초과하는 유체 흐름의 거동이 근본적으로 다르기 때문에 공기역학 설계에 큰 차이를 보인다.날카로운 모서리, 얇은 날개 부분, 그리고 모두 움직이는 테일플레인/캐너드가 일반적입니다.현대 전투기는 저속 [citation needed]조종을 유지하기 위해 타협해야 한다.진정한 초음속 설계에는 F-104 스타파이터와 BAC/Aérospatiale Concorde가 포함됩니다.
극초음속 5–10 3836–7673 6174–12350 1715–3430 냉각된 니켈 또는 티타늄 표면. 간섭 효과가 지배적이기 때문에 독립적으로 설계된 별도의 구성 요소에서 조립되는 대신 설계가 고도로 통합되어 있습니다. 한 구성 요소에서 작은 변화가 다른 모든 구성 요소 주변의 공기 흐름을 크게 변화시켜 결과적으로 해당 구성 요소의 거동에 영향을 미칩니다.그 결과 다른 모든 구성 요소가 항공기 주변의 모든 공기 흐름에 어떤 영향을 미치는지 알지 못하면 어떤 구성 요소도 설계할 수 없으며, 한 구성 요소를 변경할 경우 다른 모든 구성 요소(작은[citation needed] 날개)를 동시에 재설계해야 할 수 있습니다.Boeing X-51 Waverider, BrahMos-II, X-41 Common Aero Vehicle, DF-ZF, 극초음속 기술 시연기, 극초음속 공기호흡 무기 개념(HAWC, Hawk로 발음됨), Shaurya 미사일을 참조하십시오.
하이하이퍼소닉 10–25 7673–19180 12350–30870 3430–8507 열 제어는 설계상의 주요 고려사항이 됩니다.구조물은 고온으로 작동하도록 설계되거나 특수 규산염 타일 등으로 보호되어야 합니다.화학적으로 반응하는 흐름은 차량의 피부 부식을 유발할 수도 있으며, 자유 원자 산소가 매우 빠른 흐름을 특징으로 합니다.예를 들어 53T6(Mach 17), 극초음속 기술 차량 2(Mach 20), LGM-30 Minuteman(Mach 23), Agni-V(Mach 24), DF-41(Mach 25), Avangard(Mach 20-27) 등이 있습니다.극초음속 설계는 곡률 반경이 감소하면서 상승하는 공기역학적 가열 때문에 종종 무딘 구성으로 강제됩니다.
재진입 속도 25 이상 19030 이상 30870 이상 8575 이상 애블러블 또는 열흡수 히트 실드, 날개 작거나 없음, 뭉툭한 모양.재진입 캡슐을 참조하십시오.

유사성 파라미터

공기 흐름의 분류는 다수의 유사성 매개변수에 의존하며, 이를 통해 거의 무한한 수의 테스트 사례를 유사성 그룹으로 단순화할 수 있다.트랜조닉 및 압축 가능한 흐름의 경우, 마하 및 레이놀즈 수치만으로도 많은 흐름 [citation needed]사례를 분류할 수 있습니다.

단, 극초음속 흐름에는 다른 유사성 파라미터가 필요합니다.우선 경사충격각의 해석식은 높은 마하수(~>10)에서 마하수에 거의 의존하지 않게 된다.둘째, 공기역학적 물체 주위에 강한 충격이 형성된다는 것은 자유류 레이놀즈 수치가 물체에 대한 경계층의 거동에 대한 추정치로서 덜 유용하다는 것을 의미한다.마지막으로, 극초음속 흐름의 온도가 증가한다는 것은 실제 가스 효과가 중요해진다는 것을 의미합니다.이러한 이유로, 극초음속 연구는 종종 [3]공기역학이라기 보다는 공기역학이라 불린다.

실제 가스 효과의 도입은 가스의 전체 상태를 설명하는 데 더 많은 변수가 필요하다는 것을 의미합니다.정지 가스는 3개의 변수(압력, 온도, 단열 지수)로, 이동 가스는 4개의 변수(유속)로 설명할 수 있는 반면, 화학적 평형 상태의 뜨거운 가스는 가스의 화학 성분에 대한 상태 방정식을 필요로 하며, 비평형 상태의 가스는 시간을 추가 변수로 사용하여 이러한 상태 방정식을 해결합니다.즉, 평형이 아닌 흐름의 경우 10에서 100 사이의 변수가 필요할 수 있습니다.또한 희박한 극초음속 흐름(보통 Knudsen 번호가 0.1 이상인 흐름으로 정의됨)은 Navier를 따르지 않습니다.-방정식[citation needed]스토크합니다.

극초음속 흐름은 일반적으로 총 에너지로 분류되며 총 엔탈피(MJ/kg), 총 압력(kPa-MPa), 정체 압력(kPa-MPa), 정체 온도(K), 또는 흐름 속도(km/s)[citation needed]로 표현됩니다.

월러스 D. Hayes는 유사한 구성을 [citation needed]비교할 수 있는 Whitcomb 영역 규칙과 유사한 유사성 매개변수를 개발했다.

정권

극초음속 흐름은 대략 여러 가지 방식으로 나눌 수 있습니다.특정 효과를 [citation needed]찾을 수 있는 경계가 모호하기 때문에 이러한 제도를 선택하는 것은 어렵습니다.

퍼펙트

이 상태에서는 이상 기체로 간주할 수 있다.이 시스템의 흐름은 여전히 마하 수에 의존합니다.시뮬레이션은 저속에서 일반적으로 사용되는 단열벽이 아닌 항온벽의 사용에 의존하기 시작한다.이 영역의 아래쪽 경계는 램젯이 비효율적으로 되는 마하 5 정도이고 위쪽 경계는 마하 10-12 [citation needed]정도 됩니다.

2온도 이상 기체

이는 가스가 화학적으로 완벽한 것으로 간주될 수 있는 완벽한 기체 상태의 부분 집합이지만, 가스의 회전 온도와 진동 온도를 별도로 고려해야 하므로 두 가지 온도 모델이 생성됩니다.특히 진동 동결이 중요해지는 [citation needed]초음속 노즐의 모델링을 참조하십시오.

해리 가스

이 상태에서, 이원자 또는 다원자 가스(대부분의 대기에서 발견되는 가스)는 신체에 의해 발생하는 활 충격과 접촉하면서 분리되기 시작한다.표면 촉매 작용은 표면 가열의 계산에 중요한 역할을 합니다. 즉, 표면 물질의 유형도 흐름에 영향을 미칩니다.이 시스템의 하단 경계는 가스 혼합물의 성분이 흐름의 정체 지점에서 처음 분리되기 시작하는 지점입니다(질소의 경우 약 2000K).이 계통의 위쪽 경계에서는 이온화의 효과가 [citation needed]흐름에 영향을 미치기 시작한다.

이온화 가스

이 상태에서는 정체된 흐름의 이온화 전자 집단이 상당해지고, 전자는 별도로 모델링되어야 한다.종종 전자 온도는 나머지 가스 성분의 온도와 별도로 취급됩니다.이 영역은 약 3~4km/s의 자유류 속도에서 발생한다.이 영역의 가스는 비방사성 플라스마[citation needed]모델링됩니다.

방사선 지배 체제

약 12km/s 이상에서는 차량으로의 열 전달이 전도성 지배에서 복사 지배로 변화한다.이 시스템의 가스 모델링은 두 가지 [citation needed]클래스로 나뉩니다.

  1. 광학적으로 얇음: 가스가 가스의 다른 부분에서 방출되는 방사선을 재흡수하지 않는 경우
  2. 광학적으로 두껍다: 방사선이 별도의 에너지원으로 간주되어야 한다.

광학적으로 두꺼운 기체의 모델링은 매우 어렵다. 왜냐하면 각 지점에서 방사선을 계산하기 때문에 고려된 점의 수가 증가함에 따라 계산 부하가 이론적으로 기하급수적으로 증가하기 때문이다.

「 」를 참조해 주세요.

엔진
미사일
기타 흐름 방식

레퍼런스

  1. ^ Galison, P.; Roland, A., eds. (2000). Atmospheric Flight in the Twentieth Century. Springer. p. 90. ISBN 978-94-011-4379-0.
  2. ^ "Specific Heat Capacity, Calorically Imperfect Gas". Glenn Research Center. NASA. Retrieved December 27, 2019.
  3. ^ Anderson, John (2006). Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics (Second ed.). AIAA Education Series. ISBN 1-56347-780-7.


외부 링크