초음속 항공기

Supersonic aircraft
"패스트 제트"는 여기서 리다이렉트됩니다.저가 항공사는 패스트젯을 참고하세요.
2019년 NASA가 슐리렌법을 이용해 처음으로 촬영한 초음속 항공기 2대의 충격파 상호작용.

초음속 항공기는 초음속 비행이 가능한 항공기로 음속(마하 1번)보다 빠르게 비행할 수 있다.초음속 항공기는 20세기 후반에 개발되었다.초음속 항공기는 연구와 군사 목적으로 사용되었지만, 오직 두 대의 초음속 항공기인 투폴레프 Tu-144와 콩코드 기만이 민간 여객기로서 서비스를 시작한 적이 있다.전투기는 초음속 항공기의 가장 흔한 예이다.

초음속 비행의 공기역학은 충격파와 관련된 압축이나 소리보다 빠르게 이동하는 물체에 의해 만들어진 "음속 붐" 때문에 압축성 흐름이라고 불립니다.

마하 5 이상의 속도로 비행하는 항공기는 종종 극초음속 항공기로 불린다.

역사

주요 기사:방음벽
벨 X-1

수평 비행으로 초음속을 비행한 최초의 항공기는 액체 산소와 에틸 알코올로 구동되는 6,000파운드 (2,700 kg)의 추력 로켓으로 구동되는 아메리칸 벨 X-1 실험기였다.초음속 항공기의 대부분은 군사용 또는 실험용 항공기였다.

제2차 세계 대전 중의 항공 연구는 최초의 로켓과 제트 동력 항공기의 탄생으로 이어졌다.전쟁 중에 음속의 장벽을 깼다는 주장들이 그 후에 나왔다.하지만, 제어된 수평 비행에서 유인 항공기가 음속을 초과하는 것으로 알려진 첫 비행은 1947년 10월 14일 찰스 "척" 예거가 조종한 실험용 벨 X-1 로켓 비행기에 의해 수행되었다.음속의 장벽을 무너뜨린 최초의 생산기는 F-86 카나데어 세이버로,[1] 최초의 '수퍼소닉' 여성 조종사인 재클린 코크란이 조종석에 있었다.데이비드 [2]마스터스에 따르면, 소련에 의해 독일에서 포착된 DFS 346 시제품은 B-29에서 1만 미터(32800 피트)로 발사된 후 1951년 말 683mph(1100 km/h)에 도달했으며, 이는 그 높이에서 마하 1을 초과했을 것이라고 한다.이 비행의 조종사는 독일의 볼프강 지제였다.

1961년 8월 21일, 더글러스 DC-8-43(등록 N9604Z)은 에드워즈 공군기지에서 시험 비행 중 통제된 다이빙에서 마하 1을 초과했다.승무원은 William Magruder (조종사), Paul Patten (부조종사), Joseph Tomich (비행 엔지니어), Richard H. Edwards (비행 테스트 엔지니어)[3]였다.콩코드나 Tu-144를 [3]제외한 민간 여객기의 초음속 비행은 이번이 처음이다.

1960년대와 1970년대에 초음속 여객기에 대한 많은 설계 연구가 이루어졌고 마침내 두 가지 유형인 소련 투폴레프 Tu-144와 영불 콩코드(1969)가 취항하기 시작했다.그러나 정치적, 환경적, 경제적 장애와 한 번의 치명적인 콩코드 추락으로 그들은 그들의 상업적 잠재력에 완전히 익숙해지는 것을 막았다.

설계 원리

초음속 비행의 공기역학은 아음속 비행의 공기역학과는 확연히 다르기 때문에 초음속 비행은 상당한 기술적 어려움을 수반한다.특히 항공기가 천음속 상태를 통과할 때 공기역학적 항력이 급격히 증가하므로 훨씬 더 큰 엔진 출력과 보다 효율적인 공기 프레임이 필요합니다.

날개.

록히드 SR-71 블랙버드 초음속 정찰기

항력을 낮게 유지하려면 날개 폭을 제한해야 하며, 이는 또한 느리게 비행할 때 공기역학적 효율을 감소시킵니다.초음속 항공기는 비교적 느린 속도로 이착륙해야 하기 때문에 공기역학적 설계는 속도 범위의 양 끝에 대한 요건 간의 절충이어야 한다.

이 타협을 해결하기 위한 한 가지 접근법은 보통 "스윙윙윙"으로 알려진 가변기하 날개를 사용하는 것인데, 이것은 저속 비행에서는 넓게 퍼지고 초음속 비행에서는 대개 뒤로 급격히 쓸린다.그러나 스윙은 항공기의 세로 방향 트림에 영향을 미치며 스윙 메커니즘은 무게와 비용을 더한다.Aerospatiale-BAC Concorde에 사용된 것과 같은 델타 날개를 사용하면 날개 윗면의 흐름을 고속 및 공격 각도로 활성화하여 흐름 분리를 지연시키고 항공기에 매우 높은 정지 각도를 제공하는 소용돌이가 발생한다.또한 천음속 및 초음속에서의 유체 압축성 문제도 해결합니다.단, 물론 높은 공격 각도의 요구로 인해 저속에서는 비효율적이기 때문에 플랩을 사용해야 합니다.

난방

주요 기사:공기역학적 가열

또 다른 문제는 공기가 항공기 위를 흐를 때 마찰에 의해 발생하는 열이다.대부분의 아음속 설계에서는 두랄루민과 같은 알루미늄 합금을 사용합니다. 두랄루민은 저렴하고 작업하기 쉽지만 고온에서 강도가 빠르게 떨어집니다.이는 최대 속도를 약 마하 2.2로 제한한다.

많은 군용 전투기를 포함한 대부분의 초음속 항공기는 비행의 대부분을 아음속으로 보내고 적기를 요격할 때처럼 짧은 시간 동안만 음속을 초과하도록 설계되어 있다.록히드 SR-71 블랙버드 정찰기와 콩코드 초음속 여객기와 같은 소수의 항공기는 음속 이상의 속도로 계속 순항하도록 설계되었으며, 이러한 설계로 인해 초음속 비행의 문제가 더 심각하다.

엔진

첫 번째 초음속 항공기를 포함한 일부 초기 초음속 항공기는 비록 로켓이 많은 연료를 태워서 비행 시간이 짧았지만 필요한 추진력을 제공하기 위해 로켓 동력에 의존했다.초기 터보젯은 연료 효율이 높았지만 추력이 부족했고 일부 실험 항공기에는 저속 비행을 위한 터보젯과 초음속 비행을 위한 로켓 엔진이 모두 장착되었다.제트 배기가스에서 여분의 연료가 연소되는 애프터 버너의 발명은 이러한 혼합 발전소의 유형을 더 이상 사용하지 않게 만들었습니다.터보팬 엔진은 엔진 코어 주위로 추가적인 냉기를 통과시켜 연비를 더욱 높여주며, 오늘날의 초음속 항공기는 애프터버너가 장착된 터보팬에 의해 구동됩니다.

초음속 항공기는 일반적으로 저우회 터보팬이 음속뿐만 아니라 위에서도 허용 가능한 효율성을 가지기 때문에 사용한다. 또는 슈퍼크루즈가 필요한 경우에는 초음속에서의 나셀 항력을 감소시키기 때문에 터보제트 엔진이 바람직할 수 있다.록히드 SR-71 블랙버드의 프랫 & 휘트니 J58 엔진은 두 가지 방식으로 작동했는데, 우회로가 없는 터보젯으로 이착륙했지만 압축 공기를 애프터버너로 우회시켜 고속으로 작동했다.이를 통해 블랙버드는 마하 3 이상의 속도로 비행할 수 있었으며, 이는 다른 어떤 생산 항공기보다 빠른 속도였다.이러한 속도에서의 공기 마찰의 가열 효과는 열로 인해 분해되지 않고 버너로 가는 도중에 연료 파이프가 막히지 않는 특수 연료를 개발해야 한다는 것을 의미했습니다.

또 다른 고속 발전소는 램젯이다.이게 작동하기 전에 꽤 빨리 날아야 합니다.

초음속 비행

초음속 공기역학은 아음속 공기역학보다 간단하다. 왜냐하면 비행기의 서로 다른 지점에 있는 공기 시트는 종종 서로 영향을 줄 수 없기 때문이다.초음속 제트기와 로켓 차량은 천음파 영역 내에서 발생하는 추가적인 공기역학적 항력을 통과하기 위해 몇 배의 추력을 필요로 한다(약 마하 0.85–1.2).이러한 속도에서 항공우주 엔지니어는 새로운 충격파를 발생시키지 않고 항공기 동체 주위의 공기를 부드럽게 유도할 수 있지만, 차량 하부에 교차 영역이 변경되면 차체를 따라 충격파가 발생합니다.설계자들은 갑작스러운 크기 변화를 최소화하기 위해 초음속 영역 규칙과 휘트콤 영역 규칙을 사용합니다.

음원은 음속 장벽을 뚫고 음속의 1.4배인 c(마하 1.4)로 이동하고 있습니다.소스는 음파보다 빠르게 이동하기 때문에 실제로 전진하는 파면을 주도합니다.음원은 관찰자가 실제로 소리를 듣기 전에 정지해 있는 관찰자를 통과합니다.
노란색으로 표시된 쌍곡선 모양의 접지 구역이 있는 원추형 충격파

그러나 실제 적용에서 초음속 항공기는 아음속과 초음속 프로파일 모두에서 안정적으로 작동해야 하므로 공기역학 설계가 더 복잡하다.

지속적인 초음속 비행의 한 가지 문제는 비행 중 열의 발생이다.고속에서는 공기역학적 가열이 발생할 수 있으므로 항공기는 매우 높은 온도에서 작동 및 작동하도록 설계되어야 합니다.전통적으로 항공기 제조에 사용되는 재료인 두랄루민은 상대적으로 낮은 온도에서 강도가 떨어지고 변형되기 시작하며 마하 2.2~2.4 이상의 속도에서 연속적으로 사용하기에 적합하지 않다.티타늄이나 스테인리스강과 같은 재료는 훨씬 높은 온도에서 작동할 수 있습니다.예를 들어, 록히드 SR-71 블랙버드 제트기는 마하 3.1의 속도로 연속 비행할 수 있으며, 이로 인해 항공기 일부의 온도가 315°C(600°F) 이상에 이를 수 있다.

지속적인 고속 비행에 대한 또 다른 관심 분야는 엔진 작동입니다.제트 엔진은 흡입하는 공기의 온도를 높여 추력을 만들고, 항공기의 속도가 빨라지면 흡기구의 압축 과정이 엔진에 도달하기 전에 온도 상승을 일으킵니다.배기 가스의 최대 허용 온도는 엔진 후면의 터빈에 있는 재료에 의해 결정되므로, 항공기가 속도를 올리면 연료가 연소됨으로써 엔진이 생성할 수 있는 흡기 및 배기 온도 차이는 추력만큼 감소합니다.초음속에 필요한 더 높은 추진력은 배기 가스에서 여분의 연료를 태움으로써 되찾아야 했다.

흡입구 설계 또한 주요 이슈였다.유입되는 공기에 있는 많은 가용 에너지는 흡입구 내의 초음속 압축 과정에서 충격파를 사용하여 흡입구 회복이라고 알려진 상태로 복구되어야 합니다.초음속에서는 흡기구가 과도한 압력 손실 없이 공기가 느려지도록 해야 합니다.항공기가 엔진에 도달하기 전에 공기를 압축하고 아음속으로 감속하기 위해 항공기 설계 속도를 위해 정확한 유형의 충격파(사선/평면)를 사용해야 한다.충격파는 복잡성과 필요한 항공기 성능 사이의 균형에 따라 조절이 가능한 램프 또는 원뿔을 사용하여 배치된다.

초음속으로 장시간 운항할 수 있는 항공기는 유사한 설계보다 음향적으로 운항할 수 있는 잠재적 범위 우위를 갖는다.초음속까지 속도를 낼 때 항공기가 보는 대부분의 항력은 파동 항력으로 알려진 공기역학 효과 때문에 음속 바로 아래에 발생한다.이 속도를 넘어서 가속할 수 있는 항공기는 상당한 항력이 감소하며 향상된 연비로 초음속으로 비행할 수 있다.그러나 초음속으로 양력이 발생하는 방식 때문에 항공기 전체의 양력 대 드래그 비율이 떨어지며, 이는 더 낮은 범위로 이어져 이러한 이점을 상쇄하거나 뒤집는다.

초음속 항력이 낮은 비결은 전체 항공기를 길고 가늘고 완벽한 형태인 폰 카르만 오가브 또는 시어스-해크 본체에 가깝게 만드는 것이다.이로 인해 거의 모든 초음속 순항 항공기가 매우 길고 가느다란 동체와 커다란 델타 날개(cf. SR-71, Concorde 등)를 가지고 서로 매우 비슷하게 보입니다.여객기에는 적합하지 않지만, 이러한 형태는 폭격기 사용에 매우 적합합니다.

천음속 비행

주요 기사:천음속 비행
임계 마하 수치 이상의 흐름 패턴을 나타내는 에어포일의 천음속 흐름 패턴

에어플로우는 항공기의 여러 지점에서 국지적으로 속도를 높이거나 느려질 수 있습니다.마하 1 부근의 지역에서는 초음속 유량이 발생하는 지역도 있고 아음속인 지역도 있습니다.이 시스템은 트랜조닉 비행이라고 불립니다.항공기 속도가 변화함에 따라 압력파가 형성되거나 이동하게 됩니다.이는 항공기의 트림, 안정성 및 제어성에 영향을 미칠 수 있으며 설계자는 모든 속도에서 이러한 영향을 고려해야 한다.

극초음속 비행

주요 기사:극초음속 비행

마하 5 이상의 속도에서의 비행은 종종 극초음속이라고 불린다.이 지역에서는 드래그와 가열 문제가 훨씬 더 심각하다.이러한 속도에서 공기 저항에 의해 발생하는 힘과 온도를 견딜 수 있는 재료를 만드는 것은 어렵습니다.

소닉 붐

주요 기사:소닉 붐
음원은 음속의 1.4배로 이동합니다(Mach 1.4).소스는 음파보다 빠르게 이동하기 때문에 전진하는 파면을 주도한다.
M=2.92로 이동하는 항공기에 의해 생성되는 소닉 붐으로, 20도의 원뿔 각도에서 계산된다.관찰자는 원추형 가장자리에 있는 충격파가 위치를 통과할 때까지 아무 소리도 듣지 못합니다.
마하 원뿔 각도
N-wave 신호를 [4]보여주는 NASA 자료입니다.

소닉 붐은 공기를 통과하는 물체가 음속보다 빠르게 이동할 때마다 발생하는 충격파와 관련된 소리입니다.소닉붐은 폭발이나 사람의 귀에 천둥소리가 나는 것과 비슷한 상당한 양의 소리 에너지를 발생시킨다.초음속 총알이 상공을 지나가는 소리나 투우선의 균열은 [5]미니어처 소닉 붐의 한 예이다.

대형 초음속 항공기로 인한 소닉 붐은 특히 크고 놀랄 수 있으며, 사람들을 깨우는 경향이 있으며, 일부 구조물에 작은 손상을 입힐 수 있다.그들은 지상에서의 일상적인 초음속 비행의 금지로 이어졌다.비록 그것들이 완전히 예방될 수는 없지만, 연구에 따르면, 그것들로 인한 폐해는 육로 초음속 비행이 실용적인 선택이 될 정도로 줄어들 수 있다.

슈퍼크루즈

주요 기사: 슈퍼크루즈

슈퍼크루즈는 유용한 화물, 승객 또는 무기 장전을 효율적으로 수행하는 초음속 항공기의 지속적 초음속 비행으로, 일반적으로 매우 비효율적인 애프터버너 또는 "리히트" 사용을 금지합니다.슈퍼크루즈가 불가능한 것으로 잘 알려진 많은 초음속 군용기는 일반적으로 애프터버너를 사용하는 짧은 폭발로 마하 1 이상의 비행을 유지할 수 있다.SR-71 블랙버드와 같은 항공기는 애프터버너가 활성화된 상태에서 초음속으로 순항하도록 설계되었다.

슈퍼크루즈가 가능한 항공기의 가장 잘 알려진 예 중 하나는 콩코드였다.민간 여객기로서의 오랜 근무로 인해 콩코드는 다른 모든 항공기를 [6]합친 것보다 더 많은 초순항 시간 기록을 보유하고 있다.

초음속 수송기

콩코드의 동체는 매우 높은 정밀도를 가지고 있었다.
주요 기사:초음속 수송기

초음속 수송기(SST)는 음속보다 빠른 속도로 승객을 수송하도록 설계된 민간 항공기이다.초음속 민간 항공기는 1968년에 처음으로 비행하여 1978년에 승객들을 수송한 소련제 Tu-144기였고, NASA는 1997년에 이 항공기를 사용 중지시켰다. 그리고 프랑스와 영국은 1969년에 처음 비행하여 2003년까지 운행된 콩코드를 생산했다.2003년 이후, 초음속 민간 항공기는 운행되지 않았다.

이러한 설계의 주요 특징은 초음속 순항 속도를 장기간 유지할 수 있다는 것입니다. 따라서 연료 소비를 실용적이고 경제적인 수준으로 제한하기 위해서는 낮은 항력이 필수적입니다.그 결과, 이러한 기체는 매우 효율적이며 날개의 경간은 매우 짧습니다.이착륙 시 저속 요건은 소용돌이 리프트를 사용하여 충족된다. 항공기가 감속할 때 날개 공격 각도를 높이기 위해 코를 들어 올려서 리프트를 복원해야 한다.날카롭게 스윕된 앞 가장자리는 공기가 날개 위를 흐를 때 뒤틀리게 하여 국지적으로 공기 흐름을 빠르게 하고 양력을 유지합니다.

기타 SST 프로젝트에는 다음이 포함됩니다.

초음속 비즈니스 제트기

에어리온 SBJ 모델
주요 기사:초음속 비즈니스 제트기

초음속 비즈니스 제트기(SSBJ)는 소형 초음속 항공기의 제안된 등급이다.아직 아무도 날지 않았다.

일반적으로 약 10명의 승객을 수송하기 위한 SSBJ는 전통적인 아음속 비즈니스 제트기와 거의 같은 크기입니다.

대형 및 비즈니스 제트(하위 참조) 초음속 및 극초음속 여객기(Aerion SBJ, Spike S-512, HyperMach SonicStar, 차세대 초음속 운송, Tu-444, 걸프스트림 X-54, LAPCAT, 반응 엔진 LAP2 LAP2), 프로젝트로프먼트.

초음속 전략 폭격기

컨베어 B-58A 허슬러
XB-70 발키리
투폴레프 Tu-22M3
B-1B 랜서
투폴레프 Tu-160

전략 폭격기는 장거리 폭탄을 많이 실어야 한다.결과적으로, 이것은 일반적으로 25,000 kg을 초과하는 빈 중량을 가진 대형 항공기이다.일부는 또한 전략 정찰과 항모 공격과 같은 관련 역할을 위해 고안되었다.

일반적으로 항공기는 연료를 절약하기 위해 비행의 대부분을 초음속으로 비행한 후 폭격 [7]비행을 위해 초음속으로 가속한다.

초음속 전략 폭격기는 거의 운용되지 않았다.최초의 기종인 Convair B-58 Hustler는 1956년에 처음 비행했고, 가장 최근의 기종인 Rockwell B-1B Lancer는 1983년에 비행했다.이것과 몇 가지 다른 타입이 현재도 서비스되고 있지만, 아직 생산되고 있는 것은 없습니다.

비행한 유형은 다음과 같습니다.

초음속 전략 정찰

수호이 T-4와 같은 일부 초음속 전략 폭격기도 정찰 역할을 할 수 있다.

록히드 SR-71 블랙버드는 이 역할을 위해 특별히 설계되었으며 1962년에 처음 비행한 록히드 A-12 정찰기의 더 큰 개발품이었다.

초음속 전투기/공격기

초음속 전투기와 관련 항공기는 때때로 고속 제트기라고 불린다.그들은 초음속 항공기의 압도적인 대다수를 차지하고 있으며 미코얀-구레비치 미그-21, 록히드 F-104 스타파이터, 다쏘 미라지 III와 같은 항공기들도 대량으로 생산되었다.

러시아, 중국, 일본, 한국, 인도, 이란, 미국을 포함한 여러 나라에서 많은 군용 초음속 전투기와 유사한 4세대와 5세대 항공기가 개발 중이다.

미국

소련/러시아

스웨덴

영국

프랑스.

중국

할 테하스

인도

독일.

이집트

프랑스/영국

일본.

이스라엘

독일/이탈리아/영국

남아프리카 공화국

대만

독일/이탈리아/스페인/영국

이란

대한민국.

파키스탄

초음속 연구기

북미 X-15

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

참고 문헌
  • Gunston, Bill (2008). Faster than Sound: The Story of Supersonic Flight. Somerset, UK: Haynes Publishing. ISBN 978-1-84425-564-1.
메모들
  1. ^ "재클린 코크란과 여성 공군 조종사들"National Archives and Records Administration: 드와이트 D. 아이젠하워 대통령 도서관, 박물관, 소년원.취득한 것:2013년 7월 10일
  2. ^ Masters, David (1982). German Jet Genesis. Jane's. p. 142. ISBN 978-0867206227.
  3. ^ a b Wasserzieher, Bill (August 2011). "I Was There: When the DC-8 Went Supersonic". Air & Space Magazine. Archived from the original on 2014-05-08. Retrieved 3 February 2017.
  4. ^ Haering, Edward A. Jr.; Smolka, James W.; Murray, James E.; Plotkin, Kenneth J. (January 1, 2005). "Flight Demonstration Of Low Overpressure N-Wave Sonic Booms And Evanescent Waves". NASA Technical Reports. NASA. Archived from the original (PDF) on February 13, 2015. Retrieved February 12, 2015.
  5. ^ May, Mike (2002). "Crackin' Good Mathematics". American Scientist. Archived from the original on January 22, 2016.
  6. ^ "Defence & Security Intelligence & Analysis - IHS Jane's 360". janes.com. July 25, 2000. Archived from the original on August 6, 2010. Retrieved 2015-09-04.
  7. ^ "Boom Technology's Supersonic jet with 1,700mph top speed ready for test flight". The Indian Hawk Indian Defence News. Retrieved 2020-07-14.
  8. ^ Banke, Jim (28 June 2018). "NASA's experimental supersonic aircraft now known as X-59 QueSST". SPACE DAILY. Space Media Network. Retrieved 2018-06-30.