[📃칼럼] 도플러 심화 - 극초음속 미사일의 물리학

[펄서(whiteboxspier)]

* 본 칼럼은 물리학 1의 열역학 파트의 숙지를 가정하고 작성되었습니다

최근 국방 관련분야에서 가장 주목받고,

현재 세계적으로 가장 핫하게 연구하는 분야가 있는데요

바로 극초음속 미사일입니다

원래는 근미래전에서 사용하게 될 기술로 인식되었지만

러시아가 실전배치를 해버리면서 세계적으로 위기를 느끼고 있는데요,

극초음속 미사일이란 멀까용

극초음속 미사일은 마하 5이상의 고속의 환경에서 기동하는 미사일을 말합니다

일반적인 미사일의 순항속도인 마하0.8~3과 비교하면 말도 안될 정도로 빠른수치로,

'속도가 스텔스다' 라는 말에 가장 부합하는 무기를 꼽으라면

극초음속 미사일을 꼽을정도로 탄도미사일보다 훨씬 위협적인 미래무기입니다

링크 : 탄도미사일 칼럼

탄도미사일은 위력은 굉장히 강하지만, 케플러 법칙에 따라서

타원궤도를 베이스로 낙하하기 때문에

미사일대응체계의 탐지범위( 연한 하늘색 선 )에 들면

궤도계산을 통해 격추시스템을 가동하는 등 대처를 할 수 있지만

극초음속 미사일은 대기권 내에서 저공비행하여 접근하므로

미사일 대응체계는 지구가 둥글다는 특성때문에

폭격당하기 직전까지 미사일을 탐지할 방법도 거의 없고

너무 속도가 빨라서 발견해도 대처하기 힘듭니다

그래서 기존의 미사일 대응시스템을

속도로 찍어눌러서 바보로 만들어버리는 특성때문에

현대전에서 가장 위협적인 존재 중 하나로 떠오르고있습니다

그런데 극초음속 미사일을 검색해보면

우리가 아는 동그란 미사일은 안나오고

약속이라도 한 듯 이렇게 돌고래처럼

위 짤처럼 생긴 비대칭형태의 미사일들 뿐인데용

이런 설계에는 어떤 물리학적 원리가 담겨있을까요??

그리고 왜 극초음속 미사일 개발은 극도로 어려울까요??

한 번 도플러효과를 초음속 환경에서 바라보고

극초음속 미사일의 형상과

SCRAMjet Engine의 원리를 알아봅시당

1. Shock Wave

https://youtu.be/p-hBCcmCUPg

물리학2 개념공부를 시작한 순수했던 시절로 돌아가봅시당

대충 파원이 움직이면

움직이는 방향쪽으로는 파장이 짧고 반대쪽으로는 파장이 길다

물리학1에서 한 내용인데 좆밥이네 ㅇㅇ,,,

이건 뭐지? 충격파?

이게 시발 도대체뭐자;;

어차피 시험에 안나오는데 대충해야지 ㅋㅋ

그렇습니당

저희가 평소에 문제를 풀던 영역인낮은 속도에서의 도플러효과는

위 그림처럼 음파가 파원보다 빠르게 움직이지만,

마하 1보다 빠른 초음속환경에서는

위 그림처럼 음속으로 퍼지는 음파보다

파원이 더 빠른속도로 움직여서

Shock Wave = 충격파가 발생합니다

그리고 이 Shock Wave는 초음속 이상의 속도에서

매우 중요하게 다뤄지며, 세계 2차대전까지만해도

이에 대한 이해가 부족해서 음속을 넘는 속도의

전투기는 개발할 수 없었습니다

Shock Wave를 실제로 촬영해서 보면

항공기에서는 이렇게

탄환에서는 이렇게 보이게됩니다

하지만 이 그림에서 원의 외부접선의 실제 이름은

Mach Wave로, 어디까지나 아주 이상적인 환경에서,

이론적으로만 존재하는 형태의 Shock입니다

그러면 실제 환경에서 볼 수 있는 Shock를 알아봅시당

2. Real Shock

실제 환경에서 볼 수 있는 기본적인 Shock는

크게 2가지가 있는데요,

왼쪽 그림처럼 공기가 흐르다가

θ기울기의 벽이 그걸 가로막으면 Oblique Shock wave

오른쪽 그림처럼 공기가 흐르다가

벽이 θ기울기만큼 넓어지게되면 Oblique Expansion Wave

가 각각 발생하게됩니다

예를들면, 이런식으로 Wedge(웨지감자 단면처럼 쐐기모양)형의

물체가 마하 1 이상의 초음속으로 움직이면

공기를 θ의 기울기로 가로막으면서 나아가므로

각도가 β인 Oblique Shock가 발생하게 됩니다

(항상 β > θ)

아무튼 Expansion Wave도 중요하지만

이 칼럼에서 중점적으로 봐야할 것은 Oblique Shock 인데용,

Oblique Shock의 발생이 중요한 이유는

이 Shock를 기준으로,

공기의 속도가 급격하게 줄어들고

압력 / 밀도 / 온도는 급격하게 상승하기때문입니다

공기의 속도를

빵! 하고

급격하게 감소시키면

공기가 순간적으로 압축되어버리면서

열역학 1법칙에 따라

압력과 온도가 급격하게 증가하는것이죵

즉, 공기는 이 Shock 전후로

단열과정(adiabatic Process)을 거치게됩니다

또 Oblique Shock 'Wave'

엄연한 파동이기때문에 벽에 부딪히면

그림의 파란색 선처럼 Oblique Shock가 반사되어서

반사된 Shock가 공기의 흐름(빨간색 선)에 영향을 주기도 하고

여러번 꺾이는 경우, 당연히 빨간색 선처럼

Oblique Shock가 여러번 생겨서 서로 만나기도합니다

또, 가로막는 Wedge의 기울기 θ가 커질수록

Oblique Shock의 각도는 점점 커지다가 어느순간

오른쪽의 Detached Shock처럼

물체에서 떨어진 상태로 Shock Wave가 발생하기도 합니다

그래서 이를 이용해 특정 조건에서는

Oblique Shock wave의 각도가 수직인

Normal Shock Wave라는 특수한 Shock를 만들기도합니다

하여튼 Oblique Shock는 크게 이 정도의 성질들을 가지고 있으며,

Oblique Shock는 각도가 커져 Normal Shock Wave에 근접할수록

Shock 전 후로

공기의 속도는 더 많이 감속하고

열역학 1법칙에 따라 공기는 더 강하게 압축되어서

압력 / 밀도 / 온도는 더 많이 증가하게 됩니다

Shock의 세기가 더 강해진다고 생각하셔도 무방합니다

3. 미사일의 형상 / SCRAMjet Engine

이제 다시 미사일의 형상을 들여다 보고

이 비행체의 단면을 들여다봅시다

파란색이 이 비행체의 Body로,

아주 간단하게 나타낸 단면도입니다

공기가 Engine으로 들어가면

그 안에서

연료와 공기를 섞음 -> 연소 -> 급팽창 -> 기체를 가속시켜서

Nozzle을 통해 공기를 뒤로 배출,

그 반작용(반동)으로 비행체는 힘을 받아서 가속합니다

이 때 공기와 직접적으로 충돌하는 미사일의 전면부에서는

위쪽으로는 공기의 흐름이 잘 만들어지도록

평평하게 만들어서 Shock가 크게 발생하지않지만

아래쪽으로는 엔진의 위치에 공기가 잘 들어가도록 Shock를 발생시키는

형상이 만들어져있습니다

그래서 여러번 가로막는식으로 꺾이면

Oblique Shock가 여러개 생겼던 이 그림처럼

미사일의 전면부에서도 여러번 꺾이게 해서

Oblique Shock를 여러번 발생시켜 엔진에 들어가게 됩니다

여기서 Oblique Shock를 어떻게 발생시키느냐에 따라서

Ramjet Engine ( 램제트 엔진 )

Scramjet Engine ( 스크램제트 엔진)

으로 나뉘는데요

가만 생각해보면

극초음속으로 움직이는 미사일이라면

공기도 엔진에 극초음속의 속도로 들어왔다 나갈텐데

그 짧은시간동안

연료와 공기를 섞음 -> 연소 -> 급팽창 -> 기체를 가속

과정을 시키기에는 엄청난 기술력이 필요할 것이고

특히 극초음속으로 쓸고 지나가는 공기 속에서

불을 때서 연료를 연소시킨다?

아무리 생각해도 가능할 것 같지 않습니다...

그래서 의도적으로 엔진에 들어가기 직전,

의도적으로 충격파를 발생시켜서 공기를 음속 이하의 속도인

아음속까지 감속시킨 다음,

엔진에 들여보내면 비교적 연료와 섞어서 연소시키기 수월할거고

이를 이용하면 초음속으로 비행해도 엔진에서는

비교적 안정적인 아음속 추진을 할 수 있게 됩니다

이렇게 충격파로 공기를 감속시켜서 추진을 하면

Ramjet Engine : 램제트 엔진이라고 부릅니다

하지만 그런식으로 충격파를 만들어서

공기를 의도적으로 급격하게 감속시키면

당연히 공기의 에너지에 손실을 만들 것이고

이는 효율감소로 이어집니다

특히 극초음속 영역에서는

공기도 극초음속으로 들어오기때문에

이를 아음속까지 감속시키겠다고 충격파를 만들면

공기의 에너지가 토막나는 수준으로 가버리기때문에

기술이 극도로 높은 국가들은 SCRAMjet Engine,

[Supersonic Combustion RAMJET Engine]

말 그대로 초음속의 속도로 공기를 그냥 연소시키는

엔진을 개발해서 사용합니다

그래서 이 경우 엔진에 들어오기 직전에

각 위치마다 꺾이는 각도인 θ를 절묘하게 설계해서

Oblique Shock가 아주 약하게 만들어지도록 형상을 제작합니다

그리고 이 기술도 굉장히 달성하기 어려운 과제이기도합니당

이후 요렇게 엔진 안에 공기와 Shock Wave가 들어오게 되면

앞에서 본 이 그림처럼 Shock가

엔진 안에서 반사되면서

엔진 내부의 흐름에 영향을 주게됩니다

아무튼 극초음속 비행체는 비교적 구조가 간단하고

효율도 잘 나오는 SCRAMjet Engine을 주로 이용하고 있으며

이 엔진을 탑재하기위해서 극초음속 미사일은

비대칭으로 만들어져 있읍니다

다른 엔진을 사용한다면 형상이 달라지기도 합니다

긴 글 읽어주셔서 감사합니당

[라플라시안(scefrg3481)]

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[펄서(whiteboxspier)]

냉 ㅇㅇ 이 글에서 설명한 내용에 한하면, 높은 효율로 연료를 연소시키기위해서 저런 모양을 하고있습니다

[5둥리카일렝이(lillollool)]

항공우주게이추

[Союз(malzaahr1)]

러시아 안죽었노 ㅋㅋㅋ 저런것도 실전배치하고

[Aimyon(karendye12)]

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dog chu - dc App

[익명(211.36)]

이거 만드는게 쉬움 아스팔트위에 젓가락 세개 수직으로 세우는게 쉬움?

[펄서(whiteboxspier)]

[익명(218.155)]

근데 위아래 속도 달라지면 양력생긴다고 하지 않았음? 그건 무시할만한 정도인건가

[펄서(whiteboxspier)]

양력이론은 복잡해서 설명에서 뺐습니당

[난계(asap33)]

[나는야물2러(aerospace2)]