출처는 여기임.
탄도탄이라는 신형 무기체계가 등장하려 하자
탄두의 대기권 재돌입시 재돌입체가 마주하는
마하 5 이상의 극초음속 환경을 알아보기 위해
공돌이들은 다양한 실험 장비를 사용하기 시작한다.
그 다양한 장비 중 하나가 바로 극초음속 풍동이다.
이 녀석은 초음속 풍동처럼 고압의 공기를 저장해뒀다가,
한번에 밸브를 열어서 극초음속 유동을 만들어낸다.
물론 단순히 밸브를 열기만 하면,
부탄가스를 쓸 때처럼 기체의 부피가 커지면서 냉각이 되니
밸브를 열면서 히터를 같이 틀어서 기체가 냉각되는걸 방지한다.
그러니까 극초음속 풍동은
고압탱크->밸브-> 히터 ->실험 공간-> 진공 탱크 순으로 구성된다.
독일은 이 극초음속 풍동을 V-2 미사일을 개발하면서 처음 만들었다.
1945년 당시 독일은 극초음속 풍동을 2개 보유하고 있었는데
작은것은 실제 운용을 하고 있었고, 딱 마하 5까지 실험 가능한 장비였다.
기억상 V-2로켓이 마하 4를 찍었으니 딱 V-2용으로 만든 장비일 것이다.
큰놈은 마하 10까지 실험 가능한 장비였고
45년 당시 아직 운용은 하지 못한 상태였다.
아마도 미국까지 도달 가능한 A-9, A-10을 위한
극초음속 풍동이었으리라 추측된다.
v-2를 만들겠다는 집념으로 저런 장비를 만든걸 보면 참 대단하다는 생각이 든다.
둘째로, 충격파 터널이다.
이건 어떻게 작동할까?
이녀석의 구조는 위와 같이 생겼다.
고압의 공기(high pressure air)로 피스톤을 밀어서,
driver gas를 압축한 다음,
main diaphragm(메인 다이어프램)을 파열시키면
고압으로 압축된 driver gas가
저압인 test gas쪽으로 맹렬하게 흐르면서 충격파가 발생한다.
이렇게 발생한 충격파를 nozzle reservoir를 통해서 다시 반사시키면,
압력과 온도가 더욱 상승하고,
이때 secondary diaphragm이 파열된다.
이렇게 얻어낸 고온 고압의 가스가 노즐을 통해 가속되며 극초음속 유동을 얻게 된다.
이것은
고온 고압, 마하 10이 넘는 극초음속 유동을
비교적 쉽게 만들어낼 수 있어서
자주 쓰인다.
셋째로
Light gas gun(경 가스총)이다.
화약의 힘을 이용해 피스톤을 가속시켜서
수소나 헬륨같은 가벼운 기체를 초고압으로 압축하고,
초고압으로 압축된 가스를 이용해 발사체를 가속시켜서 극초음속 실험을 하는 방법이다.
넷째로,
Atmospheric Entry Simulator(대기권 진입 시뮬레이터, AES)다.
재돌입체가 재진입하면서 생기는 환경의
지속적인 변화는
공돌이들에게 있어 꼭 필요한 데이터였다.
이를 위해 AES가 만들어진다. 마하 5의 초음속 풍동과
위에서 언급한 경 가스총을 조합하여 만든 것이 바로 AES다.
다섯째, 아크 제트다.
전기 방전으로 공기를 가열시켜서 극초음속 유동을 만들어내는 것이다.
또 다른 방법중 하나는.....
이런 로켓엔진을 활용하는것이다.
의외로 이 방법은 근본있는 방법이다.
옛날 이 사진을 봤을 때는
"북괴 병신들ㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋ
아크 제트 없어서 저런 병신같은 방법을 쓰놐ㅋㅋㅋㅋ"
라고 생각했었는데
알고보니 꽤 근본있는 실험 방식이었다.
하지만 이 방법에는 한가지 단점이 있는데,
로켓엔진의 화염이 재돌입때의 환경과는 영 다른 것이라는게 문제이다.
재돌입체와 로켓엔진 배기가스와의 화학반응과,
공기와 재돌입체간의 화학반응이 서로 다르기 때문에
이 방법은 실제 재돌입 환경과 유사한 테스트 환경을 만들지는 못한다.
그리고 이 방법이 아닌 위에 언급한 극초음속 풍동이나 아크제트도
실제와 유사한 환경을 구현할수 있다 뿐이지
실제 환경에서의 테스트를 대체하지는 못한다.
실제 환경에서 테스트는 어떻게 진행하는가?
이런 방법으로 재돌입체에 재돌입하는동안 내부 온도나 가속도 등을 기록하는
텔레메트리 시스템과 낙하산을 넣고, 낙하산을 펼쳐서 회수하는 것이다.
이런 방법으로 공돌이들은 재돌입체를 만드려면
어떻게 해야할지 대충 감을 잡았고,
그렇게
1세대 재돌입체인 열 흡수식(Heat-sink)의 재돌입체가 등장하게 된다.
이 녀석의 원리는 단순무식하다.
열전도가 좋고 열용량이 큰 구리(Cu,copper)나 스테인리스 같은 것을 이용해
재돌입때 발생하는 열을 먹어버리면서 버티는것이다.
이러한 방식의 재돌입체는 단면이 크고
뭉툭한 형태의 원뿔/반구형상으로 만든다.
그러한 형상으로 재돌입체를 만들 경우,
공기 저항이 커져 공기밀도가 아주 낮은 고고도에서부터
감속이 일어나게 되므로 열 흡수방식의 열 보호 시스템이 버틸 수 있을 만큼의
열만을 발생시키게 된다.
이러한 형상으로 재돌입체를 만들면,
위 사진에서 볼 수 있듯,
뭉툭한 반원모양의 재돌입체 앞에 활처럼 휜 충격파가
반원모양의 재돌입체와 떨어져 있다는 것을 볼 수 있다.
이 재돌입체와 충격파 사이의 공간으로 열이 분산되어
재돌입체에 가해지는 열 스트레스가 준다는 장점도 있다.
이러한 열 흡수식의 재돌입체는
탄도계수를 낮게 설정해 만든다.
탄도계수("베타"라고도 표기함)란
탄도계수(베타)=재돌입체의 무게/공기저항 계수*재돌입체의 단면적
으로 정의된다.
탄도계수(베타)가 높으면 높을수록
감속도가 최대가 되는 고도는 낮아지고,
탄도계수(베타)가 낮으면 낮을 수록
감속도가 최대가 되는 고도는 높아진다.
그러니까 탄도계수(베타)가 낮은 재돌입체는
고고도에서부터 비교적 빠르게 감속되어
저속으로 공기밀도가 낮은 저고도로 진입하고,
탄도계수(베타)가 높은 재돌입체는
고고도에서 감속이 별도 되지 않아
높은 속력을 유지한 채로 저고도로 진입한다.
(속력이 빠르고 공기밀도가 높은 저고도일수록
발생되는 열의 양은 많아진다)
그러나 이런 열 흡수식의 재돌입체는
(가속도가 무려 100G에 달하는 스프린트 미사일.)
탄도탄 요격 미사일의 발달로
이런 낮은 탄도계수를 가진 재돌입체는
탄도탄 요격 미사일의 손쉬운 먹잇감에 불과했다.
또한 고고도에서 빠르게 감속되고
공기밀도가 높은 저고도를 저속으로 통과하는
열 흡수식 재돌입체의 특성상
(세로축이 CEP(원형공산오차), 가로축이 탄도계수이다.
그래프에서 보다시피 탄도계수가 높아질수록
CEP가 낮아지는걸(=정확도가 올라감) 볼 수 있다.)
바람이나 기타 요인에 의해 영향을 쉽게 받아
정확도도 영 좋지 않았고,
어마어마한 열을 단순무식하게 먹어버리면서 버티는지라
재돌입체의 무게와 크기가 무식하게 컸고
이를 운반할 미사일도 덩달아 커지게 되었다.
이를 해결하기 위해
융제물질(ablative material)을 이용한
2세대 재돌입체가 등장한다.
여기서 "융제"란
강렬하게 가열되는 물체의 표면이 녹아내리고
다시 증발하여 질량이 감소되는 현상이다.
고체가 융해되어 액체가 되고, 액체가 기화되어
기체가 되는 상전이 과정중엔 많은 양의 에너지(열)가 필요하다.
고체상태의 융제물질이 녹아 액체가 되고,
액체상태의 융제물질이 끓어올라
기체가 되는 상변화 과정에서
엄청난 양의 열을 흡수한다.
끓어오르는 융제물질이 증발하는 과정에서
재돌입체의 표면 온도는
융제물질의 끓는 온도 이상 올라가지 않는다.
또한 기체가 된 융제물질에 열이 가해지며
기체가 팽창하는 과정에서도 열 유입을 추가로 막는다.
이러한 현상을
재돌입체의 열 차단에 응용한 것이 바로 융제 방식의 재돌입체다.
재돌입시 실시간으로
열 차단막을 만들어내는 융제현상을 이용한 재돌입체는
기존의 열 흡수식 재돌입체보다
훨씬 작고 가볍게 만들 수 있었다.
이러한 융제 물질의 후보는
Refrasil-phenolic,
fiberglass-melamine,
unfired ceramic
같은것들이 있었고,
이후 연구를 통해 개발된 것은
바로 avco 사에서 개발한(현재는 텍스트론에 흡수됨)
Avcoite와 RaD-58B/D, Avcoat 였다.
아브코이트는 실리카로 만든 세라믹을
마그네슘으로 만든 벌집모양(허니콤) 구조물로 강화한 것이다.
RaD-58B는 페놀수지와 리프라실이라는 실리카 섬유 천을 이용해 만들었다.
Avcoat는 유리섬유에 에폭시 노볼락 수지를 흡수시켜 만든 융제물질이다.
(Mk-5 재돌입체)
이것들은 미니트맨에 사용된 Mk-5 재돌입체에 사용되었다.
이후 연구가 계속되면서
C-C 복합재와
흑연-에폭시 수지,
탄소-페놀수지 등 다양하고 성능좋은 융제물질들이 발견되자
재돌입체의 탄도계수는 날이 갈수록 올라가기 시작한다.
외형 변화를 보자
열 흡수식의 Mk-2 재돌입체,
아브코이트를 사용한 융제 방식의 Mk-4 재돌입체
아브코이트, RaD-58B, AVCOAT를 사용한 Mk-5 재돌입체,
타이탄-II에 탑재된 mk-6 재돌입체,
미니트맨-II에 탑재된 Mk-11 재돌입체,
미니트맨-III에 탑재된 Mk-12A 재돌입체,
그리고 피스키퍼와 미니트맨-III에 탑재된
Mk-21 재돌입체까지
점점 더 탄도 계수를 높게 하여 요격이 어렵도록 진화하게 된다.
여담이지만, 현재 미군이 운용중인 Mk-21은 탄도계수가 약 144,000N/m^2수준으로,
9400km 떨어진 표적에 Mk-21을 최대사거리 탄도로 발사하면
약 3.4km/s의 속력으로 지상에 충돌하게 되는 엄청난 성능을 발휘한다.
Mk-21의 재돌입을 보고 싶다면 이 두 영상을 보라.
?si=PWLsjbW0jKD_G4yI
?si=Gg9KXbW71KKtNMXY
아무튼,
실제 환경에서 재돌입체를 테스트하는 입장에선
점차 무겁고, 뾰죡해지는 등 탄도계수가 증가하자
단순히 낙하산만 펼치는걸로는
속도를 충분히 낮출 수 없었고.
저고도에서 재돌입체의 뒤쪽 부분을 분리하거나,
무게추를 분리하여 재돌입체의 무게를 가볍게 하여(=탄도계수를 낮춤)
속도를 낮추고 낙하산을 펼치도록 했다.
부족한 정보글이지만 여기까지 읽어줘서 고마워요 :)
- dc official App
좋은글 고마워요
정보추
Wave superheater 좋아
개추.
근데 Ablative Material을 보통 융제 물질이라 함? ADD나 기타 소재 연구에서는 내삭마성 물질이라 하는 것 같던데..
https://kiss.kstudy.com/Detail/Ar?key=3819852
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchReport.do?cn=TRKO202100015234
- dc App
잘은 모르겠지만, 삭마가 융제랑 영어단어가 같을거임. - dc App
ㄴ 아 로켓쪽에선 삭마랑 같은 표현으로 융제를 사용하는구나. ㄱㅅㄱㅅ - dc App
삭마는 깎여 나가는 현상 얘기하는 거임 내 삭마성 소재=마찰에 의해서 깎여 나가지 않는 소재
융제는 잘 녹게 하는 물질이라는 뜻이고, 'ablation shielding'은 물질보다는 보호 방식(승화) 방식에 초점을 둔 표현임. 'ablation'이 삭마의 영어 표현이긴 한데 '내 삭마성'은 'ablation(삭마)'을 잘 견디게 하는 거고 'ablation(승화) shield'은 승화를 이용하는 방법인 거고
한편 중국에서는 나무로 히트쉴드 만듬. 나름 쓸만했다고
미국도 나무로 된 열차단 시스템을 쓴적이 있음. - dc App
저런 낙하산은 고도 몇메다까지 유지되는거임?
노볼락을 저런데다도 쓰는구나 - dc App
정보추
잼다
융제방식은 기발하네. 근데 이런건 뭐하다보면 알게되는거?
그냥 미사일에 관심 많고 그 관심을 바탕으로 인터넷 뒤지다보면 이런 글에 쓸 자료가 나옴 ㅎㅎ - dc App
공산오차 높은 재돌입체는 의외로 만들기 쉽겠네. 한국 정도 공업 역량이면
한국 공학, 제조업 역량이면 70년대 수준 재돌입체는 금방 아닌가? 일본 1달, 한국 6개월이면 핵무장 가능하다는 게 호들갑이 아니네
저 TPS 신소재의 실전적 테스트에 있어서, 고정밀 계측장비의 소형화가 동반되어서.. 마침내 뾰족한 재돌입체로도 계측한 데이터를 회수할 수 있었다. ..라고 이해하 면 됨 스핀 먹인 놈이 요동치는게 덜한만큼 밸런싱도 최적화 되는거고.. 소행성으로 보냈다가 지구로 복귀하는 재돌입체(가 복사하는 전자기파)표면 온도가 4천도였나 -_-a 암튼 그려..