F/A-18 horne 초음속 광경

 

F/A-18 horne 초음속 광경

[도깨비뉴스]2006/08/11 오후 4:09

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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도깨비뉴스가 어제(31일) `F-18 도넛구름 통과`라는 제목으로 소개한 사진에 대해 독자 `김`님은 "기사의 사진은 도넛 구름이 아니고, Prandtl-Glauert Singularity (PGS)에 의해서 방생하는 condensation (대기 중의 수분응축)입니다"라고 도깨비뉴스에 메일로 알려 왔습니다.

그러면서 그는 "음속을 돌파하고 있는 모습이라거나 소닉붐이라고 하거나 하는 설명은 다 잘못된 것입니다"라고 말했습니다.

아래는 독자 `김`님이 보내온 이미지와 설명 전문입니다.

 

 

PGS를 설명하는데 공기 흐름의 속도에 따라 항공기 표면에 작용하는 정압이 달라지는데..마하 1 전후에서 압력이 급격하게 변하게 됨을 설명합니다. (교재에서 스캔)

 

비행기 날개에서의 유속분포인데 비행기 전체라고 보셔도 됩니다. (교재에서 스캔)

이 그림에서 비행기는 아직 아음속 (M=0.8)으로 비행중이지만, 날개위의 일부구역에서는 이미 초음속이 됩니다. 이 초음속 구간은 충격파(shock wave)와 함께 종료됩니다.

항공기의 속도가 증가함에 따라 초음속 구간이 번지는 모습을 보여줍니다. (교재에서 스캔)

 

마지막 그림은 도덧구름이라고 부르신 구름의 설명입니다.

제가 PGS라고 설명한 현상은 파란색 점선에서 발생합니다. 갑자기 압력이 변화하면서 초음속 구역 내에서 대기 중의 수분이 응축되어서 구름이 생긴 겁니다. 빨간색 실선은 충격파의 위치입니다.

이구간은 충격파와 함께 종료되죠. 이 그림은 인터넷에서 다운받은 사진에 제가 설명을 덧붙인 것입니다 따라서 이런 현상이 생긴다면 비행기는 아직 아음속으로 비행하고 있다는 반증입니다. 음속을 돌파하고 있는 모습이라거나 소닉붐이라고 하거나 하는 설명은 다 잘못된 것입니다.

위 독자 `김`님의 의견에 대해 잘못된 부분이 있다며 독자 `박근홍`님이 도깨비뉴스에 메일로 보내왔습니다.

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다음은 `박근홍`님의 메일 전문입니다.

안녕하십니까.

글을 읽다가 잘못된 부분들이 몇 개 있어서 이렇게 보다 못해 메일을 보냅니다.

`PGS를 설명하는데 공기 흐름의 속도에 따라 항공기 표면에 작용하는 정압이 달라지는데..마하 1 전후에서 압력이 급격하게 변하게 됨을 설명합니다. (교재에서 스캔)`

☞ 사진과 함께 설명이 된 PGS는 2차원에서만 적용이 가능한 것이고, 3차원에 어느 정도 적용이 가능하다 해도 원래부터가 그 식은 날개위의 초음속 현상을 설명하기 위한 식이 아니고, 아음속에서의 결과를 초음속에서의 결과로 예측해 보기 위한 similarity 에 대한 식이므로, 이 현상을 설명하는데 적당치 않은 그래프로 보입니다.

`항공기의 속도가 증가함에 따라 초음속 구간이 번지는 모습을 보여줍니다. (교재에서 스캔)`

☞ 이 부분에서 `김` 이라는 분 자신이 오류를 범하고 있습니다. 초음속 구간이 번지는 모습을 a,b,c 순으로 보여주는 그림 전에 M=0.8(즉 아음속 비행)에서의 날개 위 충격파의 형성 모습을 보여주고 있는데, 이 그림이 그 아래 보여 지는 a그림 정도가 되겠지요?

그럼 b,c는 뭐가됩니까? 그렇죠 초음속 상태가 되는 겁니다.

제가 보기에 b는 M=1.0 c는 M=1.2정도 되겠군요...기자님은 사진에 실린 F-18의 상황이 어떤거라 보십니까? c라고 생각되지 않습니까?

날개 위아래 모두 수증기가 보이지만 갑자기 불연속면이 생기며 구름이 전혀 없어지죠? 위  아래 면에 구름이 모두 생겼다는 자체가 저 비행기는 지금 초음속 비행이라는 것을 보여줍니다. 제가 첨부한 그림 1,2를 봐 주십시오.

 

 

 

비행속도에 따른 날개주위의 압력 분포를 직접 제가 계산한 결과입니다. 두 결과 모두 날개 위에서 속도가 빨라지며 압력이 감소하지만 M=0.8에서는 날개 위에서만 압력이 감소하고, M=1.1에서는 위아래 모두 압력이 감소함을 알 수 있습니다.(파란색이 낮고, 빨간색이 높은것)

그리고 `김`이란 분이 설명하신 마지막 사진은 전체적으로 정확한 설명이지만 shock의 모양이 잘못되어 shock 모양을 바로 잡았습니다.

 

 

결론적으로 PGS는 이 현상을 설명하기에는 부적합한 것이며, 단지 비행기가 날며 날개위에서 국부적으로 속도가 빨라지며 압력이 주변보다 떨어지게 되고 이때 그 부분에 수증기가 보이게 되지만 곧 충격파를 만나게 되고 속도는 아음속으로 떨어지고 압력, 온도는 갑자기 증가하게 되어 날개 뒤에는 수증기가 전혀 보이지 않게 되는 것입니다.

(결론)

1. 저 F-18은 지금 막 음속을 돌파하여 초음속으로 비행하는 중이며 수증기가 생기는 것은 빠른 속도로 인해 낮아진 압력에 의해 생긴 것

2. 충격파로 인해 수증기가 날개위에만 존재하는 것처럼 보인다.

안녕히 계십시요.

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아래 이미지는 `닐리리`님이 올려준 것입니다.

 

             대기 중 수분 응축에 의한 구름 형성과정의 전산유체 해석 예