초음속

초음속(超音速)은 음속 (마하 1)을 초과하는 물체의 속도이다. 해수면에서 온도 20°C (68°F)의 건조한 공기에서 이동하는 물체의 경우, 이 속도는 약 이다. 음속의 5배(마하 5)보다 빠른 속도는 종종 극초음속이라고 불린다. 로터 블레이드의 끝과 같이 물체를 둘러싼 공기의 일부만이 초음속에 도달하는 비행을 천음속이라고 한다. 이는 일반적으로 마하 0.8에서 마하 1.2 사이에서 발생한다.

소리는 탄성 매질에서 압력파 형태로 이동하는 진동이다. 물체가 매질을 통해 소리가 전파되는 속도보다 빠르게 움직일 때 물체는 초음속으로 움직인다. 기체에서 소리는 주로 기체의 분자량과 온도에 따라 다른 속도로 종방향으로 이동하며, 압력은 거의 영향을 미치지 않는다. 공기 온도와 조성이 고도에 따라 크게 다르기 때문에 음속과 꾸준히 움직이는 물체의 마하 수는 변할 수 있다. 실온의 물에서는 초음속이 1,440 m/s (4,724 ft/s)보다 큰 모든 속도를 의미한다. 고체에서는 음파가 종방향 또는 횡방향으로 편광될 수 있으며 더 높은 속도를 갖는다.

초음속 파괴는 취성 재료에서 음속보다 빠르게 균열이 형성되는 현상이다.

초기 의미
초음속의 영단어 슈퍼소닉(supersonic)은 두 개의 라틴어에서 유래한 영어 단어, 즉 1) super: 위, 2) sonus: 소리에서 유래했으며, 함께 '소리 위' 또는 '소리보다 빠르다'를 의미한다.

20세기 초에는 "초음속"이라는 용어가 일반적인 사람의 청각 범위를 넘어서는 주파수의 소리를 묘사하는 형용사로 사용되었다. 이 의미에 대한 현대 용어는 "초음파"이지만, 오래된 의미는 슈퍼헤테로다인 수신기와 같은 단어에서 가끔 남아 있다.

초음속 물체

황소 채찍의 끝은 일반적으로 음속에 도달하도록 설계된 최초의 물체로 여겨진다. 이 동작은 특유의 "채찍 소리"를 내는데, 이는 사실 소닉붐이다. 최초의 인공 초음속 폭발은 일반적인 천 조각에 의해 발생했을 가능성이 높으며, 이는 채찍의 최종 개발로 이어졌다. 황소 채찍을 통해 이동하는 파동 운동이 초음속에 도달할 수 있게 한다.

대부분의 현대 화기 총알은 초음속이며, 소총 발사체는 종종 마하 3에 가까운 속도로 이동하며 일부 경우에는 훨씬 초과하기도 한다.

대부분의 우주선은 재진입하는 동안 적어도 일부 구간에서 초음속으로 이동하지만, 공기 밀도가 낮아 우주선에 미치는 영향은 줄어든다. 상승하는 동안 발사체는 일반적으로 공기 저항을 줄이기 위해 30km(약 98,400피트) 아래에서는 초음속으로 진입하는 것을 피한다.

음속은 온도가 낮아지기 때문에 고도가 높아질수록 다소 감소한다(일반적으로 25km까지). 훨씬 더 높은 고도에서는 온도가 다시 증가하기 시작하며, 이에 따라 음속도 증가한다.

부풀려진 풍선이 터질 때, 찢어진 라텍스 조각들은 초음속으로 수축하며, 이는 날카롭고 큰 터지는 소리에 기여한다.

초음속 지상 차량

현재까지 공식적으로 초음속으로 이동한 지상 차량은 ThrustSSC 단 하나이다. 이 차량은 앤디 그린이 운전했으며, 1997년 10월 15일 블랙록 사막에서 양방향 주행 평균 속도 를 달성하여 세계 지상 속도 기록을 보유하고 있다.

블러드하운드 LSR 프로젝트는 2020년 남아프리카 학스킨판에서 제트 및 하이브리드 로켓 추진 자동차를 사용하여 기록 경신을 시도할 계획이었다. 목표는 기존 기록을 깨고, 이후 팀원들이 최대 의 속도에 도달하기를 희망하는 추가 시도를 하는 것이었다. 이 노력은 원래 ThrustSSC 프로젝트의 리더였던 리처드 노블이 주도했으나, 2018년 자금 문제로 인해 팀은 이안 워허스트에게 인수되어 블러드하운드 LSR로 이름이 바뀌었다. 이후 프로젝트는 코로나19 범유행으로 인해 무기한 연기되었고, 차량은 판매에 나섰다.

초음속 비행

대부분의 현대 전투기는 초음속기이다. 현대 여객기는 초음속 비행이 불가능하지만, 과거에는 콩코드와 투폴레프 Tu-144와 같은 초음속 여객기가 있었다. 이 두 여객기들과 일부 현대 전투기는 재연소 장치를 사용하지 않고도 지속적인 초음속 비행 상태인 초음속 순항이 가능하다. 콩코드는 수십 년 동안 수 시간 동안 초음속 순항을 할 수 있었고 비행 빈도도 상대적으로 높았기 때문에, 다른 모든 항공기를 합친 것보다 훨씬 더 많은 시간을 초음속으로 비행했다. 2003년 11월 26일 콩코드의 마지막 은퇴 비행 이후로는 초음속 여객기가 운항되지 않고 있지만, 붐 오버처가 완성되면 미래에 초음속 비행이 다시 도입될 수 있다. 투폴레프 Tu-160과 록웰 B-1 랜서와 같은 일부 대형 폭격기도 초음속 비행이 가능하다.

초음속 항공기의 공기역학은 항공기의 여러 지점에서 공기 시트가 서로 영향을 미 미치지 않기 때문에 아음속 공기역학보다 단순하다. 초음속 제트기와 로켓 차량은 천음속 영역(마하 0.85~1.2)에서 경험하는 추가적인 공기저항을 뚫고 나가기 위해 몇 배 더 큰 추력이 필요하다. 이 속도에서 항공우주 공학자들은 새로운 충격파를 생성하지 않고도 항공기의 동체 주위로 공기를 부드럽게 유도할 수 있지만, 차량의 아래쪽으로 단면적이 변하면 동체를 따라 충격파가 발생한다. 설계자들은 초음속 면적 법칙과 휘트컴 면적 법칙을 사용하여 급격한 크기 변화를 최소화한다.

그러나 실제 적용에서 초음속 항공기는 아음속 및 초음속 프로필 모두에서 안정적으로 작동해야 하므로 공기역학적 설계가 더 복잡하다.

낮은 초음속 항력을 갖는 주요 핵심은 전체 항공기를 길고 얇게, 그리고 "완벽한" 형상인 폰 카르만 오자이브 또는 시어스-하크 바디(Sears-Haack body)에 가깝게 적절히 형성하는 것이다. 이로 인해 거의 모든 초음속 순항 항공기가 SR-71 블랙버드, 콩코드 등과 같이 매우 길고 날렵한 동체와 큰 델타 날개를 가진 모습으로 매우 유사하게 되었다. 승객용 항공기에는 이상적이지 않지만, 이러한 형태는 폭격기 용도로는 매우 적합하다.

 같이 보기 
 극초음속
 소닉붐
 초음속기
 천음속
 프란틀-글로어트 특이점

 각주 

분류:항공우주공학
분류:공기역학
분류:소리