음속을 뜯어보자-4. (Mach, 충격파)

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8. Mach, 마하속도

마하수는 항공기의 속도와 음속의 비를 나타낸다.

식으로 나타내면 Ma=V(TAS)/C(음속 = a)으로 나타낼 수 있다.

여기서 음속(C = a)란 표준대기 상태에서 340m/s이며, 절대온도의 제곱근예 비례한다

음속은 온도에 정비례하기 때문에 마하수는 온도에 반비례한다고 할 수 있다. 같은 TAS기준 온도가 낮아지면 M은 올라감.

고도가 증가하면 온도가 감소하고, 따라서 음속도 감소하므로 일정한 마하수를 유지하기 위해선 TAS를 줄여아 한다.

M.83이 30,000ft에서는 TAS 489kt이지만, 10,000ft에서는 530kt이다.

동일한 대기속도로 비행 시 고도가 증가하면, 음속은 감소하고 마하수는 증가한다.

순항비행 중 외기 온다가 상승할 때 동일한 M수로 비행하면 TAS는 증가한다

표준대기 상태의 대류 권계면 미만의 고도에서 일정한 마하수로 상승하면 CAS는 감소한다.

 

9. 충격파(Shock wave)

1) 마하파(Mach wave)

- 초음속흐름에서 미소한 교란이 전파되는 면 또는 선을 나타냄

- 비행체가 음속을 돌파하면 교란범위가 비행방향 뒤쪽에 한정되며 원추형을 이룸

- 원추 밖은 교란이 없는 고요한 구역, 원추안은 교란이 있는 구역으로 작용구역이라고 함.

- 원추 표면은 고요한 구역과 작용구역의 경계이며, 종소리가 전파되는 한계를 나타내는 면으로, 이 면을 마하파라고 함.

 

2) 충격파(Shock wave) : 흐름이 음속보다 빠를 때, 공기 입자들이 물체 가까운 곳에서 방향을 급격히 변화, 밀도와 온도가 불연 속적으로 증가하게 되는 현상

- 수직 충격파(Normal shock wave) : 충격파가 물체의 표면에 수직으로 생기는 것

수직 충격파 이후 -> 속도는 아음속으로 감소, 정압과 밀도는 급격히 증가, 에너지/정압의 영향은 급격히 감소

충격파를 지난 공기의 속도는 감소하고, 압력은 증가, 온도도 증가한다.

- 부착 충격파(Attached shock wave) : 충격파가 뾰족한 물체 앞에 약하게 생기는 것

- 이탈 충격파(Bow shock wave) : 뭉퉁한 물체 앞에 생기는 강한 충격파

- 경사 충격파(Oblique shock wave) : 표면에서 경사지면 나타나는 파, 초음속 흐름에서만 생김,

-> 초음속 흐름이 수직 충격파를 지나게 되면 항상 아음속으로 흐름

경사 충격파 이후 -> 속도는 감소되나 여전히 초음속, 정압과 밀도는 증가, 에너지나 전압의 영향은 감소

- 팽창파(Expansion Wave) : 초음속에서만 발생, 물체표면에 따라 흐름의 방향이 급격히 변하게 되면 많은 마하파가 발생하고.

이게 중첩됨. 이게 팡~ 표면에 경사지게 생기며, 유체가 팽창파를 통과하면 속도가 증가하고 압력 감소

팽창파 이후 -> 속도는 더 큰 마하수로 증가, 정압과 밀도는 감소, 에너지나 전압의 영향은 변화가 없음.

- 충격파의 특성 : 아음속 흐름이랑 반대로 적용, 초음속의 공기가 통로를 따라 흐면 단면적이 작으면 속도는 감소하고 압력은 증가, 단면적이 증가하면 속도는 증가하고 압력은 감소함