마하수 (Mach Number)
쉽게 풀면
비행기가 "마하 2로 비행한다"는 말은 그 비행기가 소리보다 2배 빠른 속도로 난다는 뜻입니다. 마하수는 이렇게 물체의 속도를 소리의 속도(음속)로 나눈 값으로, 마하수가 1보다 작으면 아음속, 1이면 음속과 같은 속도(천음속), 1보다 크면 초음속이라고 부릅니다. 같은 속도라도 공기가 차갑고 밀도가 높은 고도에서는 음속 자체가 달라지기 때문에, 단순히 시속 몇 km인지보다 마하수로 나타내는 것이 유체 흐름의 압축성 효과(공기가 얼마나 압축되고 충격파가 생기는지)를 이해하는 데 훨씬 유용합니다.
왜 중요한가
마하수가 어느 구간에 속하는지(아음속, 천음속, 초음속, 극초음속)에 따라 유체의 압축성 효과, 충격파 발생 여부, 항력의 성격이 근본적으로 달라지기 때문에, 항공기·로켓·터빈 설계에서는 마하수를 기준으로 유동 해석 방법과 설계 전략 자체를 다르게 선택합니다. 또한 풍동 실험이나 전산유체역학(CFD) 해석 결과를 다른 크기의 실제 비행체에 적용할 때도, 마하수를 동일하게 맞추는 것이 실험 조건의 유사성을 보장하는 핵심 기준이 됩니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
비행 속도가 음속의 80%에 이르자 날개 주변 공기 흐름 일부가 국소적으로 음속을 넘어서면서 충격파가 생기고, 이로 인해 저항이 갑자기 커졌다는 뜻입니다. 이는 천음속 항공기 설계에서 반드시 고려해야 하는 현상입니다.
초음속 추진 시스템 연구에서는 특정 마하수 조건을 고정한 뒤 형상 변화에 따른 충격파 패턴과 성능 차이를 비교하는 방식으로 설계를 최적화합니다.
우주비행체 재진입 연구에서는 매우 높은 마하수 영역에서 발생하는 극심한 마찰열과 공력가열 문제를 예측하는 데 마하수를 핵심 변수로 사용합니다.
조금 더 깊게 보면
음속은 매질의 종류뿐 아니라 온도에 따라 달라지므로, 같은 마하수라도 고도나 대기 조건이 다르면 실제 속도(m/s)는 차이가 납니다. 마하수 구간은 흔히 1보다 충분히 작은 아음속, 1 부근에서 아음속과 초음속 흐름이 공존하는 천음속, 1보다 큰 초음속, 대략 5 이상의 매우 높은 영역을 가리키는 극초음속으로 나뉘며, 구간에 따라 유동을 지배하는 물리 현상과 지배 방정식의 근사 방법이 달라집니다. 마하수가 1에 가까워지는 천음속 영역은 충격파와 팽창파가 동시에 나타날 수 있어 해석이 특히 까다로운 영역으로 다뤄집니다.
주의할 점
마하수는 절대적인 속도(예: km/h)가 아니라 음속 대비 상대적인 속도라는 점에 유의해야 합니다. 같은 마하수라도 고도나 온도가 다르면 실제 속도(m/s)는 달라지며, 유체의 압축성을 무시해도 되는지를 판단할 때는 레이놀즈 수와 함께 마하수를 반드시 함께 확인해야 합니다.