천음속 유동 (transonic flow)
쉽게 풀면
천음속은 비행기 전체는 아직 음속보다 느리게 날고 있지만, 날개 위 일부 곳에서는 공기가 국소적으로 음속을 넘어 흐르기 시작하는 애매한 속도 영역입니다. 이 구간에서는 초음속 영역과 아음속 영역이 기체 표면에 동시에 존재하고, 그 경계에서 작은 충격파가 생겼다 사라지기를 반복해 항력과 조종성이 급격히 변하기 때문에 예측과 설계가 가장 까다로운 영역으로 꼽힙니다. 비행기 주변 공기 일부는 음속보다 느리고 일부는 음속보다 빠른, 그 경계에 걸친 흐름이에요. 날개 윗면 일부에서 국소적으로 음속을 넘어서면서 충격파가 형성되기 시작하는 속도 구간을 가리킵니다.
왜 중요한가
현대 제트 여객기는 대부분 천음속 영역에서 순항하므로, 이 구간의 충격파 형성과 항력 상승을 이해하는 것이 순항 마하수와 연료 효율을 결정하는 핵심입니다. 초임계 에어포일과 후퇴익은 모두 천음속 유동을 다루기 위해 고안된 설계이며, 풍동에서는 벽면 간섭 때문에 천음속 시험 구간을 별도로 설계합니다. 천음속 구간은 국소적인 충격파 형성으로 항력이 급격히 늘어나기 시작하는 구간이어서, 제트 여객기는 이 구간 안에서 항력발산마하수 바로 아래로 순항 마하수를 정한다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
특수 풍동에서 실험한 결과 특정 속도 구간에서 날개 위에 약한 충격파가 나타나며 압력이 크게 변한다는 것이 확인되었다는 내용입니다.
속도가 음속에 가까워지는 좁은 구간에서 날개 표면 일부는 초음속이 되고 나머지는 아음속으로 남는 복잡한 흐름을, 형상을 바꾸어가며 살펴보았다는 의미입니다.
조금 더 깊게 보면
천음속 유동은 아음속과 초음속 영역이 한 유동장 안에 공존해 지배방정식의 성질이 국소적으로 바뀌므로 해석적 접근이 가장 어렵고, 선형화된 이론이 잘 맞지 않습니다. 비행 마하수가 1보다 작아도 날개 위 국소 유동은 초음속이 될 수 있으며, 이 때문에 임계 마하수를 넘으면 조파항력이 나타나기 시작하고 충격파가 경계층을 박리시켜 조종면 효율이 급변하기도 합니다.
주의할 점
천음속 구간은 선형 이론으로 잘 근사되지 않는 강한 비선형 영역이므로, 아음속이나 초음속에서 쓰는 단순화된 공식을 그대로 적용하면 오차가 커질 수 있습니다.