극초음속의 혁신으로 음속의 10배로 비행하는 비행기 가능

초음속 여행을 열망에서 현실로 바꾸는 데 중점을 두고 있는 Nicholaus Parziale 교수는 “정말로 지구가 줄어들고 있습니다”라고 말합니다. Parziale는 최근 극한 속도의 유체 역학에 대한 연구를 인정받아 과학자 및 엔지니어를 위한 대통령 조기 경력 상을 받았습니다. “여행을 더 빠르고, 쉽고, 즐겁게 만들 것입니다.”

마하 10의 속도로 비행하는 도전

단 한 시간 안에 세계의 절반을 커버하는 것은 불가능해 보일 수 있지만 기술은 보이는 것만큼 멀지 않습니다. 일부 군용 항공기는 이미 마하 2 또는 마하 3의 속도에 도달했는데, 이는 음속의 2~3배에 달하는 속도를 의미합니다. 마하 1은 시속 약 760마일에 해당합니다. 로스앤젤레스에서 시드니까지 60분 만에 이동하려면 항공기가 마하 10에 도달해야 합니다. 가장 큰 장애물은 이러한 극한 속도로 비행하는 동안 발생하는 엄청난 난기류와 열입니다.

낮은 속도에서 항공기 주변의 공기가 움직이는 방식과 더 빠른 속도에서 공기가 움직이는 방식 사이에는 근본적인 차이가 있습니다. 엔지니어들은 이러한 조건을 비압축성 흐름과 압축성 흐름으로 설명합니다. 더 낮은 속도(시속 약 마하 0.3 또는 225마일 미만)에서 발생하는 비압축성 흐름에서는 공기 밀도가 거의 동일하게 유지됩니다. 이러한 일관성은 항공 설계를 단순화합니다. 항공기가 음속보다 빠르게 움직이면 공기 흐름은 대신 압축 가능해집니다. “그 이유는 가스가 ‘눌러질’ 수 있기 때문입니다.”라고 Parziale은 설명합니다. 이는 압축할 수 있다는 의미입니다.

극초음속 설계에 공기 흐름 동작이 중요한 이유

공기가 압축되면 압력과 온도의 변화에 ​​따라 밀도가 변합니다. 이러한 변화는 항공기가 주변 공기와 상호 작용하는 방식에 영향을 미칩니다. “압축성은 공기 흐름이 몸 주위를 흐르는 방식에 영향을 미치며 이륙하거나 공중에 머무르는 데 필요한 양력, 항력 및 추력과 같은 것들을 변경할 수 있습니다.” 이러한 모든 요소는 항공기 설계에 중요한 역할을 합니다.

엔지니어들은 이미 “낮은 마하” 수치라고 불리는 음속 이하 또는 그 근처로 비행하는 항공기의 공기 흐름을 상당히 잘 이해하고 있습니다. 극초음속 항공기를 만들려면 마하 5, 마하 6, 심지어 마하 10에서 공기가 어떻게 행동하는지에 대한 더 깊은 이해가 필요합니다. 모르코빈의 가설에서 제공하는 지침을 제외하면 이러한 행동의 대부분은 여전히 ​​불확실합니다.

모르코빈의 가설과 극초음속 난류의 미스터리

20세기 중반 Mark Morkovin이 개발한 이 가설은 공기가 마하 5 또는 마하 6 정도로 이동할 때 난류의 기본 특성이 저속에서의 난류와 놀라울 정도로 유사하다고 제안합니다. 고속 기류는 온도와 밀도의 더 큰 변화를 수반하지만 Morkovin은 난류 운동의 일반적인 패턴이 대부분 일관되게 유지된다고 제안했습니다. “기본적으로 Morkovin의 가설은 난류 공기가 저속에서 고속으로 이동하는 방식이 크게 다르지 않다는 것을 의미합니다.”라고 Parziale은 말합니다. “가설이 맞다면 이렇게 빠른 속도에서 난류를 이해하는 데 완전히 새로운 방법이 필요하지 않다는 뜻입니다. 느린 흐름에 사용하는 것과 동일한 개념을 사용할 수 있습니다.” 이는 또한 미래의 극초음속 항공기가 완전히 다른 설계 철학을 요구하지 않을 수도 있음을 시사합니다.

그 중요성에도 불구하고 이 가설은 확실한 실험적 검증이 부족했습니다. 이러한 격차는 2025년 11월 12일 Nature Communications에 게재된 Morkovin 가설을 뒷받침하는 초음속 난류 수량 연구에 설명된 Parziale의 최근 연구로 이어졌습니다.

11년에 걸쳐 진행된 레이저 및 크립톤 실험

이번 연구에서 Parziale 팀은 크립톤 가스를 풍동에 도입하고 레이저를 사용하여 이를 이온화했습니다. 이 과정을 통해 크립톤 원자에 의해 형성된 직선의 빛나는 선이 잠깐 생성되었습니다. 그런 다음 고해상도 카메라는 이 조명 선이 기류를 통해 이동할 때 어떻게 구부러지고, 뒤틀리고, 왜곡되는지를 포착했습니다. 이는 잎이 강의 작은 소용돌이 흐름 내에서 표류하고 회전하는 방식과 유사합니다. “이 선이 가스와 함께 움직이면 흐름의 주름과 구조를 볼 수 있으며, 이를 통해 난류에 대해 많은 것을 배울 수 있습니다.”라고 Parziale은 말합니다. 그는 실험 장치를 개발하는 데 11년의 노력이 필요하다고 지적했습니다. “그리고 우리가 발견한 것은 마하 6에서 난류 거동이 비압축성 흐름에 매우 가깝다는 것입니다.”

Parziale의 그룹은 2016년 공군 과학 연구실 젊은 연구자 연구 프로그램(YIP), 2020년 해군 연구실(ONR) YIP로부터 초기 지원을 받았으며 최신 작업도 ONR의 자금 지원을 받았습니다.

미래의 비행 및 우주 접근에 대한 연구 결과의 의미

Morkovin의 가설은 아직 완전히 입증되지 않았지만 새로운 결과를 통해 과학자들은 극초음속을 견딜 수 있는 항공기를 설계하는 방법을 더 잘 이해할 수 있게 되었습니다. 연구 결과에 따르면 엔지니어는 이러한 극한 조건에 대해 항공기 설계에 대한 근본적인 접근 방식을 재창조할 필요가 없으며, 이는 과제를 크게 단순화합니다.

“오늘날 우리는 비행기를 설계하기 위해 컴퓨터를 사용해야 하며, 마하 6의 속도로 비행하는 비행기를 설계하기 위해 컴퓨터 리소스를 사용하여 모든 작고 미세한 세부 사항을 시뮬레이션하는 것은 불가능할 것입니다.”라고 Parziale은 설명합니다. “Morkovin의 가설을 통해 우리는 가정을 단순화하여 극초음속 차량을 설계하기 위한 계산 요구 사항을 더욱 실현 가능하게 만들 수 있습니다.”

Parziale은 동일한 원칙이 미래의 우주 접근을 변화시킬 수 있다고 덧붙였습니다. “초음속으로 비행하는 비행기를 만들 수 있다면 로켓을 발사하는 대신 우주로 날아갈 수도 있습니다. 그러면 지구 저궤도를 오가는 운송이 더 쉬워질 것입니다.”라고 그는 말합니다. “지구뿐 아니라 저궤도 운송의 판도를 바꾸는 획기적인 기술이 될 것입니다.”