극초음속 미사일 만들기 힘들다

1. 무선 통신이 힘듦

일단 개빨라서 생기는 플라즈마 꼬리때문에 무선 통신이 거의 힘듬. 개빨라서 공기분자랑 부딫히면 공기분자와 비행체 구성요소가 동시에 이온화되버리고

이게 전하를 띈 상태로 뒤쪽으로 쭉 끌려나가서 통신이 안되도록 막아버림. 그래서 통신을 원활이 유지하는것도 기술이 필요함.

또 비행체 특성상 고고도를 비행해야해서 지형정보 읽기도 쉽지 않다. 그럼 얘를 어떻게 목표지점까지 유도하냐가 문제임.

2. 사거리가 길수록, 속도가 빠를수록 Inlet 혹은 기체 전방, 날개의 Leading edge 부분에서 삭마(Ablation)이 일어남

인렛 삭마가 일어나면 위 사진과 같이 압축성 쇼크가 카울쪽에 정렬이 안일어나서 난류유동이나 역배압이 걸려서 엔진 자체가 Flame-out 될 수 있음.

물론 이건 HGV(Hypersonic Glide Vehicle)에는 크게 문제 없는 얘기임.

이건 진짜 재료공학으로 해결해야한다. 초음속 이상의 비행체의 날개나 인렛은 뭉특(Blunt) 하지 않고 날카로운 모양인데, 이는 초음속 비행중 발생하는

Leading edge 에서의 조파 항력(Wave drag)를 줄이기 위해서 다이아몬드 형태로 설계를 하는데, 문제는 극초음속 비행 조건에서 날카로운 끝부분이 

공력가열(Aerodynamic heating)로 자꾸 깎여나가서 결국엔 뭉특해져버리는 현상이 발생한다. 이렇게 뭉개져버리면 결국엔 Blunt 형상이 되어서

보우 샥(Bow shock)을 유도하게 되고, 보우샥 특성상 항력을 많이 발생시켜 속도를 크게 감소시키게 된다.

물론 이 원리를 이용해서 오리온 우주선이나 스페이스X의 블루드래건 같은 종 모양 비행체가 공력 가열을 적게 겪으면서도 속도를 효율적으로

감속 시킬 수 있는것임.

3. 초음속-극초음속 비행하에서 제어 날개(Control surface)로 비행체의 자세를 제어하는게 극도로 어려움(=비행 안정성 문제)

공돌이들이 모두 배우는 필수 과목인 비행동역학에 나와있듯이 항공기는 Lateral Stability, Longitudinal Stability, Directional stability 에 따라

스핀에 빠지거나 회복하는 속도가 달라짐. 이 안정성 문제는 항공기의 무게중심, 공력중심, 추력중심과 날개나 핀의 모양에 따라서 달라진다.

근데 극초음속에서는 날개나 제어면을 크게 만들 수가 없다. 극초음속으로 움직이면서 발생하는 동압과 공력가열을 버티려면 최대한 튼튼하면서도 가벼워야하고

따라서 큰 날개를 만드면 공력가열과 동압이 더 많이 발생해서 어느정도 trade-off 해야됨. 다행스럽게도 airflow가 빠르면 제어면적과 날개면적이 작아도

공기의 속도로 양력과 제어력이 어느정도 커버가 된다.

근데 Stability는 그런 문제가 아님. 초음속-극초음속 비행에서 안정성 문제를 간과했다가 좆된 케이스가 바로 F-104(이라고 읽고 과부제조기라고 읽음)임.

초음속 이상 순항에서는 필연적으로 충격파가 발생하며 충격파는 공기의 흐름을 불연속적으로 바꿔놓고 이는 날개에 공급되는 공기의 온도, 압력, 속도와 방향등이 다 제각각으로 바뀐다는 뜻임. 그러면 날개 표면에 흐르는 공기의 박리 현상이 생기거나 난류가 생기게 되어 양력 효율이 극히 떨어지는 경우도 생김.

또 공력 가열 문제도 심각한데, 공력가열이 생기면 공기분자의 퍼텐셜 에너지가 올라가고 이는 분자 진동이나 해리, 이온화 등이 발생하는 원인이됨. 이러면 유동을 예측하기가 매우 어려워서 안정성 예측도 힘들어진다.

4. 극초음속 순항 미사일(HCM, Hypersonic Cruise Missile)의 엔진인 SCRAMjet의 문제

Ram jet과 SCRAM jet은 근본적으로 같은 원리임. 공기의 속도와 공기가 흐르는 형상을 이용하여 공기를 압축하는 램 압축효과를 이용하는 것임.

이러면 엔진 앞쪽에서 공기를 압축시켜주는 압축기 구조가 불필요하게 되어 엔진 무게가 극적으로 가벼워지고 신뢰성도 매우 올라간다.

RamJet은 미티어 미사일 등에서 이미 구현이 되어 조금씩 사용되고 있는데 SCRam jet은 엔진에 불 붙이는 난이도부터가 괴랄함.

위 사진은 Mach 2.5 유동 조건에서 연소실에 불 피우는거임. 연료를 태울려면 공기랑 잘 섞여서 가능한 완전 연소가 일어나도록 해야 효율과 추력이 좋아지는데

문제는 공기 흐름이 너무너무 빨라서 저 연소실에 있는 시간이 마이크로초 단위밖에 안된다는거다.

예를들어 연소실 길이가 1.2m라고 가정하고 Mach 2.5 = 대충 340.34ms * 2.5 = 850.85m/s 이니까 연소실에 들어간 공기가 머무르는 시간은 

1.2/850.85 = 0.0014s = 1.4ms = 1400us, 즉 1.4마이크로초밖에 안됨.

저 짧은 시간동안 공기랑 연료를 Mixing해서 불 붙이고 팽창까지 시켜야됨.

쉽게 얘기하면 매미급 태풍 불 때 서귀포 바닷가에서 성냥을 켜서 불꽃을 유지하는거라고 생각하면 됨.

근데 HGV는 엔진이 없으니까 그나마 훨씬 낫다.

결론.

1. 개 빨라서 문제가됨

2. 공력 가열과 충격파 때문에 기체 근처 공기 유동이 개판임

3. 불 붙일 시간도 없이 공기가 지나쳐버림

4. 하지만 팍스 아메리카나 질서를 유지하기 위해서 현재도 미국 버거 성님들이 갈려나가고 있음.

5. 우리나라도 HyCore 라는 HCM 방식의 극초음속 비행체 만들고 있다.