afterburner shock diamonds

전투기 사진을 보면 배기구에서 나오는 엔진 열기가 일정하게 안나오고.. 점 점 점 형태로 나오는걸 볼수 있는데 궁금해서 알아봤습니다...
일반적으로 shock diamonds라고 부르는 것 같더군요... 주로 제트기의 애프터버너 사용시에 나오는 현상이라고 합니다.

중국의 6세대 전투기

 

초음속 전투기의 배기열이 일정하지 않고 점점점(점선) 형태로 나타나는 이유는 주로 **프랫틀-마이어 팬(Prandtl-Meyer expansion fan)**과 충격파(shock wave) 및 엔진의 작동 특성과 관련이 있습니다. 

1. 초음속 배기 흐름과 충격파: 초음속 전투기의 엔진은 고속으로 가스를 배출하며, 이 배기 가스는 대기와의 압력 차이로 인해 초음속 흐름을 형성합니다. 이 흐름은 노즐을 빠져나오면서 **마하 원추(Mach cone)**와 함께 **압축 충격파(diamond shock pattern)**를 생성합니다. 이 충격파는 배기 가스가 주기적으로 압축되고 팽창하면서 점선 형태의 패턴을 만듭니다.

2. 프랫틀-마이어 팬: 배기 가스가 노즐을 벗어나 대기압과 균형을 맞추기 위해 팽창할 때, 프랫틀-마이어 팬이라는 팽창파가 형성됩니다. 이 팽창파는 배기 흐름을 가속시키고, 흐름이 대기와 상호작용하면서 불균일한 밀도 구역을 만듭니다. 이로 인해 배기열이 연속적이지 않고 구간별로 밀도가 달라지는 점선 형태로 보이게 됩니다.

3. 엔진의 맥동과 연소 특성: 전투기 엔진, 특히 애프터버너(afterburner)를 사용할 경우, 연료 분사와 연소가 주기적으로 이루어집니다. 이 과정에서 배기 가스의 온도와 압력이 순간적으로 변동하며, 배기열이 일정하지 않고 맥동(pulsation) 현상을 일으킵니다. 이 맥동은 점점점 형태의 시각적 패턴을 강화합니다.

4. 대기와의 상호작용: 초음속 비행 중 배기 가스는 주변 대기의 저압 환경과 상호작용합니다. 이 과정에서 배기 흐름이 불안정해지고, 와류(vortex)나 소용돌이(turbulence)가 발생하여 배기열이 균일하지 않은 패턴으로 나타납니다. 특히, 특정 각도에서 관찰할 때 이 패턴이 더 두드러지게 보입니다.

시각적 효과: 배기열은 고온으로 인해 공기를 이온화시키고, 이로 인해 빛의 굴절이나 적외선 방출이 발생합니다. 점선 형태는 이러한 열적, 광학적 효과가 배기 흐름의 밀도 변화와 결합하여 관찰자에게 독특한 패턴으로 나타나는 결과입니다.

 

이때 발생하는 충격파가 전투기에 기계적인 충격을 만들어 내는지 궁금해져서 알아봤습니다.
1. 충격파와 전투기 구조: 배기열에서 발생하는 충격파(shock wave)와 프랫틀-마이어 팬은 주로 엔진 노즐에서 배출된 가스가 외부 대기와 상호작용하면서 형성됩니다. 이러한 충격파는 전투기 후방의 배기 흐름에서 발생하며, 전투기 본체에는 직접적인 물리적 충격을 가하지 않습니다. 전투기의 구조는 초음속 비행 시 발생하는 강한 공기역학적 힘과 충격파를 견디도록 설계되어 있어, 배기열의 충격파가 기체에 손상을 입히는 경우는 일반적으로 없습니다.

2. 엔진과 노즐 설계: 전투기 엔진과 배기 노즐은 고온, 고압의 배기 가스와 초음속 흐름을 처리하도록 특수 제작됩니다. 노즐은 배기 가스의 팽창과 충격파를 제어하며, 이 과정에서 발생하는 힘은 노즐 내부에서 흡수되거나 분산됩니다. 따라서 배기열의 점선 형태 패턴은 엔진 작동의 자연스러운 결과이며, 기체에 구조적 충격을 유발하지 않습니다.

3. 진동과 피로: 배기 흐름의 맥동(pulsation)이나 충격파가 간접적으로 기체에 미세한 진동을 유발할 수는 있습니다. 하지만 현대 전투기는 이러한 진동을 고려해 설계되며, 고강도 합금과 진동 흡수 기술을 사용해 피로 손상을 최소화합니다. 따라서 배기열의 점선 형태 패턴 자체가 기체에 심각한 영향을 미치지는 않습니다.

4. 애프터버너 사용 시: 애프터버너를 사용할 경우 배기열과 충격파의 강도가 더 세지지만, 이는 여전히 전투기의 설계 범위 내에서 관리됩니다. 애프터버너 작동 시 발생하는 추가적인 열과 압력은 엔진과 노즐이 견딜 수 있도록 설계되었으며, 기체 구조에 직접적인 충격을 주지 않습니다.

 

An example of shock diamonds in a supersonic Liquid Oxygen-Methane engine.