충격파인가 와류인가?

아래사진들을 보면 항공기 날개위로 수증기가 형성된 것을 볼수있다.
대개 사람들은 이것을 충격파라고 말하는데, 잘못된 것이다.

아래 사진들은 충격파가 아닌 공기 응축에 의한 결과인데, 과정은 다음과 같다.

항공기가 위 사진과 같이 받음각을 크게 하면 날개 위의 공기 흐름은 매우 빨라진다. 날개위 공기가 빨라지면서 양력이 생긴다는 것은 익히 잘아는 사실이지만, 특히 받음각이 클 경우 날개위의 공기 속도는 와류를 형성하여 더욱 빨라지며,

위 F-22 사진처럼 항공기가 선회를 하는 경우에도 받음각이 커지면서 날개위의 공기속도는 큰 와류를 일으키며 빨라진다.
또한 날개 끝부분도 매우 빠른 공기흐름이 생기는데

이러한 이유로 날개 끝 부분에 비행운이 생성된다. 결코 음속을 돌파할때 생성되는 충격파가 아니다.

위 F-4 항공기는 동체와 날개 끝 부분 모두에서 비행운이 생겼다.

A-10 항공기 날개 끝 부분에 생성된 구름.

F-14 항공기 날개 끝 비행운

비행운이 생성되는 과정은 (다소 어렵지만) 다음과 같은 과정으로 설명된다.

1. 비행기 상층부(날개위), 날개 끝에는 다른 곳 보다 빠른 공기가 흐른다.
2. 공기가 빠르게 흐르면 공기의 압력이 떨어진다(그래서 양력, 즉 비행기가 뜨는힘이 생긴다)
3. 압력이 떨어지면 중학교 때 배운 물리 원칙에 따라 온도가 낮아진다.
    (반대로 압력이 증가하면 온도가 올라간다)
4. 온도가 낮아지면 포화 수증기량이 적어진다.(여름에 습하고, 겨울에 건조한 이유)
5. 포화수증기량이 낮아지면 공기중에 포함된 수증기가 일부 응축되어 구름처럼 눈에 보이게된다.

위와 같은 과정으로 인해 항공기 후방에 짧은 몇초 동안 비행운이 생긴다.
그리고 이러한 상태는 공기중에 수증기가 많은 저공, 해상, 여름에 주로 발생한다.
그래서인지 사진도 해군 운영기종인 F-14, F-18에서 많이 볼수있다.

위 사진 F-18의 조종석 옆 부분부터 비행운이 생성된다.

항공기에서 이 부분을 스트레이크라고하는데, F-16에도 동일한 것이 있다.
이 스트레이크는 공기 소용돌이를 일으켜 양력을 증가시키기 위해 사용된다.

F-15 항공기가 급 상승을 위한 자세에서 날개 끝과 동체 상부에 비행운을 형성하고있다.

비행운은 이런 고속의 전투기만이 생기는 것은 아니다. 원리는 동일하지만 헬기나 프로펠러 항공기에서도 회전익 끝단에서 발생한다.

프로펠러 날개 끝단에서 전투기 날개 끝과 동일한 형상이 발생한다.

헬리콥터 블레이드 끝단에서 전투기 날개끝에서 생기는 현상이 발생한다.

하지만 비행기가 지나간 이후에도 한동안 남아있는 비행운이있다.
여객기에서 많이 발생하는 현상인데, 위에서 설명한 것과는 차이가있다.

이 비행운은 두가지 원리가 설명된다.

먼저 항공유에는 다량의 수분이 포함되어있다.
그리고 대기가 매우 안정화되어있는 고공에서는 수증기가 과포화상태(공기가 최대 안고있을수있는 수증기보다 더 많이 포함)로 존재하는데,
이 대기층을 엔진을 켜고 지나가면 더 많은 수분을 공급하게되고, 결국 안정된 공기+수증기를 구름화 시킨다. 겨울에 입으로 호~~ 하면 수증기가 생기는 것과 같은 원리가 되는 것이다.

또 다른 하나의 가능한 설명은 항공유 안에는 많은 불완전연소 요소가있고, 불순물이있는데, 이것들이 비행하면서 뒤로 매연을 품어 낸다.
이 불순물은 공기중에 뿌려지면서 빙정핵을 형성하여 수증기가 불순물에 들러붙게되고, 점점 주변의 공기중 물을 서로 달라붙게하여 구름이 형성되는 것이다.

위의 사진은 별도의 장치를 이용하여 스모크를 만든다. 이를 스모크와인더라 부른다.
오일을 전기 열로 태워서 만든 일종의 연기다.

아래 사진이 진정한 Shock Wave인데 이제까지 설명된 구름과는 뭔가 형태가 틀린 것을 알수있다.
콘 형태의 구름이 항공기 위아래 전체에 걸쳐있다.
반면에 공기 속도 증가 때문에 생기는 비행운은 날개위나 끝부분, 스트레이크 에서만 생겨서 그 차이가있다.
충격파는 다음글에서 설명한다.

이것이 진정한 Shock Wave... 유사품 주의