마하수에 대해 설명해보세요.

마하수란 음속에 비하여 속도가 얼마나 되는지를 나타내는 값으로 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

여기에서 v는 물체의 속도, a는 음속이다. 음속은 공기의 밀도 및 온도에 따라 변화하므로 속도가 일정하다고 하더라도 공기역학적인 조건에 따라 마하수가 변화하게 된다.

마하수의 범위에 따라 M<0.8일 때를 아음속이라고 하며, 특히 M<0.3인 조건에서는 공기가 압축되면서 발생하는 공기역학적 효과를 무시해도 좋을 정도로 압축성 효과가 약하므로 일반적인 공학적 문제에서는 이 조건으로 가정하고 압축성 효과를 무시한다.

0.8<M<1의 영역에서는 일반적으로 이 영역의 유동장을 지나가는 물체표면에 부분적으로 충격파가 발생한다. 이러한 특성으로 이 영역은 아음속과 초음속의 특성이 혼재되어있는 영역으로 천음속 영역이라고 한다.

1<M<5의 영역은 초음속 영역이라고 한다. 이 조건에서는 물체의 앞에서 공기의 압력과 밀도가 급격히 변화하는 지점이 발생하는데 이것을 충격파라고 부른다. 이 때 충격파의 형태에 따라 활 모양 충격파(Bow Shockwave)와 경사충격파(Oblique Shockwave)로 나눈다.

M>5인 영역은 극초음속 영역이라고 하는데, 이 영역에서는 충격파뿐만 아니라 유체의 점성에 의한 공력가열현상으로 인해 화학반응이 일어나기 시작한다.

비행기가 공기 중에서 비행할 때, 마하수 1.0을 넘는 경우를 초음속 비행이라고 한다. 초음속 비행을 할 때 비행체 주위에서는 충격파가 생성되며, 충격파를 전후로 공기의 성질이 급격히 변화하고 공기저항이 급속히 커진다. 따라서 초음속 비행기 등에서는 가능한 한 충격파가 발생하지 않도록 하는 많은 연구가 진행되고 있다.