항력의 바른 이해 > 화 성

아래와 같습니다.




간단하게 그 제원을 보면,

길이 : 153.8' ( ≒ 46.9M)
직경 : 8.41' ( ≒ 8.3M)
연료로 채워진 탱크 중량 : 756.8ton
빈 연료탱크 중량 : 26.5ton

엄청난 크기와 중량을 가지고 있습니다.

탱크 내부는 어떠할까요.



연료가 채워지기 전에는 거의 빈공간이라고 해도 좋겠군요.

탱크의 구성은 크게 수소 탱크와 산소 탱크로 나뉩니다.
(앞쪽이 수소 탱크, 뒷 쪽 원추형이 산소 탱크)




두 개의 탱크를 아래 그림과 같이 조합하여 하나의 거대한 연료 탱크가 되는 것입니다.
이 연료 탱크의 무게 중심은 아래 그림처럼 거의 중앙에 위치해 있으며
도형의 무게 중심과 실제 무게 중심이 일치하도록 설계가 되어있군요.

즉, 일반적을 알고 있는 앞 쪽이 아닙니다.




동영상에서 외부 탱크가 수직으로 떨어질 경우를 가정하고
그 주변에 형성된 유선의 모양을 포함한 도해를 그려 봅니다.
아래 그림의 맨 왼 쪽이 수직으로 낙하하는 연료탱크 경우입니다.



위 그림에 대해 보충 설명을 드리면,

외부 탱크의 길이가 세장비가 크기때문에 매질에 의한 마찰 또한 커지기 쉬운 형태입니다.
탱크 후미로 갈수록 경계층 내의 유동이 탱크 표면과의 마찰로 인해 쉽게 불안정해 지겠지요.
경계층은 결국 난류로 바뀌게 됩니다.

즉, 두번 째 그림의 형태가 될 것입니다.

다시 말씀드리면 경계층은 마찰로 인해 공기 에너지가 손실되는 지역인데
에너지를 잃은 공기는 당연히 압력이 감소되고(위 그림의 붉은 색 음영 부분)
탱크는 압력이 높은 쪽으로 우력이 걸리면서 회전을 하게 되는 것입니다.
압력 항력을 받는 것이지요.

세번 째 그림의 형태로 진행될 것입니다.
(혹은 반시계 방향으로)

이러한 과정을 반복하게 된다면 저 거대한 연료 탱크는
낙하 과정을 통하여 거의 수평을 유지한 채 회전을 하면서 바다위로 떨어지겠지요.

만약, 저 연로 탱크가 저 까마득한 높은 위치에서 계속하여 수직으로 떨어진다고 가정하면?
중력가속도로 인해 수면에 도착직전의 속도는 실로 엄청난 크기가 될 것은 물론이고
그 파괴력 또한 엄청날 수 있겠습니다.

다시 사용해야 하는데(돈이 얼만데...) 파괴되면 안되겠지요?
물론 패러슈트로 감속하여 바다위로 입수하겠지만,

엄청난 속도로 낙하를 한다면 제 아무리 튼튼한 감속 장치라도 저 가속도가 붙은 엄청난 중량을
감당해내지는 못할 것입니다.

어떻게 해서든 연료 탱크를 괴롭혀서(?) 천천히 떨어지게끔 해야하니,

가급적이면 탱크에 항력을 많이 걸리도록 하여 낙하 속도를 줄이도록 설계를 하여야 한다는 것은
자명한 일이겠지요.

동영상 역시 그러한 모습을 사실대로 보여주고 있습니다.
수직으로 꽂히기 보다는 힘닿는 대로 회전을 하며 낙하를하는군요.
수직으로 꽂히는 장면은 그일부 장면 일 뿐입니다.

사진#01


ENDEAVOUR EXTERNAL TANK의 경우도 물론 유사합니다.
당연히 설계 의도가 그러하니까요.

사진#02


이와 같은 형상 항력의 영향으로,
무게 중심이 안정된 원추형 기둥이나
작게는 연필같은 종류도
높은 곳에서 떨어뜨릴 때는 뾰족한 앞부분이 먼저 떨어지는 것이 아니라
수평으로 떨어 진다는 것을 쉽게 알 수 있습니다.

단, 뾰족한 앞 부분이 먼저 떨어질 경우도 있습니다.
무게 중심의 도형의 무게 중심에서 벗어나 한쪽으로 치우칠 경우는
두말할 필요도 없이 뾰족한 부분이 아랬쪽으로 떨어질 것입니다.



무세 중심이란 말이 나왔으니 한 가지 더 언급을 해보겠습니다.

화성 탐사선 큐리오시티의 경우도 무게 중심을 극적으로(?) 활용하는 경우입니다.



일정 고도에 다다르면 기울어진 캡슐에 수평을 유지해야할 단계가 옵니다.
그때 남은 한 쪽의 텅스텐 추를 발사함으로써 비로소 캡슐은 수평을 유지하며
낙하를 할 수 있게 됩니다.

캡슐의 외관 모선부가 2중으로 각이 잡혀있는 이유는,
캡슐 주변에 형성된 유선의 분리(separation)를 촉진시킴으로써 압력 항력을 증대시키기 위함입니다.

형상 항력을 높이기 위한 좋은 예이기도 하지요.

그렇게 감속을 시도하다가 다시 2차 감속을 위해 패러슈트 감속을 시도하는 것이고요.


그 다음 단계에서 분리되는 방열판 역시 도형의 무게 중심과 실제 무게 중심은 일치하지 않습니다.

여러번 언급한 내용이지만,
hollow cone의 도형상 무게 중심은 2h/3위치에 있습니다.

그러나 저 방열판의 무게 중심은 베릴륨 헤드플레이트에 부착된 방열 블럭들이라던가
열감지 센서등 많은 장치들의 무게에 의해서 그보다 아랫 쪽에 무게중심이 위치해 있는 것입니다.

위 그림에서 빨간 점에 해당하는 위치입니다.

위 비유는 아래 캡슐의 무게 중심이 도형의 무게 중심보다
낮게 설계되었다는 표현이었습니다.