휘트콤의 면적 법칙이 동체를 잘라내자 제트기는 더 이상 음속 장벽과 싸우지 않았다

1950년대 초 제트 설계자들은 마하 1 근처에서 계속 벽에 부딪혔다. 항력은 부품별로 계산한 풍동 예측보다 훨씬 빠르게 증가했다. 마하 1.2를 목표로 설계된 컨베어의 F-102 요격기는 마하 1조차 도달하지 못했다. 이 프로그램은 낙관적인 풍동 수치에 기대고 있었다. 1951년 말 랭글리에서의 강연에서 아돌프 부제만은 천음속 흐름을 단단한 '흐름관'으로 묘사하며 엔지니어들이 '배관공'이 되어야 한다고 농담했다. 며칠 후 리처드 휘트콤은 날개의 관과 동체의 관이 서로 간섭하고 있다는 깨달음을 얻었다.

1952년 휘트콤의 실험은 NACA 보고서 1273으로 발표되어 이 법칙을 정량화했다. 음속 근처에서 양력이 없는 상태의 항력 증가는 주로 전체 형상에 대해 기류에 수직인 단면적의 축방향 분포에 달려 있다. 날개를 붙이면 그 곡선에 돌출부가 생기고, 날개가 만나는 곳에서 동체를 오목하게 만들면 다시 매끄러워진다. NACA는 1952년부터 이 법칙을 미국 산업계에 비밀리에 전달했고, 컨베어는 F-102의 동체를 오목하게 만들고 후방 체적을 추가하여 설계 속도 마하 1.2에 도달했으며, 그루먼은 처음부터 이 법칙을 중심으로 F-11 타이거를 설계했다.

이 형상 설계는 곳곳으로 퍼졌고 별명도 굳어졌다. F-102와 노스롭 F-5는 '나는 콜라병'이라는 별명을 얻었다. 이 법칙의 후예들은 보이지 않지만 어디에나 있다. 보잉 747과 B-1 랜서 조종석 뒤의 융기, F-22의 캐노피 배치, 그리고 마하 2에서 파동 항력을 1.8% 줄인 콩코드의 3.73미터 후방 동체 연장이 그것이다.

부품이 아니라 전체 항공기의 단면적을 형상화하라

마하 1 근처의 파동 항력은 항공기 전체의 속성이다. 각 구성 요소를 개별적으로 유선형화하는 데 최적화하는 것은 잘못된 양을 최적화하는 것이었고, 바로 그것이 F-102의 예측이 실패한 이유다.

동체를 잘록하게 만드는 것은 구조적 비용이 적고 추력도 들지 않는다. 반면 뻔한 대안인 항력 피크를 돌파하기 위해 점점 더 큰 엔진을 다는 것은 전체 비행 동안 무게와 연료를 소모했다.

휘트콤은 부품이 아니라 완전한 날개-동체 조합을 랭글리 고속 풍동에서 시험했기에, 구성 요소 항력 계수가 아니라 면적 곡선을 볼 수 있었다.

부제만의 '흐름관' 틀이 사고 모델을 제공했다. 음속 근처의 공기는 단단한 관처럼 거동하며, 서로 부풀어 오르는 관은 정상 충격파와 항력을 만든다.

NACA는 1952년부터 이 법칙을 미국 산업계에 비밀리에 유포했기에, 아직 발표되지 않은 상태에서 컨베어와 그루먼이 이를 적용했다.

눈앞의 구성 요소가 아니라 비용을 결정하는 양을 최적화하라. 동체는 단독으로는 완벽하게 유선형으로 보일 수 있지만 날개가 붙는 순간 문제가 될 수 있다 — 시스템의 곡선을 형상화하라.

면적 법칙은 일회성 구제책이 아니라 천음속 설계의 상시 도구가 되었다. F-102 프로그램을 구했고 F-106, F-5, B-58을 형상화했으며, 여객기와 비즈니스 제트의 혹등 프로파일에 살아남았다. 로버트 T. 존스는 1956년 이를 초음속 면적 법칙으로 확장했고, 콩코드의 후방 동체 연장을 이끌었다. 휘트콤은 1954년 콜리어 트로피를 받았고 랭글리에 남아 초임계 익형과 윙렛이라는 두 가지 추가 돌파구를 만들어냈다. 더 깊은 유산은 습관이다. 어떤 단일 부품을 다듬기 전에 단면적 분포를 확인하라.