연구실 탐방 (Propulsion and Combustion Lab, 지도교수: 백승욱)

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추진 및 연소실험실은 1985년 설립된 이래로 추진 및 연소 분야에 다양한 연구를 수행하고 있습니다. 특히 복사 열전달 분야에서는 세계적인 수준의 연구를 진행해 오고 있으며 기계공학 및 항공우주공학에서 연소현상 중 열복사가 미치는 영향을 조사하기 위해 수치적인 기법을 이용하여 해석연구를 수행하여 왔습니다. 또한 Monte-Carlo 기법을 이용한 희박영역에서의 열전달 효과뿐만 아니라 대류, 전도, 복사 효과를 고려한 역열전달 해석 기법 등 다양한 해석기법을 적용한 수치해석 분야에서 수준높은 연구를 진행하여 왔습니다. 실험적 연구분야에서는 친환경 추진제 개발을 위한 젤 추진제의 연소 및 유변학적 특성 연구와 다양한 연료의 단일액적 증발 및 연소연구를 통한 연소효율 연구를 진행해 오고 있으며, 전기장을 이용한 확산화염에서의 연소특성연구를 진행해 오고 있습니다. 이외의 정보는 연구실 홈페이지 http://procom.kaist.ac.kr 에서 확인하실 수 있습니다.  

 

 

전기장이 확산 화염에 미치는 영향 연구

확산 화염은 연료와 산화제가 미리 섞여있지 않은 상태로 각각 공급되어 만들어 지는 화염을 일컫습니다. 전기장이 확산화염에 미치는 영향에 대한 연구는, 확산 화염에 전기장을 인가할 때, 화염의 내/외적인 변화를 관찰하는 연구입니다. 화염 내부에는 많은 양의 양이온과 음이온들이 존재합니다. 이들 이온들과 전기장과의 상호작용을 이용하는 것이 본 연구의 핵심입니다. 전기장의 방향 및 세기에 따라 화염은 매우 다양한 변화를 보입니다. 화염의 형상 변화에서부터 화염 내부 온도 변화, 그을음(soot) 발생량, 복사 열 전달률, 대류 열전달률, NOx 생성량, 연소 시간 변화 등 여러 물리 화학적 변화를 보입니다. 이를 이용하여 높은 열전달률을 가지지만 NOx 생성량은 적은 화염을 만들거나, 완전연소에 가까운 화염을 만드는 등, 생활과 산업에 도움이 될 만한 결과물을 기대할 수 있습니다.

 

(a)                                  (b)                                          (c)

그림 1. 전기장의 방향에 따른 화염 형상변화  (a): 0V, (b): -5kV, (c): +5kV

 

다양한 연료의 단일액적 증발 및 연소효율 연구

단일액적의 증발 및 연소효율 연구는 스프레이 연소연구를 위한 기초 연구로서 배가스, 잔열 및 주위 액적들의 효과를 배제하여 순수 연료액적의 특성을 파악할 수 있는 연구입니다. 초고속 카메라를 이용하여 액적의 증발과정 및 연소과정을 담아 각각의 이미지들을 분석 프로그램을 이용하여 액적 크기 변화를 분석할 수 있습니다. 또한 점화지연과 연소율 측정을 통해 연소특성을 분석하고 열전대를 이용하여 액적 내부의 온도변화를 관측할 수 있습니다. 연료로는 단일성분의 연료뿐만 아니라 연소효율을 높이기 위해 여러 가지 첨가물을 섞어 제작하고 있습니다. 그 중 하나는 나노고체입자를 첨가하여 연료를 제작하는데 이러한 나노고체입자는 액체연료보다 발열량이 높아 연소효율을 높일 수 있습니다. 나노첨가제를 혼합한 연료는 액체 추진제와 고체추진제의 장점을 결합한 새로운 대체 연료로 사용될 수 있습니다. 그리고 연료와 물을 혼합한 에멀젼 연료가 또 하나의 대체 연료가 될 수 있습니다. 물과 연료는 서로 섞이지 않지만 초음파분산기를 이용하여 나노사이즈로 혼합하면 일정 시간 안정된 연료를 제작할 수 있습니다. 에멀젼 연료의 특징으로는 NOx 및 배기가스를 크게 저감시킬 수 있다는 점입니다. 현재 세계적으로 공해물질 저감을 위해 더욱더 강한 규제를 시행하고 있고 이러한 규제를 만족시키기 위하여 새로운 기술개발이 이뤄지고 있는데 에멀젼 연료는 이러한 규제를 만족시키기 위한 하나의 대안이 될 수 있습니다. 그리고 물에 의한 미세폭발 현상은 액적을 미립화하여 완전연소에 가까워지므로 연소효율을 크게 향상 시킬 수 있어 차기 대체 연료로 주목받고 있습니다.

 

  

그림 2 첨가물과 연료의 혼합과정 및 단일 액적 연소 과정

 

젤 추진제 합성 및 응용 연구

항공우주 추진시스템에서 사용되고 있는 액체 및 고체 추진제는 사용 목적에 따라 다양한 화학 물질들이 개발되어 왔습니다. 초기에는 성능을 최우선시 함에 따라 추진제의 종류에 제한 없이 사용되어 왔지만, 최근 들어 친환경적이면서도 비용이 적게 드는 추진제에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 이런 목적을 달성하기 위해서 젤 추진제가 가장 유력한 해결방안으로 손꼽히고 있습니다. 젤 추진제는 연료 및 산화제에 적절한 젤화제를 첨가하여 물리적, 화학적 특성을 변화시켜 복잡한 유변학적 특성을 갖게 한 것입니다. 젤 추진제를 사용하는 시스템은 액체 추진제의 장점인 제어의 용이성, 높은 에너지 밀도와 비추력을 가지며 이와 동시에 고체 추진제의 장점인 저장성, 취급성, 비누설성, 안정성도 확보할 수 있습니다. 특히 젤 이원추진제 추력 시스템은 따로 저장된 연료와 산화제가 젤 상태라는 것만 제외하면 액체 추진 시스템과 유사하여 활용도가 높습니다. 젤 추진제는 비뉴턴 유체의 특성을 보이므로 관 내부에서의 거동과 미립화 및 분사를 예측하기 어려운데, 이를 위해 유변학적 특성 분석과 점화 지연 등 연소 특성을 함께 연구하고 있습니다. 연소열을 높이기 위해 금속 나노입자를 첨가하거나 반응성을 높이기 위해 촉매를 섞기도 합니다. 젤화 연료에 촉매를 섞었을 때는 산화제와 접촉하는 순간 점화하게 되며 이를 자동점화성 연료라고 부릅니다. 자동점화성 젤화 연료를 활용하면 별도의 점화 장치가 필요하지 않기 때문에 시스템의 구조가 단순하면서도 신뢰성이 높아 다양한 추진기관에의 활용이 기대됩니다.

 

 

그림 3 Ethanol-MC(10 wt%) 젤 (왼쪽)과 Ethanol-MC(11 wt%) 젤 (가운데) 및 H2O2-SiO2(7 wt%) 젤

 

 

그림 4 과산화수소와 접촉한 자동점화성 젤화 연료

 

항공기 추진기관 적외선 감소 기술 연구

항공기 배기 플륨 유동의 적외선 신호 특성과 관련해서 국외에서는 미국을 중심으로 이미 고급 IR 기술 적용 단계까지 마친 상태이며 F-22, B-2, F-35, Rafale, AH-64 등의 전투기에 적용하여 운용 중입니다. 미사일의 로켓엔진과 관련하여 1970년대부터 연구가 활발히 이루어졌고, 항공기 엔진의 IR 특성과 미사일 방어 개념과 연관된 연구가 많이 진행되어 오고 있습니다. IR 특성의 이론적 예측과 관련하여 배기 플륨 유동장에서의 온도, 압력, 수증기, 이산화탄소, 일산화탄소 등의 성분 분포가 중요한데, 미국을 비롯한 선진국에서는 표준 플륨 유동장 (SPF; Standard Plume Flow-Field) 코드 및 표준 적외선 전파 모델 (SIRRM; Standardized Infrared Radiation Model)을 다수 개발하여 사용 중에 있습니다. 미사일 방어 개념과 관련하여서는 높은 고도에서의 유동특성이 중요하게 되어, DSMC와 같은 희박기체 유동에 관한 연구도 병행하고 있습니다. 또한 이론적 예측값을 실험이나 비행시험을 통해 검증하고 그 차이점을 교정하여 예측도구의 신뢰도를 향상시키고 있습니다. 하지만 이 분야 또한 미사일 기술과 밀접한 관련이 있어 국제 기술교류가 엄격히 규제되어 외국기관의 접근이 아주 어려운 편입니다. 이에 항공기 추진기관에 대한 해석을 바탕으로 열유동 및 IR 신호 발생 메카니즘 (엔진의 고온 부품, 배기 노즐, Tail-Pipe 고온 부품에서 발생하는 연속적 방사 IR 신호와 배기가스 Plume에서 발생하는 선 방사 IR 신호)에 관한 이해를 바탕으로 항공기(유/무인 전투기) 생존성을 향상시키기 위한 추진기관 IR 신호 감소설계 기반기술을 구축하고자 하는 연구입니다.

그림 5 적외선 감소 기술 연구 목표

 

편집         손대성[son5963@kaist.ac.kr]