연구실 탐방(Hypersonics Lab. 지도교수 : 박기수)

---

 

 극초음속 연구실(Hypersonics Lab.)은 극초음속 유동의 복합적인 특성에 대해 실험적인 연구를 하는 연구실입니다.

 

 고공환경 모사기법, 계측 기법, 공광학 기술, 공기열역학 이론 등 몇몇 중요한 기술적 요소를 토대로 극초음속 유동에서 발생되는 여러 현상들에 대하 연구를 진행 중입니다. 세부적으로는 우주파편, 스크램제트, 표면 촉매 재결합, 삭마, 공광학, 분광학에 대하여 연구 중입니다. 이러한 연구를 통해 극초음속 유동장에서 발생하는 복잡한 현상들에 대해 실험적으로 규명하고자 합니다.

 

 

[ 연구영역 1 ] Space Debris

 

 현재 지구 정지궤도 및 저궤도에는 인공위성 및 로켓 부품에서 발생한 우주쓰레기들이 떠다니고 있습니다. 알폰소 쿠아론 감독의 2013년 작품, <그래비티>를 보셨다면, 이 우주쓰레기들의 위력과 위험성을 잘 와닿으시리라 생각합니다. 저희 랩은 이와 같은 우주 쓰레기들의 궤도를 예측하고 해당 우주쓰레기가 지구로 재진입하였을 경우 생존성 및 지상 피해 영역을 연구하고 있습니다.

 

그림 1. 인공위성 재진입 과정 중의 파괴 모식도

 

 

[ 연구영역 2 ] Scramjet Testing

 

 스크램제트란 마하 5 이상의 극초음속 영역에서 운용이 상정되어 있는 공기 흡입식 추진기관을 의미합니다. 일반 제트엔진과 달리 압축기를 사용하지 않고 충격파 구조를 이용하여 공기를 고온/고압으로 압축하여 작동하는 엔진입니다. 아래의 그림은 모델 스크램제트 내부에서 연소를 성공시킨 실험 결과를 나타낸 것이며, 추후 힘 측정 기술 확보를 통하여 모델 스크램제트에서의 추력 측정을 목표로 하고 있습니다.

그림 2. 모델 스크램제트 내부에서 초음속 연소

 

[ 연구영역 3 ] Surface Catalytic

 

 극초음속 유동에서는 유동 후단에 높은 온도장이 형성되며, 이 높은 온도장에 의해 질소 및 산소 분자가 해리되어버립니다. 해리반응으로 생성된 산소원자가 비행체 표면에 흡착되며 이중 일부는 날아오는 산소 원자와 촉매 반응하여 재결합하거나 비행체 재료 원자와 반응하여 떨어져 나갑니다. 이때, 결합 반응들은 발열 반응이므로 비행체 표면의 열 전달량을 크게 상승시킵니다. 그리고 이와 같은 결합 반응들은 표면의 온도 및 거칠기에 큰 영향을 받는 특징을 가집니다. 본 연구실은 실기체 영향에 의한 열 유량 변화를 측정하여 이를 수치해석 결과와 비교하여 촉매-산화 반응에 대한 연구를 진행하고 있습니다.

 

그림 3. 열유속 센서(Thin Film Gauge)와 실험을 통해 측정된 시간에 따른 열유속 변화

 

[ 연구영역 4 ] Ablation

 

 극초음속 유동에서는 유동 후방에 높은 온도장이 형성됩니다. 그로인해 용융, 산화, 해리, 재결합 등 다양한 화학반응 및 상변화로 인한 삭마현상이 발생하게 됩니다. 저희 연구실은 이와 같은 극초음속 유동 영역에서의 열전달 및 삭마현상에 대해 실험적 그리고 수치 해석적으로 연구를 진행하고 있습니다. 이때, 실험적 연구는 옥시-케로신 토치를 이용한 삭마환경 지상 실험 모사를 통해 이루어지며, 이를 통해 내삭마성 재료 개발 및 열차폐 코팅 등을 통한 삭마 방지 등의 연구를 진행합니다. 또한 수치 해석적 연구로는 ANSYS를 이용한 극초음속 유동장 특성 파악을 진행하며, 수치해석 코드를 이용하여 삭마과정을 예측하는 코드를 개발하고 있습니다.

 

그림 4. 열차폐 재료 코팅 날개의 내삭마성 실험 모습

 

[ 연구영역 5 ] Aero-Optics

 

 극초음속 유동에서는 충격파 및 경계층의 상호작용으로 인하여 Shock-Layer가 생겨 유동의 교란이 강화됩니다. 유동장의 교란으로 밀도장이 교란되고 이는 곧 광학 측정에 큰 오차를 야기합니다. 이와 같은 극초음속 유동장 교란에 따른 광학 이미지 왜곡을 측정하고 이를 보정하는 공광학에 대한 연구를 진행하고 있습니다.

 

그림 5. 공광학 연구 모식도

 

[ 연구영역 6 ] Spectroscopy

 

 극초음속 비행 환경에서는 Shock Layer 와 Entropy Layer의 존재로 인하여 기체의 열적, 화학적 평형이 이루어지기 쉽지 않습니다. 분광학을 통해 기체 상태 파악과 복사 열전달량을 측정할 수 있으며 이는 비행체 설계에 있어 매우 중요합니다. 그 외 흡수 분광학 도한 저온이나 상온의 기체 성질파악에 있어 매우 유용하며, 극초음속 유동에 대하여 온도, 압력, 몰분율, 속도 등을 측정할 수 있습니다. 현재 권오준 교수님 연구실과 협업하여 복사 계산 프로그램인 SPRADIAN을 이용한 실험 및 수치해석 연구를 진행하고 있습니다.

 

그림 6. OH A-X transition을 이용한 온도 측정

편집         이재호[barbossa0412@kaist.ac.kr]