연구실 탐방 (Advanced Propulsion & Energy Lab)

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 KAIST Advanced Propulsion and Combustion Lab. (APCL)은 항공우주, 국방, 에너지 분야의 핵심 기술인 추진 및 연소 시스템을 연구하는 곳입니다. 본 연구실은 극초음속 공기흡입 추진, 고에너지 밀도 연료, 스마트 추진제 개발, 실험 연구 및 다중물리 기반 해석 등 기초부터 시스템 수준까지 아우르는 연구를 수행하며, 차세대 추진·에너지 기술 혁신을 선도하는 것을 목표로 하고 있습니다.

 

“추진·연소 기술은 여전히 에너지 전환의 핵심입니다.”

 

자동차와 항공기, 발전소부터 로켓과 미사일까지, 추진과 연소 기술은 오늘날 가장 중요한 에너지 변환 수단으로 자리하고 있습니다. 운송·발전 분야에서는 효율 향상과 배출 저감이 주요 과제이며, 항공우주·국방 분야에서는 고속·고에너지·고성능 추진 시스템이 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 특히 극초음속 및 차세대 추진 분야는 정부와 산업계의 큰 관심과 투자가 이어지고 있습니다. 따라서 추진·연소 및 열유체 공학은 운송, 에너지, 우주, 국방 전반에서 필수적인 분야이며, 앞으로의 혁신이 미래의 에너지·추진 시스템을 이끌 것입니다.

 

< Ongoing Need for Innovation in Propulsion and Combustion Technologies  ​ >

 

APCL 연구실의 주요 연구 방향은 극초음속 공기흡입 추진시스템 적용을 위한 연료 기술 개발에 있습니다. 대표적인 예가 스크램제트 엔진인데, 이는 마하 5 이상의 초고속에서 작동하면서 극심한 열 부하를 견뎌야 합니다. 이를 해결하기 위해 연료가 단순한 에너지원이 아니라, 재생 냉각을 통한 열관리 매체로도 활용됩니다. 동시에 연료는 마하 2 이상의 초음속 유동 조건에서 분사되어, 불과 수 밀리초 안에 미립화, 혼합, 점화, 연소가 모두 완료되어야 합니다. 이 과정이 제대로 이루어지지 않으면 화염 안정화와 추력 확보가 불가능합니다. 따라서 열관리와 연소 제어를 동시에 해결하는 복합적 난제는, 본 연구실에서 수행하는 연료 중심의 화학·열유체 융합 연구가 극초음속 추진 기술 발전에 중요한 역할을 함을 잘 보여줍니다.

 

 

 

< Example: Fuel-Related Challenges in Air-Breathing Scramjets >

 

 

APCL 연구실에서 진행 중인 대표 연구는 국방과학연구소와 방위사업청이 지원하는 미래도전 국방기술 과제입니다. 본 프로젝트의 목표는 극초음속 비행체에 적용할 다기능성 나노흡열연료를 개발하는 것입니다. 극초음속 비행체는 대기권 내에서 초고속으로 비행하기 때문에 극심한 열환경과 매우 짧은 체류 시간으로 인한 연소 효율 저하라는 두 가지 난제를 동시에 겪습니다. 이를 해결하기 위해 본 연구팀은 흡열 기능, 촉매 분해, 연소 성능 향상 기능을 통합한 새로운 연료 플랫폼을 개발하고 있습니다. 이 과정에는 나노촉매 합성과 표면 개질, 분자동역학 기반의 연료 화학 모델링, 재생냉각 시스템 설계 및 실험, 그리고 초음속 유동 조건에서의 연료 분사 및 연소 시험까지 포함됩니다.

 

 

 

< Multi-Functional Nano-Endothermic Fuels for Advanced Hypersonic Propulsion (미래도전국방기술과제, DAPA/ADD, 총괄책임자)  >

 

 

APCL의 또 다른 핵심 연구는 최첨단 광학 진단 기술을 활용한 고성능·청정 추진 시스템 개발입니다. 본 연구의 목표는 고온·고압·고속의 극한 조건에서 연소와 유동장을 초고해상도 광학 기법으로 정량 분석하여, 차세대 추진 기술의 기반 데이터를 확보하는 데 있습니다. 이러한 연구는 연소 메커니즘을 정량적으로 규명하는 데 기여하고 있으며, 그 성과는 국제연소학회에서 최우수 논문상을 수상하며 국제적으로 인정받았습니다. 더불어, 고해상도 실험 데이터는 고정밀 시뮬레이션(LES 등)의 모델 검증 및 해석 신뢰도를 높이는 데 활용되고 있습니다. 현재 연구실은 Sandia National Laboratories 등 세계 유수의 기관과 활발한 공동연구를 진행 중입니다. 이를 통해 실험–시뮬레이션–국제협력이 유기적으로 연결된 연구 체계를 구축하고, 국제적 위상을 강화하고 있습니다.

 

 

 

< Enabling High-Performance and Clean Propulsion via Advanced Optical Diagnostics  >

 

 

다음으로 소개할 연구는 고에너지 고체연료 개발입니다. 본 연구는 분자 수준의 설계부터 시스템 구현까지 아우르는 통합적 접근을 특징으로 합니다. 본 연구팀은 고체 연료의 연소 특성 실험과 수치 해석, 분자동역학 시뮬레이션, 그리고 초소형위성 추진용 마이크로 추력기 개발까지 다양한 과제를 수행하고 있습니다. 특히, 고체연료 램제트 플랫폼을 활용해 고온·고속 유동 환경에서 연료의 후퇴율과 연소 성능을 계측하고 있으며, 이를 기반으로 고체 램제트 추진기관을 연구 중입니다. 이처럼 고체연료 연구는 국방 및 우주 분야에서의 차세대 추진 기술 확보로 이어지며, 실험–해석–시스템 개발을 아우르는 연구실의 강점을 잘 보여주고 있습니다.

 

 

 

 

< Development of High-Energy Solid Fuels and Propellants for Atmospheric and Space Propulsion: From Molecular Design to System-Level Testing >

 

 

APCL 연구실은 수소 연료 기반 차세대 항공엔진 개발에도 주력하고 있습니다. 항공 수송 분야에서 실질적인 탄소중립을 달성하기 위해서는 지속가능 항공연료와 더불어 수소 연료 전환이 필수적입니다. 이를 위해 연소 시스템의 재설계부터 극저온 저장·운용 기술까지 전방위적인 연구가 요구되며, 이는 국가 전략기술로 지정된 항공우주와 수소 분야의 핵심 도전과제이기도 합니다. APCL은 이러한 연구를 통해 탄소중립 시대를 선도할 항공 추진 혁신을 위한 기반 기술을 만들어가고 있습니다.

 

관심 있는 학부생, 대학원생, 박사후연구원의 많은 지원을 기대합니다. 

 

 

 

 

< Multi-scale and Multi-physics: Towards Next-Generation Hydrogen-powered Aeroengines >

 

 

 

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원문       심형섭 교수[hyungsub.sim@kaist.ac.kr]

편집                            이은혁[lehx01@kaist.ac.kr]