Research Highlight

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이번 리서치 하이라이트에서는 권오준 교수님의 전산공기역학 및 최적설계 실험실(CADOL)에서 수행하는 연구에 대하여 소개하겠습니다. 해당 연구실에서는 헬리콥터나 풍력 터빈 주위의 비정상 유동 해석, 난류 유동 모델링, 전산유체역학 알고리즘 개발, 극초음속 유동의 열물리 현상 모델링 등의 연구가 두루 수행되고 있습니다. 이번 Research Highlight에서는 위에 나열된 항목 중 극초음속 유동의 열물리 현상 모델링에 대하여 설명하도록 하겠습니다.

 

극초음속 비행 환경

일반적인 의미의 극초음속 비행 환경은 비행체가 음파의 전파 속도보다 약 5배 이상 빠른 속도로 대기 중을 비행할 때 형성되는 주변 환경을 의미합니다. 대표적으로 우주 발사체, 스크램제트 엔진 비행체, 행성 대기 진입 비행체 등이 극초음속 비행 환경에서 작동됩니다. 이러한 환경에서는 유체의 흐름에 대한 공기역학적 접근과 그 속의 입자에 대한 열물리 모델링이 함께 수행되어야 합니다. 또한 수반되는 현상의 난해함으로 인해, 이론적 모델링과 실험적 접근법을 동시에 적용함으로써 기대할 수 있는 시너지 효과가 비교적 크다고 할 수 있습니다. 따라서, 극초음속 분야의 다양한 주제가 활발히 연구되고 있는 극초음속학 실험실(박기수 교수님 지도)과 공동 연구도 수행되고 있습니다.

이번 Research Highlight에서는 지구 재진입 비행체에 작용하는 공력 가열량 예측 기법 관련 연구에 대하여 소개하고자 합니다. 우주 공간으로부터 행성 대기로 진입하는 비행체의 선두부는 대류(convective) 열전달을 감소시키기 위한 목적으로, 무딘 형태로 설계됩니다(그림1). 이 때, 비행체 전방에 형성되는 강한 궁형 충격파(bow shock)를 지나며 소산되는 유체의 운동 에너지가 내부 에너지로 전환되고, 이에 따라 유체를 구성하는 입자는 들뜸(excitation) 상태가 됩니다. 입자의 들뜸은 해리(dissociation)와 이온화(ionization) 등을 거쳐서 평형상태로 이완되는 복잡한 열물리 현상(그림2)을 야기합니다. 이 과정에서 비행체 표면으로의 복사(radiative) 가열이 발생되는데, 약 10 km/s에 이르는 극초음속 재진입 비행 속도에서는 총 가열량의 약 30%를 차지하게 됩니다. 따라서, 관련 우주 탐사 미션의 성공률을 높이기 위해서는 복사 가열량에 대한 정확한 예측이 필요합니다.

 

   

                                                                         그림 1. 행성 대기 진입 비행체                                                                   그림 2. 비행체 선두부 주위 열물리 현상

 

분자의 거동과 복사 가열량의 관계

복사 가열량을 예측하기 위해서는 입자의 내부 에너지 분포를 알아야 합니다. 열화학적 비평형 현상이 두드러지게 나타나는 지구 재진입 비행의 경우(그림3), 내부 에너지의 분포는 일반적인 볼츠만(Boltzmann) 분포에서 벗어나게 됩니다. 이러한 ‘비볼츠만(non-Boltzmann)’ 분포는 입자 사이의 충돌과 그에 따른 들뜸, 이온화, 해리, 복사 천이 과정 등을 포함한 마스터(Master) 방정식을 통해 모델링 될 수 있습니다. 마스터 방정식을 해석하기 위해서는 각 과정에 대한 반응 계수가 필요합니다. 실험을 통해 반응 계수를 측정하는 데에는 한계가 있기 때문에, 기존의 연구는 다소 부정확한 경험식에 의존하여 수행되었습니다. 하지만, 최근에 계산 양자역학의 비약적인 발전에 힘입어, 정확성이 향상된 반응 계수가 발표되고 있으며, 이에 따라 관련 연구에 대한 관심도 높아지고 있습니다.

그림 4는 최근 발표된 반응 계수를 적용하여 얻은 질소 원자의 비볼츠만 분포를 나타냅니다. 열화학적 비평형 현상이 두드러지는 조건이므로, 평형을 의미하는 볼츠만 분포와 이온화 상태를 나타내는 Saha-Boltzmann 분포 사이에 해당하는 내부 에너지 분포를 갖게 됩니다. 이러한 비볼츠만에 해당하는 내부 에너지의 분포를 정확히 예측해야하는 이유는, 내부 에너지의 분포에 따라 복사 가열량의 예측 값이 상이하게 나타나기 때문입니다(그림 5). 비볼츠만 분포로부터 예측된 가열량은 볼츠만 분포에 의한 가열량 보다 더 적은 값을 나타냅니다. 그 이유는 해리, 이온화, 복사 천이 등에 의한, 높은 에너지 준위의 고갈(depletion)이 고려되었기 때문입니다. 높은 에너지 준위의 점유(population)량이 감소하면서, 방출되는 복사 열량도 감소하게 됩니다(그림 4, 5). 공력 가열로부터 비행체를 보호하기 위한, 열차폐물(Thermal Protection System, TPS)의 제원은 설계 단계에서 결정되어야 합니다. 이 과정에서, 복사 가열량을 정확하게 예측할 수 있다면, 보다 낮은 안전 여유(safety margin)를 적용할 수 있고, 이에 따라, 예산 절감의 효과도 얻을 수 있게 됩니다.

 

 

    

                           그림 3. 열화학적 비평형 온도 분포                               그림 4. 내부 에너지의 비볼츠만 분포                           그림 5. 내부 에너지 분포에 따른 복사 가열량

 

실제 재진입 환경의 공력 가열량 예측

본 연구실에서는 다양한 행성 대기 진입 조건에 적용할 수 있는 복사 모델을 개발하고 있습니다. 이 과정에서, 최근 측정된 실험 데이터와 최신 반응 계수 등을 적용함으로써 모델의 신뢰성을 높이기 위한 연구를 수행하고 있습니다. 최근 개발된 복사 모델을 이용해, 미국 NASA에서 측정한 비행 실험 데이터와 비교하였고, 이를 통해 복사 모델의 우수성을 입증하였습니다⁽¹⁾.

그림 6과 그림 7에 FIRE (Flight Investigation Re-entry Environment) 프로그램에 대한 비교 결과를 나타내었습니다. FIRE 프로그램은 1965년, NASA Langley 연구센터에서 열차폐물 설계 데이터를 확보하기 위한 목적으로 수행된 비행 실험입니다. 본 연구실에서 개발된 복사 모델에 의한 결과(그림 6: Frost-Tayal, 그림 7: Present)와 미국을 비롯한 세계 유수의 연구 그룹의 결과를 비교하였습니다. 최근 발표된 타 연구 결과와 비교하여 보다 향상된 정확성을 가지는 것을 알 수 있습니다. 이는 적용된 반응 계수의 높은 신뢰성과 더불어, 개발된 복사 스펙트럼 예측 모델의 정확성 향상에 기인한 것으로 판단됩니다. 미국의 달 탐사 성공 이후 수십년이 흘렀지만, 행성 대기 진입 비행체 주위의 극초음속 유동에 대한 열물리 모델링은 여전히 다양한 불확실성 요소를 내포하고 있습니다. 따라서, 세계의 주요 항공우주 분야 강대국에서는 관련 연구를 활발히 진행하고 있습니다. 본 연구실에서는, 보다 향상된 정확도의 복사 모델을 제안하고, 이를 바탕으로 CFD 해석에 접목시킬 수 있는 근사 모델 관련 연구를 수행할 계획입니다.

 

 

  

                                                             그림 6. 비행 궤적에 따른 복사 가열량 비교                      그림 7. 비행 궤적에 따른 공력 가열량 비교

 

(1): Jo, S. M., Park, G., Kwon, O. J., “Prediction of stagnation-point radiative heating for Fire II,” 31st International Symposium on Shock Waves, Nagoya University, Nagoya, Japan, 2017. 07. 09-14. (우수발표논문상 수상)

 

 

편집         김태진[sll9794@kaist.ac.kr]