Research Highlight

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이번 Research Highlight에서는 박기수 교수님의 극초음속 연구실(Hypersonics Laboratory)에서 수행하는 연구에 대하여 소개하겠습니다. 극초음속 연구실에서는 모델 스크램제트에서의 화염 유지 특성 연구, 극초음속 정체 유동의 발광 분광 특성 연구, 극초음속 정체 유동에 의한 표면 삭마 연구, 지상 시험 장비를 이용한 고고도 환경 모사 기법 연구, 작은 우주쓰레기 낙하 및 재진입 따른 궤적 예측 연구, 실기체 영향을 고려한 기체-표면 반응 연구, 고속 유동에서의 공광학 연구를 진행하고 있습니다. 이번 Research Highlight에서는 모델 스크램제트에서의 화염 유지 특성 연구를 소개하도록 하겠습니다.

 

극초음속 공기 흡입식 추진 기관

제트 엔진은 고속 제트를 분출시켜 발생하는 반작용으로 추진하는 엔진입니다. 흡입한 공기가 회전 압축기를 지나면서 고온 고압으로 압축되고, 이 공기에 연료를 태워 고속의 제트를 얻는 방식으로 구동됩니다. 제트 엔진은 높은 경제성과 성능 그리고 신뢰성으로 인하여 현재 항공기용 엔진으로 널리 사용되고 있습니다. 하지만 제트 엔진을 이용하여 마하 1 이상 즉 초음속으로 비행하게 될 경우, 충격파 발생에 따른 회전 압축기와 터빈 블레이드에 손상 및 성능 저하를 야기할 수 있습니다. 따라서 초음속 비행체를 위한 새로운 추진 기관 개발의 필요성이 대두되게 됩니다. 이에 따라 전세계적으로 연구가 이루어졌으며 렘제트 엔진과 스크램제트 엔진은 그 연구 결과 중 하나입니다.

일반적인 제트 엔진과 달리 램제트 및 스크램제트 엔진은 회전 압축기와 터빈을 가지지 않습니다. 다만 초음속 유동에서 발생하는 충격파를 이용하여 공기를 고온 고압으로 압축시킵니다. 그리고 이 고온 고압 유동에 연료를 연소 시키고 노즐로 배출하는 방식으로 구동됩니다. 전체적인 구동 방식은 제트 엔진과 같지만 회전 압축기와 터빈이 존재하지 않기 때문에 시스템의 복잡성이 낮아지는 장점을 가지는 한편, 별도의 산화제를 탑재하지 않기 때문에 로켓 엔진보다도 더 좋은 무게 대비 추력을 갖게 됩니다.

 

그림 1. 스크램제트 엔진의 모식도 [NASA]

 

하지만 램제트 및 스크램제트 엔진의 성공적인 개발을 위해서는 초음속 유동의 안정적인 압축 및 고속 유동장 내에서의 화염 유지 연구가 필수적입니다. 특히 마하 5 이상의 극초음속 비행이 상정되어 있는 스크램제트 엔진의 경우 연소기 내부 유동 감속에 따른 급격한 온도 상승을 피하기 위하여 연소기 내부 유동을 초음속으로 유지한 채 연료 혼합 및 점화 그리고 화염 유지를 실시합니다. 이와 같은 연료 혼합 및 점화 그리고 화염 유지의 과정이 초음속 연소기 내부에서 수 ms 내에 일어나야 안정적인 엔진 구동이 가능하게 됩니다. 한편 케로신으로 대표되는 탄화 수소계열 연료는 수소 연료에 비해 높은 에너지 밀도를 가지지만 수소 연료에 비하여 긴 점화 시간을 갖습니다. 따라서 탄화 수소 계열의 연료를 사용하는 스크램제트 엔진 개발을 위해서는 추가적인 화염 점화 및 유지 기술이 요구됩니다. 가장 보편적으로 사용되는 방법은 연소기 내부에 공동을 설치하여 유동 재순환 영역을 만들어 연료 공기 혼합과 점화를 아음속 영역에서 실시하는 방법입니다.

국내외 탄화수소 계열 연료를 사용하는 스크램제트 연구를 살펴보면 대부분의 실험 연구가 연소기 내부 환경만을 모의하는 데에 국한되어 있습니다. 또한 직접적인 화염 발달 형태 및 유지 현상에 관한 연구는 적었으며, 대부분이 압력 계측을 통한 연소 성능 평가입니다. 이에 본 연구실에서는 충격파 터널을 이용하여 흡입구와 연소기가 결합된 모델 스크램제트에 대한 에틸렌 화염 유지 특성을 실험하였습니다.

 

충격파 터널을 이용한 모델 스크램제트 실험

그림 2는 극초음속 연구실에서 보유 중인 20m 수준의 충격파 터널을 나타내고 있습니다, 충격파 터널은 다른 지상 시험 장비에 비해 더 다양한 유동 환경을 모사 가능하며, 운용이 간단하다는 장점을 가지고 있어 전세계적으로 널리 사용되고 있습니다. 해당 시험 장비와 그림 3과 같은 이중압축 흡입구 모델 스크램제트를 이용하여 에틸렌 화염 유지 실험을 진행하였습니다. 모델은 이중압축 흡입구를 가지고 있으며 연소기 내부에는 공동이 설치되어 있습니다. 또한 흡입구와 공동 전단에 연료 분사 모듈을 설치하여 연료 분사 위치에 따른 화염 유지 특성 차이를 분석할 수 있습니다. 또한 모델 상단에 카울을 설치하여 연소기 내부 환경을 모사하였습니다.

 

그림 2. 극초음속 연구실에서 보유 중인 20m 급 충격파 터널의 모식도와 전경.

 

그림 .3 이중 압축 모델 스크램제트와 카울의 모식도.

 

초음속 유동장 가시화 결과

에틸렌 화염 유지 실험에 앞서 모델 스크램제트 주위 유동의 발달을 확인하기 위하여 쉐도우 그래프 기법을 이용하여 유동장을 가시화하였습니다. 쉐도우그래프 기법은 유동의 밀도장 변화를 이용하여 유동장을 가시화하는 기법입니다. 시간에 따른 유동장 가시화 결과 다음과 같은 결과를 얻었습니다. 그림 4에서 흡입구 유동장 가시화 결과를 보면 이중 압축 흡입구 형상에 따라 두 개의 경사 충격파가 발생하고 카울에서 반사되어 연소기 내부로 유입되는 것이 확인됩니다. 그림 5에서 반사 충격파와 연소기 입구에서 발생한 박리파의 상호작용으로 연소기 내부 충격파 구조를 형성하는 것이 관찰됩니다.

그림 4. 흡입구 유동장 가시화 결과

 

그림 .5 연소기 내부 유동장 가시화 결과

 

에틸렌 화염 유지 결과

본 Research Highlight에서는 공동 전단 분사에 대하여 당량비 변화에 따른 화염 유지 특성 변화를 요약하였습니다. 그림 6은 화염 발광 찰영 결과를 보여주고 있습니다. 각각의 당량비는 0.082, 0.163, 그리고 0.245입니다. 실험 유동의 전온도는 약 1780 K이며 전엔탈피는 1.70 MJ/kg입니다. 결과를 보면 고려된 모든 당량비에 대하여 공동 램프에서 에틸렌 점화가 관찰됩니다. 또한 공동 내부 및 공동 후류부로 전파되고 에틸린 화염이 유지되는 것이 관찰됩니다. 당량비 증가에 따른 화염 유지 특성 변화를 비교하면, 당량비가 증가함에 따라 공동 후류부의 에틸렌 화염 높이가 높아지는 것이 관찰됩니다. 이는 본 실험에서 당량비를 증가하는 방법과 관련된 것으로 사료됩니다. 본 실험에서 당량비는 연료 분사구 수를 증가시키는 방법을 통하여 이루어졌습니다. 즉 분사구 수 증가로 인하여 연료량이 늘어난 한편 연료제트와 연소기 내부 유동 사이의 상호작용으로 인한 유동 감속이 심해져 공동 후류부의 아음속 영역이 늘어나 그림 6과 같은 결과가 나타난 것으로 사료됩니다.

 

그림 6. 공동전단 분사에 대하여 당량비가 화염 유지 특성에 미치는 영향

 

 

 

 

편집         정병학[byeonghak92@kaist.ac.kr]