[논문]화학레이저 구동용 이젝터 시스템 개발 (III) - 고출력 화학레이저용 실물 크기의 이젝터 시스템 개발 및 성능 검증 -

김세훈; 진정근; 권세진

doi:10.3795/ksme-b.2005.29.1.009

문제 정의

본 연구에서는 이러한 문제점을 극복하기 위해 Fig. 9(a)와 같이 병렬 이젝터 시스템을 구축하여 이러한 문제점을 보완하고자 하였다. 병렬 이젝터 시스템은 부유동 압력은 일정하게 하고 유량만 증가시킬 수 있으므로, 작은 크기의 이젝 터를 다수 병렬로 연결한다면 이러한 문제점을 해결할 수 있다.
본 연구에서는 연속으로 발진하는 고출력 화학 레이저의 압력 회복을 위한 초음속 이젝터 시스템에 대한 연구를 수행하였다. 작은 크기에서 얻은 형상 변수 효과를 이용하여 큰 크기인 100g/s 부유 동 유량을 확보하는 이젝터를 설계제작하여 성능평가에 성공하였고, 이젝터 길이 방향으로 벽면 압력을 측정하여 이젝터 내부의 충격파 거동을 확인할 수 있었다.
8pm 로 대기 투과성이 좋아 지상 배치 무기체계 응용을 위해서 주로 연구되었다. 본 연구에서는 지상에서 레이저 발진 조건을 확보하기 위한 구동 장치에 대한 연구를 수행하였다.
실제 레이저 발진 조건을 확보하기 위해 50g/s의 유량을 확보할 수 있는 초음속 디퓨저를 설계하여 이젝터 부유동 덕트 전단에 장치함으로써 실제 화학레이저의 압력회복 장치와 동일한 시스템을 구죽하였다. 실제 화학 레이저의 초음속 디퓨저 전 단에는 불소와 수소를 초음속으로 혼합 시키기 위한 초음속 노즐이 수십 개 배열되지만 본 연구에서는 하나의 노즐로써 이를 모사하였다. 노즐 목 면적은 2mm(높이) X 80mm(폭)이고, 확장비는 이다.

제안 방법

레이저의 출력을 높이기 위해 부유동유량을 증가시키는 방법으로 병렬 이젝터 방법을 이용하였다. 50g/s 부유동 유량을 확보하는 이젝터 두기를 병렬로 연결하여, 100g/s 부유동 유량을 얻는 한기의 이젝터와 비교 성능 평가를 수행하였다. 그 결과 부유동의 유량은 병렬 이젝터의 수가 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것을 확인하였고, 이러한 방법을 이용하면 고출력 화학 레이저 용 이젝터 시스템의 크기를 줄일 수 있을 것으로 예상된다.
50g/s 부유동 이젝터 두 기의 병렬 이젝터의 성 능평가를 위해 앞선 100g/s 부유동 이젝터 한 기 와 비교평가를 수행하였다. 두 경우 모두 100g/s 의 부유동 유량을 확보하는 시스템이고, 여기에 같은 초음속 디퓨저를 장치하여 디퓨저 벽면 압력 분포를 측정하였다.
Fig. 2와 같이 이젝터의 벽면에 길이 방향으로 다수의 압력 센서를 장치하여 주 유동 전압력이 15.9bar와 14.2bar 일 때 이젝터 벽면의 내부 압력 분포를 측정하였다. 그 결과는 Fig.
9(b)와 같이 50g/s 부유동 이젝터 두 기를 병렬화하여 하나의 부유동 챔버(chamber)에 연결하였다. 그리고 초음속 디퓨저를 부유동 챔버에 장치하여 시스템을 구축하였다.
또한 이 젝터 내의 벽면 압력변화를 측정하여 주 유동 압력 조건에서 충격파의 거동을 확인할 수 있었다. 모든 실험 형상에 대하여 상용코드를 이용한 계산을 수행하여 비교해봄으로써 크기가 확장된 이젝터 설계 방법을 검증하였다
병렬 이젝터 시스템의 성능평가를 하기에 앞서 초음속 디퓨저 내부 유 동장을 계산하였다. 이젝터 와 동일한 방법으로 상용코드인 FLUENT 를 사용하였다.
디퓨저 내의 압력은 이젝터 주유 동의 압력 변화에 큰 영향을 받지 않는데 이것은 디퓨저 입구 조건이 일정하고 출구 조건의 변화가 작기 때문이다. 본 연구를 통하여 실제 레이저 발진 조건을 확인하였고 설계 방법을 확보하였다.
5kg-2kg이다. 본 연구에서는 김«如) 등의 선행연구에서 구축한 설계 방법을 이용하여 100g/s의 부유동 유량을 50torr 이하의 부유동 압력 장을 유지하며 확보하는 초음속 이젝터를 설계하여 성능평가를 수행하였다.
앞에서 언급한 바와 같이 군사적 무기로 응용하기 위한 필요 부유동 유량은 매우 큼으로 하나의 초음속 이젝터로 구현하려면 그 크기가 매우 커진다. 본 연구에서는 병렬 이젝터 시스템을 이용하여 부유동 유량을 증가시키는 방법을 검증하였다’ 같은 설계 방법으로 50g/s의 부유동 유량을 확보하는 이젝터를 두 기 제작하여 병렬로 연결하였다. 성능평가를 위해 100g/s의 부유동 유량을 확보하는 한 기의 이젝터오- 비교 성능 검증을 수행하였다.
실제로 일정한 단면적의 덕트 (duct)에는 충격파가 존재할 수 없으나 이 차목 벽면에 초음속 경계층이 형성되므로 이 차목 후류에서의 단면적이 가장 작은 효과가 발생하게 된다. 본 연구에서는 상용코드인 FLUENT 를 이용하여 이젝터 내부의 유 동장을 계산하였다. 입구 조건으로 주 유동 전압을 16bar 그리고 부유동 전압을 대기압 조건으로 주었고, 출구 조건 또한 대기 압 조건으로 주었다.
본 연구에서는 주유 동을 축 대칭 환형 초음속 노즐을 이용하여 분사해주는 방식을 택하였고, 이 차목 형태의 디퓨저를 통하여 이젝터 작동 후 낮은 주유동 전압력 조건에서 안정된 작동을 할 수 있도록 설계하였다. 주된 설계 방법은 김“。, ")등이 사용한 설계 방법을 이용하였다.
그림에서와같이 디퓨저 내부에 파일론(pylon)을 장치하여 능동적으로 디퓨저의 길이를 짧게 할 수 있다. 본 연구에서도 레이저 발진 영역과 초음속 이젝터의 부유동 사이에 초음속 디퓨저를 장치하고 이젝터 시스템을 구축하여 실제 레이저 발진 압력을 확보하였다. 그러나 본 연구에서는 디퓨저의 크기가 크지 않아 파일론을 장치하지 않았다.
성능평가는 100g/s 이젝터 성능평가와 동일한 방법으로 하였고 디퓨저 내부 벽면의 압력분포를 측정하였다. 그 결과는 Fig.
성능평가는 압력 측정으로 이루어졌다. 부유동 을 막은 상태에서 주 유동 파이프라인(pipe line)의 밸브를 서서히 열어 주유 동의 전압력을 증가시키면 일정 압력에서 이젝터가 작동하게 된다.
2와 같다. 성능평가를 위하여 압전소자(piezoelectric) 를 이용한 압력센서 를 이용하여 이 젝터 각 위치에서의 압릭을 측정하였고, 부유동 유량은 대 기압과의 압력 차와 오리피스(orifice)의 면적을 통하여 조절하였다. 주유 동으로 사용된 고압공기탱 크의 최대압력은 30bar이고 부피는 lln? 이다.
실제 레이저 발진 조건을 확보하기 위해 50g/s의 유량을 확보할 수 있는 초음속 디퓨저를 설계하여 이젝터 부유동 덕트 전단에 장치함으로써 실제 화학레이저의 압력회복 장치와 동일한 시스템을 구죽하였다. 실제 화학 레이저의 초음속 디퓨저 전 단에는 불소와 수소를 초음속으로 혼합 시키기 위한 초음속 노즐이 수십 개 배열되지만 본 연구에서는 하나의 노즐로써 이를 모사하였다.
작은 크기에서 얻은 형상 변수 효과를 이용하여 큰 크기인 100g/s 부유 동 유량을 확보하는 이젝터를 설계제작하여 성능평가에 성공하였고, 이젝터 길이 방향으로 벽면 압력을 측정하여 이젝터 내부의 충격파 거동을 확인할 수 있었다. 실제 화학 레이저 발진 압력 조건을 얻기 위해 이젝터 부유동 덕트 전단에 초음속 디퓨저를 장치하여, 발진 영역인 초음속 디퓨저 입구 위치에서 10tOlT 미만의 압력을 확보하는 데 성공하였다. 레이저의 출력을 높이기 위해 부유동유량을 증가시키는 방법으로 병렬 이젝터 방법을 이용하였다.
성능평가를 위해 100g/s의 부유동 유량을 확보하는 한 기의 이젝터오- 비교 성능 검증을 수행하였다. 이러한 성능평가를 통하여 고출력 화학 레이저 용 이젝터 시스템의 설계 기술을 확립하였다.
본 연구에서는 상용코드인 FLUENT 를 이용하여 이젝터 내부의 유 동장을 계산하였다. 입구 조건으로 주 유동 전압을 16bar 그리고 부유동 전압을 대기압 조건으로 주었고, 출구 조건 또한 대기 압 조건으로 주었다. Fig.

대상 데이터

주된 설계 방법은 김“。, ")등이 사용한 설계 방법을 이용하였다. 설계요구 조건으로는 100g/s의 부유동 유량과 50torr 미만의 압력이다. 부유동 압력을 50ton 로 정한 이유는 초음속 디퓨저를 장치하지 않았기 때문에 5-6배의 압력 회복을 고려한 설계요구 조건이다.

데이터처리

본 연구에서는 병렬 이젝터 시스템을 이용하여 부유동 유량을 증가시키는 방법을 검증하였다’ 같은 설계 방법으로 50g/s의 부유동 유량을 확보하는 이젝터를 두 기 제작하여 병렬로 연결하였다. 성능평가를 위해 100g/s의 부유동 유량을 확보하는 한 기의 이젝터오- 비교 성능 검증을 수행하였다. 이러한 성능평가를 통하여 고출력 화학 레이저 용 이젝터 시스템의 설계 기술을 확립하였다.

이론/모형

본 연구에서는 주유 동을 축 대칭 환형 초음속 노즐을 이용하여 분사해주는 방식을 택하였고, 이 차목 형태의 디퓨저를 통하여 이젝터 작동 후 낮은 주유동 전압력 조건에서 안정된 작동을 할 수 있도록 설계하였다. 주된 설계 방법은 김“。, ")등이 사용한 설계 방법을 이용하였다. 설계요구 조건으로는 100g/s의 부유동 유량과 50torr 미만의 압력이다.
실제 화학 레이저 발진 압력 조건을 얻기 위해 이젝터 부유동 덕트 전단에 초음속 디퓨저를 장치하여, 발진 영역인 초음속 디퓨저 입구 위치에서 10tOlT 미만의 압력을 확보하는 데 성공하였다. 레이저의 출력을 높이기 위해 부유동유량을 증가시키는 방법으로 병렬 이젝터 방법을 이용하였다. 50g/s 부유동 유량을 확보하는 이젝터 두기를 병렬로 연결하여, 100g/s 부유동 유량을 얻는 한기의 이젝터와 비교 성능 평가를 수행하였다.

성능/효과

50g/s 부유동 유량을 확보하는 이젝터 두기를 병렬로 연결하여, 100g/s 부유동 유량을 얻는 한기의 이젝터와 비교 성능 평가를 수행하였다. 그 결과 부유동의 유량은 병렬 이젝터의 수가 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것을 확인하였고, 이러한 방법을 이용하면 고출력 화학 레이저 용 이젝터 시스템의 크기를 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 실험과 함께 상용코드를 이용한 계산을 함께 수행하여 이젝터 내부 유동의 거동을 확인하였고, 이젝터 및 디퓨저 설계 기술을 검증할 수 있었다.
11에서 계산 결과를 같이 비교하였다. 두 실험값과 계산 결과가 잘 일치하는 것을 볼 수 있고, 레이저 발진 영역에서 lOtorr 미만의 압력이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이 결과를 통하여 부유동 유량을 증가시키기 위해 병렬 이젝터 시스템을 이용한 방법이 효과적임을 확인할 수 있었다.
계산에서 실험과 같이 이 차목 후단에 급격한 압력상승이 확인되었다. 또한 이차 목 전단에 경사충격파가 형성하여 이 차목 후단까지 이어져 있는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
그 결과 부유동의 유량은 병렬 이젝터의 수가 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것을 확인하였고, 이러한 방법을 이용하면 고출력 화학 레이저 용 이젝터 시스템의 크기를 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 실험과 함께 상용코드를 이용한 계산을 함께 수행하여 이젝터 내부 유동의 거동을 확인하였고, 이젝터 및 디퓨저 설계 기술을 검증할 수 있었다. 현재과산화수소 촉매 반응을 이용한 가스 발 생기를 연구 중이며 시스템화를 통하여 보다 작은 크기의 화학 레이저 구동장치를 구축할 수 있을 것으로 예상된다.
두 실험값과 계산 결과가 잘 일치하는 것을 볼 수 있고, 레이저 발진 영역에서 lOtorr 미만의 압력이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이 결과를 통하여 부유동 유량을 증가시키기 위해 병렬 이젝터 시스템을 이용한 방법이 효과적임을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 연속으로 발진하는 고출력 화학 레이저의 압력 회복을 위한 초음속 이젝터 시스템에 대한 연구를 수행하였다. 작은 크기에서 얻은 형상 변수 효과를 이용하여 큰 크기인 100g/s 부유 동 유량을 확보하는 이젝터를 설계제작하여 성능평가에 성공하였고, 이젝터 길이 방향으로 벽면 압력을 측정하여 이젝터 내부의 충격파 거동을 확인할 수 있었다. 실제 화학 레이저 발진 압력 조건을 얻기 위해 이젝터 부유동 덕트 전단에 초음속 디퓨저를 장치하여, 발진 영역인 초음속 디퓨저 입구 위치에서 10tOlT 미만의 압력을 확보하는 데 성공하였다.

후속연구

실험과 함께 상용코드를 이용한 계산을 함께 수행하여 이젝터 내부 유동의 거동을 확인하였고, 이젝터 및 디퓨저 설계 기술을 검증할 수 있었다. 현재과산화수소 촉매 반응을 이용한 가스 발 생기를 연구 중이며 시스템화를 통하여 보다 작은 크기의 화학 레이저 구동장치를 구축할 수 있을 것으로 예상된다.

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