내경 1.5 mm, 외경 4.8 mm를 갖는 엔탈피 탐침을 설계 제작하고, 17 kW급 비이송식 직류 아크히터로부터 나오는 고엔탈피 Ar 아크 플라즈마 유동의 중심축을 따라 삽입하면서 탐침 첨두가 파괴될 때까지 온도와 속도를 측정하였다. 이 실험으로부터, 설계된 엔탈피 탐침은 대기압 조건에서 최대 12,000 K 의 온도와 600 m/s 의 속도를 갖는 고엔탈피아크 플라즈마 유동장에 대해 탐침 첨두의 파괴 없이 동작할 수 있음을 관찰하였다. 탐침첨두에서 형성되는 비압축성 열경계층 및 열속 방정식으로부터 이 경우의 아크 플라즈마 유동은 약 ${\sim}5{\times}10^7\;W/m^2$의 열속 부하를 전달한 것으로 추측되었다. 이로부터, 설계된 엔탈피 탐침은 $0{\sim}5{\times}10^7\;W/m^2$의 열속 범위 내에서 다양한 형태의 아크히터로부터 발생되는 넓은 범위의 플라즈마 온도, 속도 및 농도를 동시에 측정할 수 있을 것으로 기대된다.
내경 1.5 mm, 외경 4.8 mm를 갖는 엔탈피 탐침을 설계 제작하고, 17 kW급 비이송식 직류 아크히터로부터 나오는 고엔탈피 Ar 아크 플라즈마 유동의 중심축을 따라 삽입하면서 탐침 첨두가 파괴될 때까지 온도와 속도를 측정하였다. 이 실험으로부터, 설계된 엔탈피 탐침은 대기압 조건에서 최대 12,000 K 의 온도와 600 m/s 의 속도를 갖는 고엔탈피아크 플라즈마 유동장에 대해 탐침 첨두의 파괴 없이 동작할 수 있음을 관찰하였다. 탐침첨두에서 형성되는 비압축성 열경계층 및 열속 방정식으로부터 이 경우의 아크 플라즈마 유동은 약 ${\sim}5{\times}10^7\;W/m^2$의 열속 부하를 전달한 것으로 추측되었다. 이로부터, 설계된 엔탈피 탐침은 $0{\sim}5{\times}10^7\;W/m^2$의 열속 범위 내에서 다양한 형태의 아크히터로부터 발생되는 넓은 범위의 플라즈마 온도, 속도 및 농도를 동시에 측정할 수 있을 것으로 기대된다.
Enthalpy probe with the inner and outer diameters of 1.5 mm and 4.8 mm, respectively, is designed and used to measure the temperatures and velocities along the centerline of Ar arc plasma flow until the probe was destroyed. For this purpose, Ar arc plasma flow is generated by non-transferred type DC...
Enthalpy probe with the inner and outer diameters of 1.5 mm and 4.8 mm, respectively, is designed and used to measure the temperatures and velocities along the centerline of Ar arc plasma flow until the probe was destroyed. For this purpose, Ar arc plasma flow is generated by non-transferred type DC arc heater with the power level of 17 kW. From this experiment, it is shown that the designed enthalpy probe can measure the temperature and velocity of arc plasma flow up to 12,000 K and 600 m/s, respectively, without destroy of probe tip. In this extreme case, the arc plasma flow is calculated to transfer the heat flux of ${\sim}5{\times}10^7\;W/m^2$ to the probe based on the heat and thermal boundary equations near the forward stagnation point of a body immersed in arc plasma flow. Consequently, the designed enthalpy probe can measure the wide ranges of plasma temperatures, velocities and concentrations simultaneously, which are generated by various types of arc heaters within the heat flux ranges of $0{\sim}5{\times}10^7\;W/m^2$ on the probe tip.
Enthalpy probe with the inner and outer diameters of 1.5 mm and 4.8 mm, respectively, is designed and used to measure the temperatures and velocities along the centerline of Ar arc plasma flow until the probe was destroyed. For this purpose, Ar arc plasma flow is generated by non-transferred type DC arc heater with the power level of 17 kW. From this experiment, it is shown that the designed enthalpy probe can measure the temperature and velocity of arc plasma flow up to 12,000 K and 600 m/s, respectively, without destroy of probe tip. In this extreme case, the arc plasma flow is calculated to transfer the heat flux of ${\sim}5{\times}10^7\;W/m^2$ to the probe based on the heat and thermal boundary equations near the forward stagnation point of a body immersed in arc plasma flow. Consequently, the designed enthalpy probe can measure the wide ranges of plasma temperatures, velocities and concentrations simultaneously, which are generated by various types of arc heaters within the heat flux ranges of $0{\sim}5{\times}10^7\;W/m^2$ on the probe tip.
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문제 정의
4 MW 급 아크히터 장비와 관련 부대 지원 설비를 구축 중에 있으며, 특히, 구축한 아크히터로부터 발생되는 아크 플라즈마 유동의 온도, 속도 및 엔탈피 특성을 동시에 진단하기 위해 엔탈피 탐침법의 적용 가능성을 검토하고 있다. 본 논문에서는 내경 1.5 mm, 외경 4.8 mm를 갖는 엔탈피 탐침을 설계 제작하고, 이를 17 kW급 비이송식 직류 아크히터로부터 나오는 고엔탈피 Ar 아크 플라즈마 유동에 삽입하여, 설계된 탐침이 견딜 수 있는최대 열속 부하 조건에서 플라즈마 온도와 속도 측정 실험을 수행함으로써, 향후, 구축 예정인2.4 MW 급 아크히터 장치의 기본 진단기법으로서의 타당성을 살펴보고자 한다. 이 실험에서 사용된 17 kW급 비이송식 직류 아크히터의 경우, 2.
가설 설정
또한, 본 논문에서는 실험이 상압에서 수행되었으므로, 마하수가 상대적으로 작은 비압축성 유동일 것으로 기대할 수 있고, 이에 따라, # 역시 상압이라 가정하였다.
제안 방법
Fig. 4와 Table 1과 같은 토치 및 운전조건에서 발생된 아크 플라즈마 유동에 대해, 엔탈피 탐침을 아크히터 노즐로부터 22 mm (z = 22mm) 떨어진 곳에서 시작하여 노즐 중심축을 따라 2 mm 씩 노즐 가까이 다가가면서 측정 실험을 수행하였으며 아크히터 노즐로부터 16 mm(z = 16 mm) 떨어진 지점에서 탐침 첨두 부분의 파손이 발생함을 관찰하였다. 이 관찰을 바탕으로 Fig.
냉각수 온도 상승 및 엔탈피 탐침을 통과한 플라즈마 기체의 출구 온도를 측정하기 위해, 오차범위 ±0.25 ℃를 갖는 -type 열전대 3개를 사용하였으며, 열전대로부터 나오는 전압신호 획득 및 처리를 위해 SCXI와 PXI 장치를 이용하였다.
3의 개략도에 나타낸 바와 같이, 엔탈피 탐침을 중심으로 냉각수 공급 라인과 플라즈마 기체 포집 라인으로 구성되며, 탐침 이송장치 및 데이터 획득장치와 결합되어 플라즈마 특성 진단 실험을 수행할 수 있도록 설계되었다. 냉각수는 수돗물을 필터로 여과한 후, 최고 83 기압에서 6 lpm의 냉각수를 흘릴 수 있는 용적식 펌프를 사용하여 공급하였으며, 냉각수 유량은 오차범위 3% 이내인 터빈 유량계를 냉각수 공급라인 출구 쪽에 설치하여 측정하였다. 탐침 내부를
유지시켜주고, 금속관 사이의 틈새로 냉각수 공급이 가능하도록 하였다. 엔탈피 탐침을 구동하기 위한 엔탈피 탐침 시스템은 Fig. 3의 개략도에 나타낸 바와 같이, 엔탈피 탐침을 중심으로 냉각수 공급 라인과 플라즈마 기체 포집 라인으로 구성되며, 탐침 이송장치 및 데이터 획득장치와 결합되어 플라즈마 특성 진단 실험을 수행할 수 있도록 설계되었다. 냉각수는 수돗물을 필터로 여과한 후, 최고 83 기압에서 6 lpm의 냉각수를 흘릴 수 있는 용적식 펌프를 사용하여 공급하였으며, 냉각수 유량은 오차범위 3% 이내인 터빈 유량계를 냉각수 공급라인 출구 쪽에 설치하여 측정하였다.
5 mm를 유지하도록 동축으로 배열한 뒤, 안쪽 관과 바깥쪽 관을 레이저 용접하여 제작하였다. 이런 식으로 제작된 엔탈피 탐침을 3개의 분할체로 구성된 알루미늄 몸체에 연결하여 각 금속관의 동축을
유지시켜주고, 금속관 사이의 틈새로 냉각수 공급이 가능하도록 하였다. 엔탈피 탐침을 구동하기 위한 엔탈피 탐침 시스템은 Fig.
전북대학교에서 구축 중인 2.4 MW 급 지상 공력가열장치의 아크 플라즈마 유동 특성 측정을 위해 엔탈피 탐침법을 적용하기 위한 기본적인 실험을 내경 1.5 mm, 외경 4.8 mm를 갖는 엔탈피 탐침을 설계 제작하고 17 kW 급 비이송식 직류 아크히터를 사용하여 수행하였다. 실험 결과, 17 kW 급 아크히터의 경우, 중심축을 중심으로 직경 약 4 mm, 길이 약 22 mm 이내의 영역에서 플라즈마 온도 10,000 K , 속도 400 m/s
냉각수는 수돗물을 필터로 여과한 후, 최고 83 기압에서 6 lpm의 냉각수를 흘릴 수 있는 용적식 펌프를 사용하여 공급하였으며, 냉각수 유량은 오차범위 3% 이내인 터빈 유량계를 냉각수 공급라인 출구 쪽에 설치하여 측정하였다. 탐침 내부를
통과하는 플라즈마 기체 유량은 1.7%의 계측 오차 범위를 가지는 MFC(Mass Flow Controller)를 사용하여 일정하게 제어가능하도록 하였으며, MFC 동작에 필요한 압력차 유지를 위해 진공펌프를 사용하였다. 0-30 kPa 범위의 차압계 (계측 오차 범위 ± 300 Pa)를 기체 포집 라인에 설치하여 플라즈마 기체의 정압을 측정하였으며, 이를 식 (4)에 대입하여 플라즈마 속도를 계산하였다.
대상 데이터
설계, 제작된 엔탈피 탐침의 동작 특성 실험 및 아크 플라즈마 유동 특성 진단 실험을 위해17 kW 급 비이송식 DC 아크히터를 사용하였으며, 실험에 사용된 비이송식 DC 아크히터는 원뿔 모양의 토륨이 포함된 텅스텐 음극과 무산소동 재질의 원통형 양극 노즐로 구성되어 있으며, 자세한 전극 형상 및 설계값을 Fig. 4에 나타내었다. 또한, 아크히터의 운전 조건을 Table 1에 나타내었다.
실험에 사용된 엔탈피 탐침은 Fig. 2에서 살펴 볼 수 있듯이, 얇은 3개의 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 관을 외경 4.8 mm, 내경 1.5 mm를 유지하도록 동축으로 배열한 뒤, 안쪽 관과 바깥쪽 관을 레이저 용접하여 제작하였다. 이런 식으로 제작된 엔탈피 탐침을 3개의 분할체로 구성된 알루미늄 몸체에 연결하여 각 금속관의 동축을
성능/효과
Sibulkin(7)이 제안한, 뭉뚝한 첨두를 가진 축대칭 물체에 대한 층류, 비압축성 열경계층 해석모델을 이용하여 측정된 플라즈마 온도와 속도값으로부터 엔탈피 탐침의 최대 열속 부하를 살펴본 결과, 12,000 K 및 600m/s 이상의 온도와 속도를 갖는 아크 플라즈마 유동의 경우, 약 5 × 107 W/㎡ 의 열속을 전달할 수 있고, 이는 엔탈피 탐침이 견딜 수 있는 최대 열속에 가깝다는 것을 알았다.
냉각수와 닿아있는 안쪽 표면은 냉각수 온도인 40 ℃, 플라즈마에 노출된 표면의 온도는 스테인레스 스틸의 융점인 1420 ℃를 적용하였다. 따라서, z = 16 mm에서 더 높은 값을 가질 것으로 생각되는 플라즈마 온도와 속도에서는 설계 제작된 엔탈피 탐침 파괴에 충분한 열속인 108 W/㎡ 까지 전달되었을 것으로 사료된다.
6 및 7로부터, 17 kW 급 비이송식 DC 아크히터를 사용하여 만들어 낸 아크 플라즈마 유동은 중심축을 중심으로 직경 약 4 mm, 길이 약 22 mm 이내의 영역에서만 10,000 K , 400 m/s 이상의 고온, 고속을 유지하는 상대적으로 부피가 작고 중심축을 중심으로 집중된 형태의 아크 플라즈마 유동임을 알 수 있다. 또한, 제작된 엔탈피 탐침 시스템을 이용하여 측정한 속도값에 대한 표준오차분석결과 오차는 5% 미만으로 만족할 만한 수준이었으나, 온도 측정값은 약 20%의 오차를 가지는 것으로 나타났다. 이는 주로 K-Type 열전대의 측정오차범위 때문에 발생하는 것으로 분석되었으며, 앞으로 열전대의 측정 오차를 줄일 경우, 엔탈피 탐침법의 정확성은 더욱 향상될 것이라 여겨진다.
8 mm를 갖는 엔탈피 탐침을 설계 제작하고 17 kW 급 비이송식 직류 아크히터를 사용하여 수행하였다. 실험 결과, 17 kW 급 아크히터의 경우, 중심축을 중심으로 직경 약 4 mm, 길이 약 22 mm 이내의 영역에서 플라즈마 온도 10,000 K , 속도 400 m/s
이상의 고온, 고속 아크 플라즈마 유동을 발생시킨다는 것이 확인되었다. Sibulkin(7)이 제안한, 뭉뚝한 첨두를 가진 축대칭 물체에 대한 층류, 비압축성 열경계층 해석모델을 이용하여 측정된 플라즈마 온도와 속도값으로부터 엔탈피 탐침의 최대 열속 부하를 살펴본 결과, 12,000 K 및 600m/s 이상의 온도와 속도를 갖는 아크 플라즈마 유동의 경우, 약 5 × 107 W/㎡ 의 열속을 전달할 수 있고, 이는 엔탈피 탐침이 견딜 수 있는
후속연구
4 MW 급 아크히터 장치의 기본 진단기법으로서의 타당성을 살펴보고자 한다. 이 실험에서 사용된 17 kW급 비이송식 직류 아크히터의 경우, 2.4 MW 아크히터와는 달리, 발생된 초고온 플라즈마 유동이 8mm 이내의 노즐 직경 범위에서만 좁게 형성된다는 단점이 있지만, 반대로 8mm 이내의 좁은 범위에서는 10,000 K 이상의 고온과 500 m/s 이상의 고온 고속 아크 플라즈마 유동 특성을 쉽게 구현해 낼 것으로 기대되므로, 이 유동장 범위에서의 엔탈피 탐침 동작원리 구현과 플라즈마 온도 및 속도장 해석에 유용하리라 생각된다.
또한, 플라즈마 온도 역시, 저압 초음속 유동 상황하에서 발생하는 비평형 현상에 대한 고려가 필수적이므로, 플라즈마 전자밀도 및 온도 측정 기술과 연계해야 한다. 특히, 플라즈마 발생기체로서 Ar 대신 공기를 사용할 경우, 초음속 플라즈마 상태에서 발생하는 화학적 비평형 효과를 진단하고 플라즈마 온도 등에 반영하기 위한 기법의 추가 개발이 필수적이며, 이를 위한 엔탈피탐침의 개량이 더 진행될 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
엔탈피 탐침은 무엇인가?
본 논문에서 특성해석을 수행하고자 하는 엔탈피 탐침은 Fig. 1에 보인 바와 같이, 탐침 내경을 통해 플라즈마 기체를 통과시킬 수 있는 수냉식 정압/기체포집 탐침으로서, 5,000 K 이상의 고온 플라즈마 유동 내에 삽입하여 플라즈마의 엔탈피, 온도, 속도 등을 한꺼번에 계측할 수 있도록 고안된 장치이다(3-6). 이 중, 엔탈피 탐침을 이용한 플라즈마 엔탈피 및 온도 측정은, 탐침 내부를 통해 일정하게 포집된 플라즈마 기체가 탐침을 빠져 나가면서 겪는 엔탈피의 변화를 탐침 냉각수 온도 상승을 통해 알아냄으로써 가능하다.
2025년까지 열차폐체 개발 및 아크 플라즈마 유동을 만들어 낼 수 있는 지상 공력가열장치의 확보가 완료되어야 하는 이유는 무엇인가?
2008년에 발표된 우주개발사업 세부실천로드맵에 따르면, 우리나라는 로드맵 마지막 단계인 2025년-2030년 사이에 달 착륙 탐사선을 보낼 계획을 가지고 있다. 이 로드맵의 마지막 단계에서 달 착륙 탐사선이 3He 등 달에 풍부한 자원 샘플을 담고 무사히 지구로 귀환하기 위해서는 달-지구 전이 궤도를 따라 재진입 비행을 성공적으
로 수행하여야 한다. 통상적으로 재진입 비행체는 약 11 km/s의 속도로 지구 대기로 진입하게 되며 이 속도에서 겪는 대기 상부 공기와의 마찰때문에 약 11,000 K 온도의 플라즈마 상태에서 형성되는 충격파를 겪으면서 감속된다. 이 후, 마하 수 2 정도의 속도에 이르면, 낙하산을 펴고 착륙을 시도하는 것이 일반적이다(1-2). 따라서, 우주개발 로드맵의 마지막 단계인 2025년까지는 지구 재진입 비행과 같은 극한 상황에서도 견뎌낼수 있는 열차폐체 개발이 완료되어야 하며, 이와동시에 개발된 열차폐체 및 시스템의 지상 검증을 수행할 수 있는, 11,000 K 이상의 온도와 마하 2 이상의 속도를 가진 아크 플라즈마 유동을 만들어 낼 수 있는 지상 공력가열장치의 확보가 필수적이다.
엔탈피 탐침을 이용한 플라즈마 엔탈피 및 온도 측정은 어떻게 가능한가?
1에 보인 바와 같이, 탐침 내경을 통해 플라즈마 기체를 통과시킬 수 있는 수냉식 정압/기체포집 탐침으로서, 5,000 K 이상의 고온 플라즈마 유동 내에 삽입하여 플라즈마의 엔탈피, 온도, 속도 등을 한꺼번에 계측할 수 있도록 고안된 장치이다(3-6). 이 중, 엔탈피 탐침을 이용한 플라즈마 엔탈피 및 온도 측정은, 탐침 내부를 통해 일정하게 포집된 플라즈마 기체가 탐침을 빠져 나가면서 겪는 엔탈피의 변화를 탐침 냉각수 온도 상승을 통해 알아냄으로써 가능하다. 플라즈마 속도의 경우, 마하 수가 작을 때, 플라즈마 불꽃에 삽입된 엔탈피 탐침을 수냉식 피토관처럼 사용하여 전압(Total pressure)을 측정하고 베르누이 방정식에 대입하여 계산해 낼 수 있다.
참고문헌 (11)
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Filippis, F. D., Vecchio, A. D., Martucci, A., Trifoni, E., Marraffa, L., Savino, R., Paterna, D., "70 MW Plasma wind tunnel up-grades for ESA AURORA TPS testing", 4th International planetary probe workshop, 27 June - 30 June, 2006, Pasadena, CA, USA.
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www.vatell.com
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