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이중램제트(이중연소/이중모드)엔진을 위한 램제트/스크램제트의 작동영역분배 및 성능민감도분석 Part II. 성능민감도
Performance Load Balancing and Sensitivity Analysis of Ramjet/Scramjet for Dual-Combustion/Dual-Mode Ramjet Engine Part II. Performance Sensitivity 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.38 no.6, 2010년, pp.596 - 604  

김선경 (한국항공대학교 대학원) ,  전창수 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) ,  성홍계 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) ,  변종렬 (국방과학연구소) ,  윤현걸 (국방과학연구소)

초록
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이중램제트(이중연소 및 이중모드) 추진기관의 작동특성 및 주요 설계인자를 파악하기 위하여 램제트/스크램제트 추진기관에 대한 공기 및 열역학적 관점에서 이론적인 분석을 수행하였다. 엔진의 효율계수를 적용한 열역학 사이클 해석을 수행하여 각 추진기관의 성능특성을 파악하고, 흡입구 성능 특성, 연소기 입구 마하수, 연소기 형상 및 당량비(연료분사량)에 따른 성능민감도를 분석하였다. 이를 바탕으로 이중램제트 추진기관의 성능설계방향을 제안한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In order to investigate the operating conditions and major design parameters of a dual ramjet propulsion system, an theoretical analysis of ramjet and scramjet propulsion systems was performed. The performance characteristics of each engine are delivered by thermo-dynamical cycle analysis, consideri...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 이론적인 해석을 기반으로 램제트/스크램제트 추진기관의 물리적인 특성을 파악하고 기본개념을 정립한다[2-5]. 또한 각 엔진의 성능인자의 변화에 따른 엔진성능특성의 민감도를 파악하여 램제트/스크램제트 엔진을 이용한 이중램제트 엔진의 주요 설계인자를 파악한다.
  • 본 연구에서는 이중램제트 설계인자를 파악하기 위하여 램제트/스크램제트 각 엔진에 대하여 열역학적 사이클 해석을 바탕으로 각 성능인자의 영향에 따른 성능민감도를 분석하였다. 해석을 통한 주요 결론은 다음과 같다.
  • 연소실 형상 및 당량비(연료분사량)에 따른 성능의 변화를 살펴본다. 연소기 입구 마하수는 램제트의 경우 M2 = 0.

가설 설정

  • 2. 연소기 입구 마하수는 열질식의 발생으로 인해 제약된다. 램제트의 경우 연소기 입구마하수는 일정 단면적의 연소기에서만 한계조건이 존재하며 여기서 열량추가율의 한계를 벗어나기 위해서는 연소기 입구 마하수가 충분히 낮아야 한다.
  • 본 해석에서는 엔진 전영역에 대하여 γ=1.4로 일정하다고 가정하였으나 실제 압축공기의 열역학적 특성은 각 위치에 따라 변화하며 이는 엔진의 성능에도 영향을 미친다.
  • 실제 연소기는 위 두가지 중 적합한 연소기를 선택적으로 적용하거다 두 가지의 특성을 혼용하여 엔진의 개념설계 시 램제트와 스크램제트의 작동 영역 분배를 결정하는데 유용하게 적용할 수 있다. 여기서 연소기 내 유동은 일정 상태량을 가지는이상기체, 비점성 유동을 가정하였으며, 연료분사에 의한 질량추가를 고려하였다. 일정한 단면적을 가지는 연소기의 입구와 출구 상태량에 대한 전압력비와 전온도비는 식(3)-(4)와 같이 연소기 입구 마하수와 출구 마하수의 식으로 나타난다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
이중램제트 설계인자를 파악하기 위해 램제트/스크램제트 각 엔진에 대하여 열역학적 사이클 해석을 바탕으로 각 성능인자의 영향에 따른 성능민감도를 분석한 결론으로 낼 수 있는 것은? 1. 흡입구 성능은 램제트 엔진의 성능을 결정하는 주요인으로 엔진 성능을 최대화하기 위해서는 흡입구에서의 전압력 회복률을 최대화하여야 한다. 또한 극초음속 비행영역으로 갈수록 흡입구의 효율이 엔진의 성능에 크게 영향을 미치며 이와 더불어 충격파에 따른 압축공기 특성의 변화도 고려하여야 한다. 2. 연소기 입구 마하수는 열질식의 발생으로 인해 제약된다. 램제트의 경우 연소기 입구마하수는 일정 단면적의 연소기에서만 한계조건이 존재하며 여기서 열량추가율의 한계를 벗어나기 위해서는 연소기 입구 마하수가 충분히 낮아야 한다. 스크램제트의 경우 두 연소기 모두 열질식이 발생하며 연소기 입구 마하수가 높을수록 보다 넓은 비행영역을 확보할 수 있다. 3. 램제트의 경우 연소기 형상에 따른 성능의 차이는 크지 않으나 일정 단면적의 연소기에서는열질식에 따른 열량추가율의 제한을 고려하여야 한다. 스크램제트의 경우 일정압력의 연소기에 비해 일정단면적의 연소기가 열질식에 의한 비행영역의 제한이 심하며 한계 비행마하수는 당량비조건에 따라 민감하게 변하기 때문에 비행영역에 따른 작동조건 설정에 유의하여야 한다. 4. 추진노즐 내 유동이 non-isentropic일 때 최대 추력은 노즐 출구압력이 대기압력 보다 다소 높은 조건에서 얻어지며, 이때 노즐의 팽창비는 이상 팽창시의 팽창비에 비해 크게 감소하여 엔진 노즐의 체적과 무게, 항력을 감소시키는 효과를 가져 온다. 5. 열질식, 최적 성능, 램제트에서 스크램제트로의 작동천이 조건 등은 엔진의 비행속도, 연소기의 형상, 당량비, 흡입구의 성능 인자 등에 따라 민감하게 변하므로 이중램제트 설계 시 램제트/스크램제트의 성능인자에 따른 변화 추이와 민감도를 종합적으로 검토하여 램제트/스크램제트의 작동영역분배를 결정하여야 한다.
이중램제트 추진기관의 장단점은? 이중램제트 추진기관의 개발을 위해서는 우선적으로 램제트 및 스크램제트 추진기관 개발기술이 확보되어야 한다. 이중램제트 추진기관은 다른 공기흡입식 추진기관들에 비해 구조가 단순하여 초음속/극초음속 순항 추진기관으로서의 적용에 큰 장점을 가지고 있으나 초음속/극초음속의 유동을 공기역학적인 방식으로 압축하여 연소실로 공급하는 형태로 비행속도 및 자세 등에 민감하며, 구조적인 단순화로 인해 엔진의 각 구성품의 성능특성이 엔진 작동에 매우 큰 영향을 미치므로 실용화에 어려움이 있다.
이중램제트 추진시스템은 어떤 엔진을 적용하는가? 이중램제트 추진시스템은 초음속 비행영역에서는 램제트 엔진을, 극초음속 비행영역에서는 스크램제트 엔진을 적용함으로써, 단일 비행체로 광범위한 비행 마하수를 충족시킬 수 있을 뿐만 아니라 다른 추진기관에 비해 시스템이 단순하고 재사용이 가능한 공기흡입식 추진기관의 장점을 가지고 있다. 이러한 이중램제트 추진기관은 아직 실용 기술 개발보다는 기술개발을 위한 개념연구를 위주로 다수의 연구가 이루어지고 있다[1-3].
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참고문헌 (6)

  1. 차봉준, 김상훈, 양수석, “공기흡입형 고속 추진기관 기술동향”, 항공우주산업기술동향, 4권 1호, 2006, pp. 44-54. 

  2. 김선경, 전창수, 성홍계, “이중램제트(이중연소/이중모드)엔진을 위한 램제트/스크램제트의 작동영역분배 및 성능민감도분석 Part I. 작동 영역분배”, 한국항공우주학회지, 제38권 제6호. 

  3. 변종렬, 성홍계, 윤현걸, “초고속 순항 추진기관(램제트/스크램제트)의 성능인자에 대한 해석적 연구”, 한국추진공학회 추계학술대회, 2005, pp. 141-146. 

  4. E. T. Curran, J. Leingang, L. Carreiro, and D. Petters, "Further Studies of Kinetic Energy Methods in High Speeds Ramjet Cycle Analysis", AIAA paper 9982-3805, 1992. 

  5. H. Wittenberg, "Some Fundamentals on the Performance of Ramjets with Subsonic and Supersonic Combustion", TNO Prins Maurits Laboratory, 2000. 

  6. W. F. Ng, "Real Gas Effects on the Numerical Simulation of a Hypersonic Inlet", Journal of Propulsion, July-August 1986, pp. 381-382. 

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