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 Sensitivity원문보기
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.
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.
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...
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, considering loss effects in a real engine. The performance sensitivity analysis is conducted by investigating various performance parameters, such as an intake efficiency, combustor inlet Mach number, configuration of the combustor, fuel flow rate, and exhaust nozzle efficiency. Based on these analysis results, the processes of application to dual ramjet cycle engines are specified.
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, considering loss effects in a real engine. The performance sensitivity analysis is conducted by investigating various performance parameters, such as an intake efficiency, combustor inlet Mach number, configuration of the combustor, fuel flow rate, and exhaust nozzle efficiency. Based on these analysis results, the processes of application to dual ramjet cycle engines are specified.
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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.
제안 방법
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.
램제트/스크램제트 추진기관의 성능인자를 파악하고 성능변수들에 미치는 영향을 살펴보기 위해 사이클 해석을 수행한다. 램제트 추진기관의 해석에 적용된 상태량 표기법은 Fig.
위의 사이클 해석이론을 기반으로 램제트/스크램제의 각 성능인자의 영향에 따른 엔진의 성능민감도를 파악한다. 램제트와 스크램제트 각각의 성능민감도를 살펴보기 위하여 흡입구 효율, 연소실 형상 및 당량비, 연소기 입구 마하수, 추진노즐의 효율을 주요성능인자로 선택하였으며, 각각이 성능에 미치는 영향을 해석하였다. 성능해석에 적용된 대기조건과 연료특성, 효율특성 및 성능변수의 정의는 본 논문의 Part Ⅰ과 동일하다[2].
본 해석에서는 일정한 단면적을 가지는 연소기와 일정한 압력을 가지는 연소기 사이클 해석을 수행함으로써 연소기의 효율에 따른 성능민감도를 분석한다. 일정한 압력의 연소기는 정압연소를 가정한 이상적 브래이튼 사이클을 기반으로 하는연소기로서 축방향으로 갈수록 단면적이 확산되는 형상을 가지며, 일정한 단면적의 연소기는 유도무기체계에 주로 적용되는 형상으로 엔진의 무게와 항력을 줄일 수 있는 장점이 있다.
흡입구에서 발생하는 손실은 주로 충격파와 점성효과로 인해 발생한다. 본 해석에서의 흡입구 영역은 Fig. 1에서 위치0에서 위치2에 해당하는 영역으로 초음속 및 극초음속으로 유입되는 공기의 속도를 감속시킴으로서 정압력 및 온도의 상승을 수반한다. 또한 충격파 및 마찰 등으로 인한 전압력의 감소가 발생한다.
연소기 입구 마하수는 램제트의 경우 M2 = 0.2를, 스크램제트의 경우 M2 = 2.0에 대하여 당량비 ∅ = 0.3∼0.9로 변화시키면서 해석을 수행했다.
위의 사이클 해석이론을 기반으로 램제트/스크램제의 각 성능인자의 영향에 따른 엔진의 성능민감도를 파악한다. 램제트와 스크램제트 각각의 성능민감도를 살펴보기 위하여 흡입구 효율, 연소실 형상 및 당량비, 연소기 입구 마하수, 추진노즐의 효율을 주요성능인자로 선택하였으며, 각각이 성능에 미치는 영향을 해석하였다.
성능/효과
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.
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.
선 AB는 스크램제트가 램제트보다 우수한 성능을 나타내기 시작하는 작동천이 마하수를 표현하며 당량비 증가에 따라 천이마하수도 증가한다. 또한 열질식이 존재하는 스크램제트의 한계 마하수도 당량비 증가에 따라 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
연소실 형상 및 당량비에 따른 열효율과 추력비, 비추력의 결과로부터 각 성능변수는 비행마하수가 증가함에 따라 증가하여 최대성능지점에 도달한 후 일정 마하수 이상에서는 오히려 감소함을 알 수 있다. 하지만 각 성능변수들이 최대의 성능을 갖는 비행마하수가 서로 다르게 나타난다.
10은 일정한 압력을 가진 연소기의 당량비 변화에 따른 비추력에 대한 해석결과이다. 열효율과 비추력은 당량비 증가에 따라 각 성능도 함께 증가하는 반면에 비추력은 약 마하 4 이하의 영역에서는 당량비가 낮을수록 비추력이 높은 반면, 약 마하 6이상에서는 이러한 현상이 역전되는 것을 확인 할 수 있다. 즉, 비행조건에 따라 최적의 성능을 얻기 위해서는 서로 다른 당량비를 적용하여야 함을 의미한다.
그러나 비행마하수가 증가할수록 열효율은 점차적으로 증가하여 램제트보다 높은 성능을 나타낸다. 이는 극초음속 영역에서는 흡입구의 성능이 스크램제트의 성능에 미치는 영향이 램제트에 비해 적음을 뜻하며 따라서 극초음속으로 갈수록 램제트보다 스크램제트가 더 효율적임을 보여준다. 하지만 스크램제트는 흡입구 출구 마하수(또는 연소기 입구 마하수) 조건에 따라 비행영역이 제한적으로 나타나므로[2] 이중램제트의 흡입구의 형상 결정은 작동영역분배와 효율적인 성능설계를 기반으로 하여야 한다.
2는 전압력 회복계수와 KE효율의 관계를 나타낸다. 주어진 비행 마하수에 대하여, 흡입구 KE효율은 전압력회복계수가 증가함에 따라 증가하며, 비행 마하수가 증가 할수록 전압력회복계수에 영향을 받지 않으며 1에 가까워짐을 확인할 수 있다.
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].
참고문헌 (6)
차봉준, 김상훈, 양수석, “공기흡입형 고속 추진기관 기술동향”, 항공우주산업기술동향, 4권 1호, 2006, pp. 44-54.
변종렬, 성홍계, 윤현걸, “초고속 순항 추진기관(램제트/스크램제트)의 성능인자에 대한 해석적 연구”, 한국추진공학회 추계학술대회, 2005, pp. 141-146.
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.
H. Wittenberg, "Some Fundamentals on the Performance of Ramjets with Subsonic and Supersonic Combustion", TNO Prins Maurits Laboratory, 2000.
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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