[논문]이중연소 램제트 엔진의 예비 성능해석

변종렬; 안중기; 윤현걸; 임진식

이중연소 램제트 엔진의 예비 성능해석
Preliminary Performance Analysis of a Dual Combustion Ramjet Engine 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.15 no.5 = no.66, 2011년, pp.72 - 81

변종렬 (국방과학연구소 1기술연구본부 5부) , 안중기 (국방과학연구소 대함체계단) , 윤현걸 (국방과학연구소 1기술연구본부 5부) , 임진식 (국방과학연구소 1기술연구본부 5부)

초록
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이중연소 램제트 엔진의 작동특성 및 주요 설계인자를 파악하기 위하여 공기역학 및 열역학적 이론을 기반으로 한 기본적인 성능해석 모델을 수립하였다. 이중연소 램제트 엔진의 예비 성능해석을 수행하였고, 그 결과는 흡입구, 가스발생기, 초음속 연소기 사이의 상세한 관계를 설명하고 있다. 본 연구에서 제시된 방법은 가스발생기와 초음속 연소기의 기하학적 형상을 정량적으로 결정하고, 엔진 각 구성품의 성능에 대한 영향을 평가하기 위한 도구를 제공한다. 또한 예비 성능해석을 통해 이중연소 램제트 엔진의 기본 형상 설계 결과를 도출하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to understand the operation characteristics and major design parameters of a dual combustion ramjet engine, a fundamental analysis model based on gasdynamics and thermodynamic theories was established. The preliminary performance analysis was accomplished and the results clearly describe the intimate relationship between air inlets, gas generator, and supersonic combustor. The methodology presented provides a means for quantitatively determining the geometries of the gas generator and supersonic combustor and assessing the effects on performance of each of the engine components. Also the design results for a basic configuration were provided.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이중연소 램제트 엔진에 대한 작동개념과 주요 설계 변수를 파악하고, 공기역학 및 열역학적 이론을 기반으로 한 기본적인 성능해석 모델을 정립하였다. 또한 본 연구에서 정립된 이론적 방법을 사용하여 이중연소 램제트 엔진의 예비 성능해석을 수행하였다.
본 해석적 연구를 통해 이중연소 램제트 엔진의 작동특성 및 주요 설계인자를 파악하기 위하여 공기역학 및 열역학적 이론을 기반으로 한 예비 성능해석 모델을 수립하였다. 정립된 이론적 방법을 사용하여 이중연소 램제트 엔진의 예비 성능해석을 수행하였다.

가설 설정

가스발생기 노즐목 출구에서의 기저 면적 대비 초음속 흡입구 디퓨져 출구 면적비, Ab/A2sc=0.35으로 가정하고, 초음속 연소기 출구 대비 입구 면적비는 Ace/Aci = #로 정의하였다.
고온의 연료 과잉 생성물의 혼합물은 고정된 기하학적 형상인 노즐목을 통해 가속되는데 노즐목의 크기는 흡입구 성능, 공기 포획율, 덤프 연소기 전압력 손실, 가스발생기 연료-공기 당량비, 배기 생성물의 열역학적 상태량의 함수이다. 가스발생기의 배출 가스는 주어진 비행 마하수와 고도에서 쵸킹 상태로 노즐목을 통해 배출되어야 하기 때문에 공기 포획율에 대하여 노즐목 최소 크기는 최대 임계 전압력 회복계수를 사용하고, 흡입구 설계 마하수에 상관없이 20%의 덤프 연소기 전압력 손실을 가정하여 질량보존으로부터 Eq. 4에 의해 초기에 결정될 수 있다.
35으로 가정하고, 초음속 연소기 출구 대비 입구 면적비는 A_ce/A_ci = #로 정의하였다. 또한 초음속 연소기 wetted 벽면 면적 대비 초음속 흡입구 디퓨져 출구 면적비, A_w/A_2sc는 최소 연소기 길이 1.27 m와 0.5 m의 직경을 기준으로 초음속 연소기 입/출구 면적비와 상관없이 일정한 70으로 가정하였다[2].

제안 방법

또한 예비 성능예측을 통해 이중연소 램제트 엔진의 기본 형상을 설계하였다.
이중연소 램제트의 초음속 연소기는 축방향 연료분사를 가진 스크램제트 연소기와 동일하게 작동한다. 따라서 초음속 연소기내 유동에 대해 문헌에 제시된 해석적 방법을 사용하였다[4, 5].
본 연구에서는 이중연소 램제트 엔진에 대한 작동개념과 주요 설계 변수를 파악하고, 공기역학 및 열역학적 이론을 기반으로 한 기본적인 성능해석 모델을 정립하였다. 또한 본 연구에서 정립된 이론적 방법을 사용하여 이중연소 램제트 엔진의 예비 성능해석을 수행하였다.
정립된 이론적 방법을 사용하여 이중연소 램제트 엔진의 예비 성능해석을 수행하였다. 본 연구에서 제시된 방법은 가스발생기와 초음속 연소기의 기하학적 형상을 정량적으로 결정하고, 엔진 구성품 성능에 대한 기본적인 특성과 영향을 평가하기 위한 도구를 제공한다. 현재의 예비 성능해석을 통해 이중연소 램제트 엔진의 기본 형상 설계 결과를 도출하였다.
본 연구에서는 해석의 단순화를 위해 초음속 연소기내 벽면에 작용하는 압력힘은 Crocco가 제시한 PAε/ε-1 = constant 관계식을 연소기 전 영역에 적용하여 계산하였다[6].
앞 절에서 제시된 이론적 해석 방법을 통해 이중연소 램제트 엔진의 기본적인 성능해석을 수행하고, 설계 변수에 따른 영향을 평가하였다. 또한 예비 성능예측을 통해 이중연소 램제트 엔진의 기본 형상을 설계하였다.
앞에서 수행된 기본 성능해석을 바탕으로 이중연소 램제트 엔진의 예비 성능설계를 수행하였다. 설계된 엔진의 운용조건은 Table 1과 같으며, Fig.
본 연구에서는 이중연소 램제트 엔진에 대한 작동개념과 주요 설계 변수를 파악하고, 공기역학 및 열역학적 이론을 기반으로 한 기본적인 성능해석 모델을 정립하였다. 또한 본 연구에서 정립된 이론적 방법을 사용하여 이중연소 램제트 엔진의 예비 성능해석을 수행하였다.
초음속 연소기 출구 마하수의 제한조건은 엔트로피 한계로 정의되는데, 이 한계는 연소로 인한 열량 추가가 열적 질식유동이 되도록 충분히 공급되었을 때 발생하는 것으로 본 연구에서는 연소기 출구에서 dTt/Tt = 0 조건과 ε = constant라는 제한조건을 사용하여 도출된 단순화된 관계식을 사용하였다[1, 4].
본 연구에서 제시된 방법은 가스발생기와 초음속 연소기의 기하학적 형상을 정량적으로 결정하고, 엔진 구성품 성능에 대한 기본적인 특성과 영향을 평가하기 위한 도구를 제공한다. 현재의 예비 성능해석을 통해 이중연소 램제트 엔진의 기본 형상 설계 결과를 도출하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 1개의 12.5° 원뿔형 흡입구를 설계에 고려하고 있으며, 고려된 흡입구 형상에 대해 충격파 관계식에 의해 계산된 공기유량 포획율은 Fig. 6과 같다.

성능/효과

0인 조건에서의 초음속 연소기와 가스발생기의 공기 유량 분리비, 초음속 연소기 면적비와 엔진 당량비에 따른 추력계수와 비추력 변화를 보여준다. 주어진 당량비에서 공기 유량 분리비가 증가할수록 엔진 효율이 감소하고, 초음속 연소기 면적비가 증가할수록 엔진 효율이 증가함을 알 수 있다.
0인 조건에서의 초음속 연소기 입출구 면적비, 엔진 당량비에 따른 추력계수와 비추력 변화를 보여준다. 주어진 당량비에서 초음속 연소기 면적비가 증가함에 따라 엔진 효율이 감소하지만, 설계 범위내의 초음속 연소기 면적비에서는 효율 감소가 크지 않음을 알 수 있다. 또한 동일한 비행 마하수 조건을 비교해 보면 흡입구 설계 마하수가 증가함에 따라 주어진 당량비와 초음 속 연소기 면적비에서 엔진 효율의 감소를 가져온다.
Figure 9는 초음속 연소기 대 가스발생기 공기 유량비에 대하여 최소 가스발생기 노즐목 대 흡입구 면적비를 보여준다. 주어진 비행 마하수 범위에서 가장 큰 가스발생기 노즐목이 가장 작은 흡입구 설계 마하수에 해당하는 것을 보여주며, 공기 유량비가 증감함에 따라 가스발생기의 노즐목 크기가 증가하는 것을 보여준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이중연소 램제트의 흡입구는 무엇으로 정의되는가?	이중연소 램제트의 흡입구는 두 가지 형태, 즉 초음속 흡입구와 가스발생기 흡입구로 정의된다. 초음속 흡입구 성능을 정의하는 하나의 방법으로써 kinetic energy 효율계수를 사용할 수 있는데, Eq.
	이중연소 램제트 엔진의 흡입구의 압축 과정은 어떤 경우에 고온 연소가스 흐름을 발생시키는가?	이중연소 램제트 엔진은 개념적으로 흡입구의 압축 과정은 스크램제트에서와 동일하지만 포획된 공기의 일부분(25% 이하)이 분할되어 스크램제트 엔진 내에 끼워진 작은 덤프 연소기로 아음속 공기 흐름을 제공하는 점이 다르다. 이때 덤프 연소기에 유입된 공기는 액체연료와 혼합, 연소 반응하여 고온 연소가스 흐름을 발생시키는데, 추진시스템 설계 연료량 전부가 아음속 연소기에 공급되기 때문에 연료과잉 흐름이 된다. 이러한 연료과잉 상태의 작동으로 인해 아음속 덤프 연소기는 일종의 가스발생기라고 할 수 있다.
	이중연소 램제트는 무엇인가?	흡입 공기의 램 압축을 이용한 램제트/스크램제트 엔진은 각각 다른 비행 마하수 영역에서 최적의 성능을 가지기 때문에, 단일 추진시스템으로 초음속에서 극초음속까지의 비행영역에서 최적의 성능을 얻기 위해서는 램제트/스크램제트 고유의 운용 마하수 범위를 포함하는 이중모드의 하이브리드 시스템이 요구되는데, 현재 두 가지 개념인 이중연소 램제트(Dual Combustion Ramjet, DCR)와 이중모드 램제트(Dual Mode Ramjet, DMR) 개념이 고려되고 있다. 이중연소 램제트는 과잉 연료 조건에서 작동하여 가스발생기 역할을 하는 아음속 램연소기와 초음속 연소가 이루어지는 스크램연소기로 각각 분리된 연소실을 가진 엔진이며, 이중모드 램제트는 하나의 연소기 즉, 하나의 동일한 유동경로 상에서 아음속과 초음속 연소가 이루어져 램제트와 스크램제트 모드로 각각 작동되는 엔진이다[1, 2].

참고문헌 (6)

Billing, F. S., Waltrup, P. J. and Stockbridge, R. D., "Integral-Rocket Dual-Combustion Ramjet: A New Propulsion Concept," J. of Spacecraft and Rockets, Vol. 17, No. 5, Sept.-Oct., 1980, pp.416-424

상세보기
Waltrkup, P. J., "The Dual Combustion Ramjet: A Versatile Propulsion System for Hypersonic Tactical Missile Application," AGARD-CP-526, No. 7, May 1992
Waltrup, P. J., Billing, F. S. and Stockbridge, R.D., "Engine Sizing and Integration Requirements for Hypersonic Airbreathing Missile Applications," AGARD-CP-307, No. 8, March 1982
Billing, F. S. and Dugger, G. L., "The Interaction of Shock Waves and Heat Addition in the Design of Supseronic Combustor," Twelfth Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, PA., 1969, pp.1125-1134
Billing, F. S., Corda, S. and Pandolfini, P. P., "Design Techniques for Dual Mode Ram-Scramjet Combustors," AGARD-CP- 479, No. 23, June 1990
Crocco, L., "One-Dimensional Treatment of Steady Gas Dynamics," Fundamentals of Gas Dynamics, Vol. III of High Speed Aerodynamics and Jet Propulsion, Princeton University Press, 1958, pp.105

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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