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문제 정의
- 특히 축대칭 노즐과 유사한 성능을 가지면서도 가변제어 및 추력편향이 가능한 2-D 축소-확대 노즐을 이용한 추력편향 기술은 기동성, 운용성, 생존성 등의 향상을 위한 필수적인 요소로 인식되고 있다. 따라서 본 연구에서는 추력 편향기술에 대한 기초연구의 일환으로 2차원 초음속 추력편향 노즐에 대한 실험연구를 수행하였다. 초음속 항공기의 작동조건을 연구하여 설정하였으며, 축소형 실험모델을 고안하고 제작하였으며, 초음속 유동을 만들기 위한 실험설비를 구축하고 각각의 요소에 알맞은 계측방법을 적용하였다.
제안 방법
- 49 kg/s이며, 약 30초간 작동시간을 유지하도록 고안 하였다. 100 bar 이상의 가압능력을 지닌 피스톤식 압축기를 이용하여 공기를 압축하도록 하였으며, 고압공 기저장탱크는 48 l 봄베 20개를 병렬로 연결하여 960 l 의 고압공기저장 공간을 확보 하였다. 공기 압축기와 고압공기저장탱크 사이에 드라이어를 설치하여, 압축시 발생되는 수분을 제거하도록 하였다.
- 실험조건 설정 및 실험모델 설계에 필요한 데이터는 김 등 (7) 의 연구에서 수행된 가상의 항공기 엔진 설계및 성능 분석 데이터를 사용하였다. 가상의 항공기는 고도 40,000ft에서 최대 마하수 1.8까지 비행 가능하고 마하수 1.5로 순항(Cruise)비행이 가능한 초음속 항공기이며, 이러한 항공기의 성능요구조건을 토대로 사이클 분석을 수행하여 탈 설계 점에 대해 분석하였다. 또한 탈설계점 성능 사이클 분석은 지상이륙 조건(Take off Acceleration), BCM(Best Cruise Mach Number) 조건, 초음속 순항 조건(Mil.
- 100 bar 이상의 가압능력을 지닌 피스톤식 압축기를 이용하여 공기를 압축하도록 하였으며, 고압공 기저장탱크는 48 l 봄베 20개를 병렬로 연결하여 960 l 의 고압공기저장 공간을 확보 하였다. 공기 압축기와 고압공기저장탱크 사이에 드라이어를 설치하여, 압축시 발생되는 수분을 제거하도록 하였다.
- 5로 순항(Cruise)비행이 가능한 초음속 항공기이며, 이러한 항공기의 성능요구조건을 토대로 사이클 분석을 수행하여 탈 설계 점에 대해 분석하였다. 또한 탈설계점 성능 사이클 분석은 지상이륙 조건(Take off Acceleration), BCM(Best Cruise Mach Number) 조건, 초음속 순항 조건(Mil. Power), 후기연소기 작동시의 최대 마하수 조건(Max. Power)일 때의 네 가지 조건에 대해 수행하여 가상의 엔진에 대한 작동조건을 도출하였다. 이러한 작동조건을 1/18 축소 모델에 적용하여 실험을 수행하였다.
- 본 실험에 사용된 노즐은 내부관찰이 불가하기 때문에 실험 Case와 동일하게 수치해석을 수행하여 경사충격파 전후의 속도를 살펴보았다. 수치해석은 상용 소프트웨어인 Fluent를 사용하였으며, 경계조건은 Table 3에 제시되어 있다.
- 설계된 가상의 항공기 엔진을 통하여 획득 된 데이터를 바탕으로 축소 모델을 적용한 후, 등가면적 변환을 통하여 축대칭 노즐에서 이차원 축소-확대 노즐로 변환시켰으며, 이에 추력편향개념을 적용하여 실험모델을 완성하였다. 실험노즐의 추력편향 방식에 대한 형상설계는 일종의 평판인 편향 플랩을 노즐의 출구에 장착하여 기계역학적인 방식으로 추력 편향각을 만들어 주는 개념을 적용하여 이루어졌으며, Fig.
- 고압공기공급시스템은 초음속 배기조건을 만족시키기 위한 고압의 공기를 제공하며, 시험장치부는 고압공기시스템으로부터 제공된 공기를 실험노즐에 전송하여 추력을 발생시킨 후에 대기로 방출시키는 일련의 과정을 포함하는 유로를 형성하는 부분이며, 계측시스템은 실험모델의 성능특성 파악을 위한 여러 가지 데이터들을 효율적으로 측정하고 기록하는 역할을 담당한다. 실험 장치의 전체적인 구성은 공기압축기, 드라이어, 고압공기저장탱크, 솔레노이 드밸브, 유량조절밸브, 소닉노즐, 테스트챔버, 리시브 탱크 등으로 이루어지며, Fig. 2에 그 개략도를 제시하였다.
- Table 2의 Case5, 6, 7에 해당하는 피치편향 실험은모두 같은 실험조건에서 편향각을 변경하는 것으로 수행 되었다. 이때 배기속도는 웨지형상을 이용한 유동 가시화를 통해 측정된 마하각을 이용하여 속도를 분석하였다. 가시화 이미지가 Fig.
- 제작된 실험 장치를 이용하여 각 실험 변수에 따른 실험평가를 수행하였으며 노즐 분출 초음속 유동 가시화를 수행하였다. 이를 통하여 각 실험변수에 따른 유동특성을 분석하였고, 피치 편향각 및 피치플랩길이의 등의 기하학적 변수에 대한 영향을 분석하고 평가하였다.
- 초음속 항공기의 작동조건을 연구하여 설정하였으며, 축소형 실험모델을 고안하고 제작하였으며, 초음속 유동을 만들기 위한 실험설비를 구축하고 각각의 요소에 알맞은 계측방법을 적용하였다. 제작된 실험 장치를 이용하여 각 실험 변수에 따른 실험평가를 수행하였으며 노즐 분출 초음속 유동 가시화를 수행하였다. 이를 통하여 각 실험변수에 따른 유동특성을 분석하였고, 피치 편향각 및 피치플랩길이의 등의 기하학적 변수에 대한 영향을 분석하고 평가하였다.
- 따라서 본 연구에서는 추력 편향기술에 대한 기초연구의 일환으로 2차원 초음속 추력편향 노즐에 대한 실험연구를 수행하였다. 초음속 항공기의 작동조건을 연구하여 설정하였으며, 축소형 실험모델을 고안하고 제작하였으며, 초음속 유동을 만들기 위한 실험설비를 구축하고 각각의 요소에 알맞은 계측방법을 적용하였다. 제작된 실험 장치를 이용하여 각 실험 변수에 따른 실험평가를 수행하였으며 노즐 분출 초음속 유동 가시화를 수행하였다.
대상 데이터
- 본 실험 장치에서는 광원으로 Halogen Lamp를 사용하였으며, 유효입경 Φ200 mm, 초점거리 2,000 mm를 가지는 오목거울을 사용하였다. 가시화 이미지를 얻기 위한 광학기기로는 1330만 화소, 1/8000초 촬영이 가능한 고성능디지털 카메라와 1200만 화소의 정지영상과 600만 화소의 동영상 촬영이 가능한 캠코더를 사용하였다.
- 본 실험 장치에서는 광원으로 Halogen Lamp를 사용하였으며, 유효입경 Φ200 mm, 초점거리 2,000 mm를 가지는 오목거울을 사용하였다.
- 실험 변수(Variant)는 노즐의 작동조건, 피치 편향각, 피치 플랩길이로 설정하였으며, Table 2에 실험형상에 대한 실험조건이 제시되어 있다. 이때 작동조건은 실험 노즐의 기본적인 작동 성능을 파악하기 위한 것이며, 피치 편향각은 편향 수행 시 편향각 변화에 따른 성능특성 분석을 위해서이다.
- 실험장치는 크게 고압공기공급시스템, 시험장치부, 계측시스템으로 구성되어 있다. 고압공기공급시스템은 초음속 배기조건을 만족시키기 위한 고압의 공기를 제공하며, 시험장치부는 고압공기시스템으로부터 제공된 공기를 실험노즐에 전송하여 추력을 발생시킨 후에 대기로 방출시키는 일련의 과정을 포함하는 유로를 형성하는 부분이며, 계측시스템은 실험모델의 성능특성 파악을 위한 여러 가지 데이터들을 효율적으로 측정하고 기록하는 역할을 담당한다.
- 실험조건 설정 및 실험모델 설계에 필요한 데이터는 김 등 (7) 의 연구에서 수행된 가상의 항공기 엔진 설계및 성능 분석 데이터를 사용하였다. 가상의 항공기는 고도 40,000ft에서 최대 마하수 1.
이론/모형
- 5에 쉴리렌 가시화 장치의 개략도가 제시되어 있다. 노즐 후류의 유동가시화는 쉴리렌(Schlieren) 기법을 사용하여 수행하였다. 쉴리렌 기법은 투명한 매질속에 굴절률의 변화가 있을 때, 그 변화를 밝기의 차이로 바꾸어 관찰하는 광학적 측정법이다.
- 이때 소닉노즐의 목(Throat)에서 초킹(Choking)이 발생하여 일정량의 유량이 테스트 챔버(Chamber) 내의 실험 노즐에 공급된다. 소닉노즐은 국제표준기구의 ISO 9300 설계지침(8)에 따라 실험조건에서 요구하는 유량을 공급할 수 있도록 설계 되었다. 설계 된 소닉노즐의 성능평가를 위하여 한국표준과학연구원(KRISS)에 교정을 의뢰하였으며, 그 결과를 통하여 KRISS의 교정 값과 본 소닉노즐의 설계 값이 거의 일치함을 Fig.
- 본 실험에 사용된 노즐은 내부관찰이 불가하기 때문에 실험 Case와 동일하게 수치해석을 수행하여 경사충격파 전후의 속도를 살펴보았다. 수치해석은 상용 소프트웨어인 Fluent를 사용하였으며, 경계조건은 Table 3에 제시되어 있다. Fig.
성능/효과
- 2차원 초음속 노즐은 작동조건에 따라 다양한 유동 특성이 나타남을 쉴리렌 가시화 실험을 통하여 확인할수 있었다. 동일한 작동조건 및 노즐에서 피치플랩의 편향각이 증가 할수록 추력손실이 커지게 된다.
- 소닉노즐은 국제표준기구의 ISO 9300 설계지침(8)에 따라 실험조건에서 요구하는 유량을 공급할 수 있도록 설계 되었다. 설계 된 소닉노즐의 성능평가를 위하여 한국표준과학연구원(KRISS)에 교정을 의뢰하였으며, 그 결과를 통하여 KRISS의 교정 값과 본 소닉노즐의 설계 값이 거의 일치함을 Fig. 3을 통해 확인할 수 있다.
- 11에 Case 12에 대한 수치 해석 결과가 제시되어 있다. 수치해석 결과에서 노즐 내부의 경우 유동이 충격파를 통과하는 순간 속도가 순간적으로 감소했다가, 이 후 일정량의 속도회복이 이루어지는 현상이 반복적으로 이루어지고 있음을 확인 할 수 있다.
- 5 이상에서 적절하게 유동이 편향됨을 확인 할 수 있었다. 즉 특정 피치플랩 편향각에서 유동이 적절하게 편향되기 위한 최소한의 피치플랩길이비가 존재함을 확인 할 수 있었다. 피치플랩 비가 0.
- 즉 특정 피치플랩 편향각에서 유동이 적절하게 편향되기 위한 최소한의 피치플랩길이비가 존재함을 확인 할 수 있었다. 피치플랩 비가 0.5에서 1.5로 증가함에 따라 추력은 증가하다 피치 플랩비 1.5 이상에서는 추력이 다소 감소함을 확인 하였다. 이러한 현상은 피치플랩비가 0.
- 피치플랩 편향각 20º일 경우 피치플랩 길이의 비 1.5 이상에서 적절하게 유동이 편향됨을 확인 할 수 있었다.
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