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흡열연료를 이용한 연료분사 및 연소 특성 연구동향
Research Activities about Characteristics of Fuel Injection and Combustion Using Endothermic Fuel 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.17 no.4, 2013년, pp.73 - 80  

최호진 (4-Advanced Propulsion Technology center, Agency foe Defence Development) ,  이형주 (4-Advanced Propulsion Technology center, Agency foe Defence Development) ,  황기영 (4-Advanced Propulsion Technology center, Agency foe Defence Development)

초록
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장거리 극초음속 비행체에 적용 가능한 유일한 냉각방안으로 알려져 있는 흡열연료 적용기술을 개발하기 위하여 흡열반응에 의해 분해된 연료의 분사 및 연소특성에 대한 연구사례를 살펴보았다. 흡열반응을 거친 연료가 연소실에 분사될 때 처해지는 초임계 상태의 분사 특성, 초임계 연료가 초음속 유동장에 분사될 때의 공기혼합 특성 등에 관한 연구사례를 살펴보았고, 연소특성으로서 점화지연시간 및 화염전파 속도에 미치는 영향, 초음속 연소실에서 연소될 때의 연소효율 상승 연구사례 등을 살펴보았다. 국내에서 수행된 흡열연료 관련 연구동향을 살펴보았다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Endothermic fuel utilizing technology is considered as a unique practical method of hypersonic vehicle for long distance flight. Research activities about characteristics of fuel injection and combustion using cracked by endothermic reaction are reviewed. Studies on characterization of supercritical...

주제어

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문제 정의

  • 극초음속 비행체의 유일한 냉각방안으로 알려져 있는 흡열연료 적용 기술을 개발하기 위한 다양한 연구분야 가운데 흡열반응에 의해 분해된 연료의 분사 및 연소특성에 대한 연구사례를 살펴보았다.
  • 본 연구결과를 토대로 국방과학연구소에서 “초고속 공기흡입엔진 특화연구실” 사업의 일환으로 진행 중인 흡열연료의 연소특성 연구에서는 상용 항공유를 이용하여 열분해 및 촉매분해가 진행된 상태에서의 분사특성이 분해 전 연료와 달라지는 특성을 살펴보고, 화염전파속도 및 소화한계 등의 연소 특성에 관한 연구를 수행하여 흡열연료의 연료분사 및 연소특성을 살펴보고, 최종적으로 초음속 모델연소기의 지상연소시험을 통한 연소특성 연구를 수행함으로써 극초음속 추진체계 개발을 위한 흡열연료 적용 기술의 기반기술을 확보해 나가고자 한다.
  • 본 연구에서는 흡열반응을 통해 이미 분해가 진행된 연료가 연소실로 분사되어 연소되는 과정과 관련하여 기존 액체연료의 분사와 연소 특성과 차별화되는 특성에 관한 연구동향을 살펴보고, 국내에서 흡열연료를 이용한 연소기 설계 기술을 개발하기 위한 연구방향을 제시하고자 한다.
  • 흡열반응을 거친 연료가 연소실에 분사될 때 처해지는 초임계 상태의 연료분사가 아임계 연료분사와 달리 기체분사와 유사한 경향을 보이는 특성, 초임계 연료가 초음속 유동장에 분사될 때의 공기혼합 특성 등에 관한 연구사례를 살펴보았고, 연소특성으로서 점화지연시간 및 화염전파 속도에 미치는 초임계 연료의 긍정적인 특성, 궁극적으로 초음속 연소실에서 연소될 때의 연소효율 상승 연구사례 등을 살펴보았다. 아울러, 국내에서 수행된 흡열연료 관련 연구동향을 살펴보았다.
  • 2.2 흡열연료의 연소특성 연구

    연료의 연소특성과 관련된 연구로는 점화특성, 연소속도, 가연한계, 발열특성, 연소생성물 등을 생각할 수 있는데, 흡열연료의 연소특성과 관련하여 점화특성, 연소속도 그리고 모델 연소기를 이용한 연소시험에서의 연소효율 특성에 관한 연구사례를 살펴보고자 한다.

  • 추진기관에서 연료의 분무상태가 달라지면 공기와의 혼합 및 이에 따른 연소특성이 변화하게 되므로, 연소실에 화염이 머무르는 시간이 급격하게 짧아지는 극초음속 추진기관에서는 초임계상태 연료의 분무특성 연구가 더욱 중요하게 된다. 이에, 본 논문에서는 흡열연료를 포함한 초임계 연료분사 연구를 폭넓게 언급하고자 한다.
  • 초임계 연료분사의 마지막 단계는 실제 비행 환경과 유사한 초음속 유동장 내에 초임계 연료를 분사시켜 그 특성을 연구하는 것이다. 초음속 연소기에서의 연료분사 및 혼합 특성에 관한 방대한 연구결과들 가운데 초임계 상태의 연료분사를 적용한 소수의 연구결과를 찾아볼 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
장거리 극초음속 비행체에 적용 가능한 유일한 냉각방안? 장거리 극초음속 비행체에 적용 가능한 유일한 냉각방안으로 알려져 있는 흡열연료 적용기술을 개발하기 위하여 흡열반응에 의해 분해된 연료의 분사 및 연소특성에 대한 연구사례를 살펴보았다. 흡열반응을 거친 연료가 연소실에 분사될 때 처해지는 초임계 상태의 분사 특성, 초임계 연료가 초음속 유동장에 분사될 때의 공기혼합 특성 등에 관한 연구사례를 살펴보았고, 연소특성으로서 점화지연시간 및 화염전파 속도에 미치는 영향, 초음속 연소실에서 연소될 때의 연소효율 상승 연구사례 등을 살펴보았다.
비행체 추진기관의 연료로 사용되는 것? 비행체 추진기관의 연료로 사용되는 탄화수소 계열 연료는 액체상태의 연료가 지닌 열용량을이용하여 기체 내부의 전자장비나 윤활계통 부품 등을 냉각하는데 널리 사용되어왔다. 추진기관의 성능이 향상되면서 소형화된 추진기관에서큰 추력을 발생시키기 위하여 고온에서 운용이 가능하도록 설계가 진행됨에 따라 추진기관에서의 발열량은 지속적으로 상승하는 추세이며, 비행속도가 증가함에 따라 공력가열로 인한 기체 온도 상승 문제는 고속 비행체 설계에 있어 가장 큰 기술적 난관이 되고 있다[1].
추가적인 냉각을 위해 고분자 연료가 저분자로 분해되면서 주위의 열을 흡수 하는 흡열반응을 이용하는 기술이 제시된 이유? 시스템의 경량화가 매우 중요한 비행체에서 액체연료를 이용하여 기체와 추진기관을 냉각하는 방식은 가장 널리 사용되는 방식이나 비행마하수가 5 이상 도달하면 더 이상 연료가 가진 열용량만으로 냉각을 해결할 수 없는 상태에 도달한다[2]. 이에, 추가적인 냉각을 위해 고분자 연료가 저분자로 분해되면서 주위의 열을 흡수 하는 흡열반응을 이용하는 기술이 제시되었고 다양한 분야의 연구가 이루어지고 있다.
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참고문헌 (14)

  1. Edwards, T., "UASF supercritical hydrocarbon fuels interests," 31st Aerospace Sciences Meeting, Reno, NV, U.S.A, AIAA-93-0807, 1993. 

  2. Ianovsky, L. S., Sosounov, V. A., and Shikhman, Y. M., "Endothermic Fuels for Hypersonic Aviation," AGARD CP-536, pp. 44-1, 44-8, 1993. 

  3. Edwards, T. and Maurice, L., "HYTECH fuels/fuel system research," 8th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, Norfolk,VA,U.S.A., AIAA-98-1562, 1998. 

  4. Crook, Loren C., Rachedi, Robert R. and Sojka, Paul E., "Development of a Real-Fuel Supercritical Injection Facility," 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Cincinnati, OH, U.S.A, AIAA 2007-5683, 2007. 

  5. Wu, P., Chen, T.H., Nejad, A.S., Carter, C.D., "Injection of Supercritical Ethylene in Nitrogen," Journal of Propulsion and Power, Vol. 12, No. 4, pp. 770-777, 1996. 

  6. Chehroudi, B., Talley, D. and Coy, E., "Initial Growth Rate and Visual Characteristics of Round Jet into a Sub- to Supercritical Environment of Relevance to Rocket, Gas Turbine, and Diesel Engines," 37th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, U.S.A, AIAA-99-0206, 1999. 

  7. Gao, W. Liang, H.S., Xu, Q.. Lin, Y.Z. and Sung, C.J., "Injection of Supercritical Aviation kerosene fuel into quiescent atmospheric environment," 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Denver, Colorado, U.S.A, AIAA2009-4927, 2009. 

  8. Chen, L.D. and Sui, P.C., "Atomization During the Injection of Supercritical Fluid into High-Pressure Environment," 1994 IUTAM on Droplets and Sprays, 1994. 

  9. Hermanson, T.C., Papas, P. and Kay, I.W., "Structure and Penetration of a Transverse Fluid Jet Injected at Supercritical Pressure into Supersonic Flow," 28th Joint Propulsion Conference and Exhibit, Nashville,TN,U.S.A., AIAA 92-3652, 1992. 

  10. Fan, X.J., Yu, G., Li, J.G., Zhang, X.Y. and Sung, C.J., "Injection and Combustion of Vaporized Kerosene in a Supersonic Model Combustor," Journal of Propulsion and Power, Vol. 22, No. 1, pp. 103-110, 2006. 

  11. Colket, M.B., III, and Spadaccini, L.J., "Scramjet Fuels Autoignition Study," Journal of Propulsion and Power, Vol. 17, No. 2, pp. 315-323, 2001. 

  12. Ji, C., You, X., Holley, A.T., Wang, Y.L., Egolfopoulos, F.N. and Wang, H., "Propagation and Extinction of Mixtures of Air with n-Dodecane, JP-7, and JP-8 Jet Fuels," 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, U.S.A, AIAA 2008-974, 2008. 

  13. Axel VINCENT-RANDONNIER, Bruno ROUXEL, et al, "Experimental investigations on the self-ignition of a thermally decomposed endothermic fuel in hot supersonic air flow in the MPP-LAERTE combustion test bench," 15th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, Dayton, Ohio, U.S.A, AIAA2008-2676, 2008. 

  14. Fan, X.J., Yu, G., Li, J.G., Zhang, X.Y. and Sung, C.J., "Combustion and Ignition of thermally cracked kerosene in supersonic model combustors," Journal of Propulsion an d Power, Vol. 23, No. 2, pp. 317-324, 2007. 

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