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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 향후 국내에서 고팽창비 노즐의 고공 환경 모사 실험을 위한 실제 2차목 디퓨저를 개발할 때 필요한 실험 데이터베이스를 확보하고자 하였다. 이를 위해 면적비 외에도 주요 설계 변수인 각종 길이 및 디퓨저 확대부를 변경시킨 2차목 디퓨저를 설계/제작하고, 상온 질소 가스를 이용한 실험을 통하여 2차목 초음속 디퓨저의 형상에 따른 성능 특성을 분석하고자 하였다.
- 본 연구에서는 축소형 상온 실험을 통하여 고공환경 모사용 2차목 초음속 디퓨저의 형상에 따른 성능 확인을 위해 수직 충격파 모델(Normal Shock Model)을 이용하여 기본형 초음속 디퓨저를 설계하였다. 기본형 디퓨저 설계를 바탕으로 초음속 디퓨저의 길이비, 면적비 및 확대부를 변화시켜가며 디퓨저를 제작하고, 실험을 수행하여 그 특성을 분석하였다.
제안 방법
- (13,14) 길이비의 변수로는 직경을 고정한 상태에서 Ld/Dd, Lst/Dst, Ls를 변수로 선정하였고, 면적비의 변수로는 길이를 고정한 상태에서 Ad/Ast(ψ), Ad/At를 변수로 선정하였다.
- 2차목 길이는 디퓨저 성능에 미치는 영향이 큰것으로 알려져 있고 디퓨저 전체 길이에 영향을 크기 미치기 때문에, 2차목 길이에 대한 성능을 확인하기 위해 2차목 길이를 변화시켜가며 실험을 수행하였다. 변화된 2차목 길이는 CASE 1, 4 ~ 9에 해 당 하 며 , 이를 직경에 대한 길이비 (Lst/Dst)로 환산해 보면 Table 2 및 5에 나타낸 바와 같이 3~12의 값을 갖게 된다.
- 2차목 디퓨저의 직경(Dst)에 따른 영향만을 확인하기 위하여 디퓨저 입구 직경(Dd), 2차목 길이비(Lst/Dst), 디퓨저 입구 길이비(Ld/Dd), 축소각(θc) 를 기본형 2차목 디퓨저와 동일하게 고정시키고, 2차목 직경(Dst)을 변화시켜가며 디퓨저 성능 변화를 살펴보았다.
- 2차목 직경(Dst) 변화는 2차목 디퓨저의 주요 설계변수인 2차목 면적비 (Ad/Ast(ψ)) 변화를 수반하게 되고, 본 연구에서는 기본형 디퓨저(CASE D)를 포함하여 6개의 변수를 선정하였다.
- 2차목 초음속 디퓨저의 디퓨저 직경(Dd) 및 2차목 직경(Dst)을 변화시켜가며 디퓨저의 시동압 력과 디퓨저 내의 진공도를 확인하였다. 2차목 디퓨저 입구부 및 2차목 직경에 따른 영향만을 확인하기 위하여 각각을 제외한 나머지 변수들은 기본형인 디퓨저와 동일하게 고정하였다.
- 본 연구에서는 축소형 상온 실험을 통하여 고공환경 모사용 2차목 초음속 디퓨저의 형상에 따른 성능 확인을 위해 수직 충격파 모델(Normal Shock Model)을 이용하여 기본형 초음속 디퓨저를 설계하였다. 기본형 디퓨저 설계를 바탕으로 초음속 디퓨저의 길이비, 면적비 및 확대부를 변화시켜가며 디퓨저를 제작하고, 실험을 수행하여 그 특성을 분석하였다.
- 다양한 변수로 구성된 초음속 디퓨저를 이용하여 고고도의 저압 환경을 모사하기 위하여 디퓨저를 입구, 목, 출구 부분으로 나누어 제작하였다. 디퓨저 성능 실험에 사용된 실험 장치는 선행 연구에서 사용하던 것으로, 크게 고압 기체 (N2) 공급부, 시험부(Test Section), 데이터 계측 및 제어부로 나눌 수 있다.
- 8은 제작/조립된 시험부의 모습을 보여주고 있다. 디퓨저 작동 실험에 앞서 정확한 실험 결과 값을 얻기 위해, 기밀시험을 수행하여 디퓨저 연결부의 누설 여부를 확인하였다. 각 결합부에는 누설을 최소화하기 위해서 고무 오링과 진공 그리스를 사용하였다.
- 2차목 디퓨저 입구부 및 2차목 직경에 따른 영향만을 확인하기 위하여 각각을 제외한 나머지 변수들은 기본형인 디퓨저와 동일하게 고정하였다. 또한, 확대부의 영향은 고려하지 않기 위해 모든 직경 변화 실험에서는 확대부를 장착하지 않고 실험을 수행하였다.
- 설계된 초음속 2차목 디퓨저에서 입구 길이 (Ld), 2차목의 길이(Lst), 확대부의 길이(Ls)를 각각 변화시켜가며, 디퓨저의 성능 특성을 분석하였다. 각각의 실험에서 변수에 해당하는 부품을 제외한 나머지 디퓨저 부품은 기본형 부품을 사용하였다.
- 7은 본 실험에서 사용된 고압 질소 공급 부 및 시험부의 시험 장치도로서, 고압으로 저장된 질소 탱크를 이용 하여 실험부로 질소를 공급할 수 있도록 되어 있다. 시험부는 설계된 디퓨저가 장착되는 곳으로, 진공 챔버 내부의 압력과 2차목 벽면 압력 변화를 측정하기 위해 전기식 진공 압력센서(VALCOM, -1~3 kgf)를 진공 챔버와 디퓨저 길이 방향으로 장착하여 데이터를 수집할 수 있도록 하였다. 모든 가압 압력은 bar 단위를 사용하였지만, 계측된 진공 압력은 일반적으로 진공 압력을 나타내는데 많이 사용되는 torr 단위로 변환하여 표시하였으며, 1 bar는 약 750 torr에 해당한다.
- 따라서 본 논문에서는 향후 국내에서 고팽창비 노즐의 고공 환경 모사 실험을 위한 실제 2차목 디퓨저를 개발할 때 필요한 실험 데이터베이스를 확보하고자 하였다. 이를 위해 면적비 외에도 주요 설계 변수인 각종 길이 및 디퓨저 확대부를 변경시킨 2차목 디퓨저를 설계/제작하고, 상온 질소 가스를 이용한 실험을 통하여 2차목 초음속 디퓨저의 형상에 따른 성능 특성을 분석하고자 하였다.
- 전술한 바와 같이 2차목 디퓨저의 입구부에 따른 영향만을 확인하기 위하여 2차목 입구 직경 (Dd), 2차목 길이비(Lst/Dst), 디퓨저 입구 길이비 (Ld/Dd), 축소각(θc)을 기본형인 디퓨저와 동일하게 고정시켰다.
- 각 결합부에는 누설을 최소화하기 위해서 고무 오링과 진공 그리스를 사용하였다. 진공 펌프를 이용하여 챔버와 디퓨저 내의 압력을 20 torr 미만까지 설정한 후 시간에 따른 압력회복 값을 계측하여 누설여부를 판단하였다. Fig.
대상 데이터
- 디퓨저 성능 실험에 사용된 실험 장치는 선행 연구에서 사용하던 것으로, 크게 고압 기체 (N2) 공급부, 시험부(Test Section), 데이터 계측 및 제어부로 나눌 수 있다.
- 본 연구에서는 기본형으로 설계된 Table 1의 2차목 디퓨저를 기준으로, 길이비와 면적비를 변수로 선정하였다.(13,14) 길이비의 변수로는 직경을 고정한 상태에서 Ld/Dd, Lst/Dst, Ls를 변수로 선정하였고, 면적비의 변수로는 길이를 고정한 상태에서 Ad/Ast(ψ), Ad/At를 변수로 선정하였다.
- 디퓨저 확대부 길이는 시동압력에 영향을 주는 주요 변수로 확대부 길이 변화로 시동압력이 변하게 된다. 확대부 길이에 따른 시동압력을 보기 위하여 확대부의 길이를 기본설계인 144mm를 기준으로 72.2mm, 0mm로 실험을 수행하였다. Table 6은 실험 결과를 정리한 것으로, 확대부가 없을 경우의 시동압력이 가장 높은 것으로 확인되었고, 확대부 길이가 72.
이론/모형
- 고공 환경을 모사하기 위한 초음속 디퓨저는 수직 충격파 모델(Normal Shock Model)을 이용하여 설계되며, 아래 식 (1)~(6)으로 계산할 수 있다.(4~8) Fig.
성능/효과
- ) 변화는 1차 노즐을 지난 유동이 디퓨저 벽면까지 팽창하는 면적이 변하여 진공도에 영향을 주지만, 영향이 그다지 크지는 않은 것으로 확인 되었다. 2차목 길이(Lst)가 짧아질수록 시동압력이 점점 커지는 것으로 확인되었고, 2차목 길이비 (Lst/Dst)가 8이상에서는 시동 압력 및 진공 챔버 압력의 변화가 거의 없는 것으로 확인되었다. 마지막으로 디퓨저 확대부(Ls)가 존재하면 시동 압력이 감소되지만, 일정 길이 이상에서는 그 효과가 없음을 확인하였다.
- (ψ)) 변화가 수반되어 최대 허용 면적비 이내에 있을 경우 2차목 면적비가 커짐에 따라 진공 챔버 압력이 상승하지만 최대 허용 면적비를 초과할 경우 진공 압력 상승 뿐만 아니라 시동 압력도 급격히 상승하여 성능이 나빠지는 것으로 확인되었다. 2차목 직경(Dst) 변화에 따른 실험 결과도 마찬가 지로, 최대 허용 면적비 이내에 있을 경우 시동 압력이 점차 낮아지다가 범위를 초과하면 시동 압력이 상승하고, 심지어는 시동이 걸리지 않는 것으로 확인되었다. 진공 챔버 압력은 2차목 직경이 작아질수록 낮아지고, 2차목 면적비 (Ad/Ast(ψ)) 최대 허용치 이상에서 더욱 낮아지다 일정 면적비 이상에서 진공 챔버 압력이 급격히 높아지는 경향을 보였다.
- Fig. 16에서 2차목 면적비(Ad/Ast(ψ))가 커질수록 시동 압력이 낮아지다가 2차목 면적비(Ad/Ast(ψ)) 최대 허용치인 1.59를 넘어갈 경우 시동 압력이 다시 상승하기 시작하였고, 그래프에는 표시되지 않았지만 면적비가 2.51, 3.20에서는 시동이 걸리지 않는 것으로 확인되었다.
- 길이 변화에 따른 실험 결과 디퓨저 입구길이 (Ld) 변화는 1차 노즐을 지난 유동이 디퓨저 벽면까지 팽창하는 면적이 변하여 진공도에 영향을 주지만, 영향이 그다지 크지는 않은 것으로 확인 되었다. 2차목 길이(Lst)가 짧아질수록 시동압력이 점점 커지는 것으로 확인되었고, 2차목 길이비 (Lst/Dst)가 8이상에서는 시동 압력 및 진공 챔버 압력의 변화가 거의 없는 것으로 확인되었다.
- 디퓨저 직경 변화에 대한 실험 결과, 디퓨저 입구 직경(Dd) 변화는 2차목 면적비(Ad/Ast(ψ)) 변화가 수반되어 최대 허용 면적비 이내에 있을 경우 2차목 면적비가 커짐에 따라 진공 챔버 압력이 상승하지만 최대 허용 면적비를 초과할 경우 진공 압력 상승 뿐만 아니라 시동 압력도 급격히 상승하여 성능이 나빠지는 것으로 확인되었다.
- 하지만 2차목 면적비(Ad/Ast(ψ))가 그 이상이 될 경우, 시동이 걸리지 않아 진공 챔버의 압력이 급격히 상승하는 것으로 판단된다. 또한 CASE E는 2차목 디퓨 저인 다른 경우와 달리 동일 단면적 디퓨저 (CAED)에 해당하며, 동일 단면적 디퓨저보다 2차목 디퓨저가 더 낮은 압력에서 시동이 걸리고 더 높은 진공도를 모사할 수 있는 장점이 있음을 확인할 수 있다.
- 1차 노즐 전단 압력이 상승할 경우, 상대적으로 짧은 거리에서도 초음속 유동을 발달시킬 수가 있어 외기와의 압력 회복 위치를 뒤쪽으로 이동 시킬 수 있기 때문이다. 또한, 2차목 길이비(Lst/Dst)가 8일 경우는 디퓨저 내부 유동이 충분히 발달되어 전단 압력의 상승이 없이도 시동이 걸리는 상태가 되고, 2차목 길이비(Lst/Dst)가 8이상이 될 경우, 이미 디퓨저 내부 유동이 충분히 발달된 상태이기 때문에 길이 변화에 따른 압력 회복의 위치의 변화만 있을 뿐 1차 노즐 전단 압력의 차이가 없는 것으로 확인되었다. 따라서 2차목 길이비(Lst/Dst)가 8이상일 경우는 실험 장치를 구성하는 경제적 측면에서 과설계 되었다고할 수 있다.
- 2차목 길이(Lst)가 짧아질수록 시동압력이 점점 커지는 것으로 확인되었고, 2차목 길이비 (Lst/Dst)가 8이상에서는 시동 압력 및 진공 챔버 압력의 변화가 거의 없는 것으로 확인되었다. 마지막으로 디퓨저 확대부(Ls)가 존재하면 시동 압력이 감소되지만, 일정 길이 이상에서는 그 효과가 없음을 확인하였다.
- 따라서 확대부 유무에 따라 갑작스러운 압력 회복을 보이며, 확대부가 없는 경우 압력 회복의 위치가 앞쪽으로 당겨 오면서 디퓨저의 시동을 위한 1차 노즐의 압력이 상승하게 된 것으로 판단된다. 실험 결과에서 알 수 있듯이 확대부의 유무에 따라 시동 압력에 영향을 미치나, 일정 길이 이상 확보 시성능에 큰 영향을 미치지는 않는 것으로 확인된다.
- 실험 결과에서도 알 수 있듯이 2차목 면적비(Ad/Ast(ψ))가 최대 허용치 이내의 형상에서는 시동 압력이 거의 일정하지만, 최대 허용치를 초과할 경우 시동 압력이 급격히 증가하는 현상을 확인할 수 있다.
- 진공 챔버 압력은 2차목 직경이 작아질수록 낮아지고, 2차목 면적비 (Ad/Ast(ψ)) 최대 허용치 이상에서 더욱 낮아지다 일정 면적비 이상에서 진공 챔버 압력이 급격히 높아지는 경향을 보였다.
후속연구
- 본 연구를 통하여 얻어진 2차목 디퓨저의 설계 자료 및 실험 결과들은 향후 최적화된 실물형 디퓨저를 설계 및 제작하는데 있어 기초 자료로 활용이 가능할 것으로 사료된다.
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