[논문]펄스 데토네이션 엔진 이론 성능 예측 프로그램

김태영; 김지훈; 최정열

doi:10.5139/jksas.2014.42.7.552

펄스 데토네이션 엔진 이론 성능 예측 프로그램
Theoretical Performance Prediction Program of Pulse Detonation Engines 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.42 no.7, 2014년, pp.552 - 560

김태영 (Aerospace Engineering, Busan National University) , 김지훈 (Aerospace Engineering, Busan National University) , 최정열 (Aerospace Engineering, Busan National University)

초록
AI-Helper

Pulse Detonation Engine (PDE)는 압축 효과에 따른 효율 증가와 정지 상태로부터 높은 초음속구간까지 작동가능하다는 등의 장점으로 인해 차세대 고속추진기관으로 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 Chapman-Jouguet 데토네이션 이론과 일정 단면적의 관내 압축성 기연 가스 팽창과정을 연계한 Endo 이론을 바탕으로 실제 추진제에 대한 효율적인 PDE 이론 성능 예측 프로그램을 개발하였다. 성능 예측 프로그램은 탄도진자 측정을 통하여 얻은 실험 결과와 비교를 통하여 검증하였다. 이 프로그램을 이용하여 당량비, 초기압력 및 초기 온도 및 압력에 대한 성능 특성을 살펴보았고 다양한 탄화수소 연료, 산화제 조성에 대한 성능을 해석하여 PDE 이론 성능 데이터베이스를 구축하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Pulse Detonation Engine(PDE) has been investigated as a next generation propulsion system with the advantages of the higher thermal efficiency by the compression effect and the wide operation ranges from zero speed at ground. In the present study, an efficient theoretical PDE performance prediction program was developed for realistic propellants based on the Endo's theory combining the Chapman-Jouguet detonation theory and expansion process of burnt gas in a constant area tube. The program was validated through the comparison with the experimental data obtained by a ballistic pendulum measurement. PDE performance analyses were carried out for various hydrocarbon fuels and oxidizer compositions by changing the mixture equivalence ratio and initial conditions. Theoretical PDE performance database could be established as a result of the analyses.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 CJ 데토네이션 이론과 일정 단면적의 관내 압축성 기연 가스 팽창과정을 연계한 Endo 이론을 바탕으로 실제 추진제에 대한 효율적인 PDE 이론 성능 예측 프로그램을 개발 하였다. 성능 예측 프로그램은 탄도진자 측정을 통하여 얻은 실험 결과와 비교를 통하여 정확도를 검증하였다.
본 연구에서는 여러 성능 해석 모델 중 가장 간단하면서도 정교한 이론 성능 해석 모델로 여겨지는 Endo 이론을 NASA CEA[15] 코드와 접목하여 실제 추진제에 대한 PDE 성능 예측 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램은 CEA 코드를 통해 추출한 데토네이션 특성을 조건으로 데토네이션 후방의 팽창파를 Endo 이론으로 계산하여 최종적으로 PDE의 추력 및 비추력 등 성능지표를 추출할 수 있도록 하였다.
초기 압력, 온도 및 당량비가 PDE 성능에 미치는 기본적인 영향을 살펴보기 위하여 에틸렌 (C₂H₄)-산소(O₂) PDE에 대한 성능 특성을 살펴보 았다. 에틸렌은 케로신과 같은 일반적인 액체 연료와 수소-탄소비가 유사한 가장 가벼운 기체 연료로써 추진기관의 기초 실험에 널리 이용된다.

가설 설정

연속작동 PDE에서는 다음 사이클을 준비하면서 부분 충진 효과 등을 고려해야 하지만, 본 연구에서는 각 사이클이 동일하게 작동한다는 가정 하에 가장 기초적인 PDE의 단발 추진성능에 대한 분석을 수행하였다.

제안 방법

CJ 데토네이션 결과를 이용하여 압력 파형 계산에 필요한 주요 변수들을 계산하고, 이를 이용하여 압력 파형을 결정한다. 얻어진 압력 파형을 시간 적분하여 PDE의 충격량 및 비추력 등의 추진 성능을 구한다.
개발된 성능 해석 프로그램을 이용하여 PDE 연구의 기초 자료로 활용하고자 여러 초기 조건및 연료/산화제 조합에 대하여 본 연구실에서 실험을 수행중인 내경 5 cm, 길이 1.0 m PDE 를 기준으로 성능해석을 수행하여 정리하였다. 본 연구에서는 CEA 코드에서 이용 가능한 탄화수소 연료 중, H₂, CH₄, C₂H₂, C₂H₄, Jet-A JP-10 총 6종의 연료에 대하여 각각 공기와 산소를 산화제로 고려하여 여러 초기 압력, 온도 및 당량비에 대하여 총 15,120개 조건의 성능 결과를 구하여 정리하였다.
본 연구에서는 여러 성능 해석 모델 중 가장 간단하면서도 정교한 이론 성능 해석 모델로 여겨지는 Endo 이론을 NASA CEA[15] 코드와 접목하여 실제 추진제에 대한 PDE 성능 예측 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램은 CEA 코드를 통해 추출한 데토네이션 특성을 조건으로 데토네이션 후방의 팽창파를 Endo 이론으로 계산하여 최종적으로 PDE의 추력 및 비추력 등 성능지표를 추출할 수 있도록 하였다. 프로그램의 정확도는 Kasahara 연구 팀에서 수행된 실제 탄도 진자 실험 결과와 비교함으로서 검증하였다[11].
가 가장 높은 Von Neumann spike가 발생하며, 이후 혼합물의 반응 속도에 의하여 지배받는 ZND (Zel'dovichNeumann-Döring)구조를 가지지만, 이 구간은 매우 짧기 때문에, PDE 성능에 크게 영향을 미치지는 않는다. 따라서 전체적인 PDE의 추진성능을 예측하고자 Von Neumann spike 및 ZND 구조는 고려하지 않았으며 데토네이션 후방 Chapman-Jouguet(CJ) 조건의 화학평형만을 고려 하였다.
0 m PDE 를 기준으로 성능해석을 수행하여 정리하였다. 본 연구에서는 CEA 코드에서 이용 가능한 탄화수소 연료 중, H₂, CH₄, C₂H₂, C₂H₄, Jet-A JP-10 총 6종의 연료에 대하여 각각 공기와 산소를 산화제로 고려하여 여러 초기 압력, 온도 및 당량비에 대하여 총 15,120개 조건의 성능 결과를 구하여 정리하였다.
CJ 데토네이션 결과를 이용하여 압력 파형 계산에 필요한 주요 변수들을 계산하고, 이를 이용하여 압력 파형을 결정한다. 얻어진 압력 파형을 시간 적분하여 PDE의 충격량 및 비추력 등의 추진 성능을 구한다. 이상의 과정을 당량비 0.
여러 압력에 대한 추력 성능 해석에 더불어, 1.0 bar에서 여러 초기 온도에 대한 해석을 수행 하였다. Fig.
프로그램의 정확도는 Kasahara 연구 팀에서 수행된 실제 탄도 진자 실험 결과와 비교함으로서 검증하였다[11]. 이 프로그램을 사용하여 다양한 탄화수소 연료/산화제 조합에 대하여 초기압력, 온도 및 당량비를 변화시키며 해석을 수행함으로써 PDE 의 이론 성능 데이터베이스를 구축하였다.
성능 예측 프로그램은 탄도진자 측정을 통하여 얻은 실험 결과와 비교를 통하여 정확도를 검증하였다. 이 프로그램을 이용하여 다양한 탄화수소 연료, 산화제 조성에 대하여 초기압력, 당량비, 초기 온도 및 압력에 변화를 주며 성능을 해석하였고, 이로부터 PDE 이론 성능 데이터베이스를 구축할 수 있었다.
얻어진 압력 파형을 시간 적분하여 PDE의 충격량 및 비추력 등의 추진 성능을 구한다. 이상의 과정을 당량비 0.1부터 3.0까지 0.1 간격으로 증가시키며 추진 성능을 구하여 성능 변화를 구하였다.
에틸렌은 케로신과 같은 일반적인 액체 연료와 수소-탄소비가 유사한 가장 가벼운 기체 연료로써 추진기관의 기초 실험에 널리 이용된다. 이에 따라 본 연구에서는 에틸렌-산소 PDE 의 당량비 및 초기압력, 초기온도에 따른 성능 해석을 수행하였다.
추진제 조합에 따른 PDE 성능 특성을 파악하기 위하여 표준 대기 조건에서 기준 PDE 형상을 대상으로 성능 해석을 수행하였다. Fig.
프로그램은 연료, 산화제, 초기압력, 초기 온도 4가지의 변수를 초기변수로 설정하였고, 입력된 값을 NASA CEA코드의 CJ 데토네이션 해석 부프로그램을 통하여 PDE 성능 예측방법 계산에 필요한 미연가스와 기연가스의 비열비, γ1, γ2, 기연가스의 평균분자량, MwburntDCJ MCJ 등의 CJ 데토네이션 특성을 계산한다.

대상 데이터

기연 가스의 비열비를 아는 경우 실제 압력 변화 함수 f_n′은 f_n으로부터 보간법을 이용하여 구한다. 본 연구에서 비열비는 CEA 해석으로 얻어진 CJ 조건의 비열비를 이용하였다. 이상의 과정을 P_w를 P₁까지 감소할 때 까지 시간을 증가시키며 반복한다.

데이터처리

PDE 데이터베이스 구축에 앞서 성능예측 프로그램에 대한 검증을 위하여 PDE 성능을 가장 정확하게 계측할 수 있는 탄도진자 실험측정 결과와 해석 결과와의 비교 검증을 수행하였다[11]. Figure 6과 Fig.
본 연구에서는 CJ 데토네이션 이론과 일정 단면적의 관내 압축성 기연 가스 팽창과정을 연계한 Endo 이론을 바탕으로 실제 추진제에 대한 효율적인 PDE 이론 성능 예측 프로그램을 개발 하였다. 성능 예측 프로그램은 탄도진자 측정을 통하여 얻은 실험 결과와 비교를 통하여 정확도를 검증하였다. 이 프로그램을 이용하여 다양한 탄화수소 연료, 산화제 조성에 대하여 초기압력, 당량비, 초기 온도 및 압력에 변화를 주며 성능을 해석하였고, 이로부터 PDE 이론 성능 데이터베이스를 구축할 수 있었다.
개발된 프로그램은 CEA 코드를 통해 추출한 데토네이션 특성을 조건으로 데토네이션 후방의 팽창파를 Endo 이론으로 계산하여 최종적으로 PDE의 추력 및 비추력 등 성능지표를 추출할 수 있도록 하였다. 프로그램의 정확도는 Kasahara 연구 팀에서 수행된 실제 탄도 진자 실험 결과와 비교함으로서 검증하였다[11]. 이 프로그램을 사용하여 다양한 탄화수소 연료/산화제 조합에 대하여 초기압력, 온도 및 당량비를 변화시키며 해석을 수행함으로써 PDE 의 이론 성능 데이터베이스를 구축하였다.

이론/모형

간단한 성능예측 방법은 Endo-Fujiwara 이론을[12] 이용하여 C-J 데토네이션 상태에서의 시간에 따른 압력변화를 단순화하여 나타낸 성능 예측 방법으로써, Fig. 3에서와 같이 t_II, t_III, P₃, T_cyc 값을 이용한 세 가지 상태만을 사용하여 압력변화를 표현한다. 따라서 팽창파와 같은 부분은 고려하지 않고.

성능/효과

0 bar에서 여러 초기 온도에 대한 해석을 수행 하였다. Fig. 10에 나타난 것과 같이 초기 온도가 연소 생성물에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 보이며, 높은 초기 온도는 초기 음속을 증가시켜 M_CJ를 크게 감소시키고, 결과적으로 Fig. 11과같이 비추력을 감소시키는 것으로 보이지만, 마하수 감소에 비하여 감소폭이 크지는 않았다.
실험 결과에 비하여 대체로 높게 예측되는 압력 변화에도 불구하고 낮은 성능을 보이는 이유는, 추진 성능 이론에서 무시한 von Neumann spike 부분에서의 압력 증가 때문으로 여겨진다. 결과적으로 이상의 두 가지 요인이 보완되어 실험 결과에 매우 근접한 결과를 보이는 것을 확인 할 수 있었으며, 해석에 이상의 요인을 고려하는 경우 더욱 정밀한 예측이 가능할 것으로 여겨지지만 이론의 복잡성을 고려할 때 현재 수준의 예측 결과는 실용적으로 충분한 정확도를 가지는 것으로 여겨진다.
해석의 결과 초기 압력, 온도 및 추진제 조성에 대한 PDE 비추력 특성은 기존의 추진기관에서 예측할 수 있는 바와 유사한 경향성을 보였다. 로켓 모드의 경우 정압 연소 로켓과 마찬가지고 과농 조건에서 최대 비추력을 보였으나, 최대 비추력 당량비가 2.0 이상의 수준으로 매우 높은 특징을 보였다. 이는 데토네이션의 정적 연소 효과에 의하여 연소 온도가 매우 높기 때문에 생성물의 해리에 의한 평균 분자량 감소 효과로 여겨진다.
해석의 결과 초기 압력, 온도 및 추진제 조성에 대한 PDE 비추력 특성은 기존의 추진기관에서 예측할 수 있는 바와 유사한 경향성을 보였다. 로켓 모드의 경우 정압 연소 로켓과 마찬가지고 과농 조건에서 최대 비추력을 보였으나, 최대 비추력 당량비가 2.

후속연구

그럼에도 불구하고 비추력이 크지 않은 이유는 출구 및 외부의 압력차가 추력에 미치는 영향 및 노즐을 이용한 추력 최적화가 이루어지지 않았기 때문으로 여겨진다. 따라서 초기 압력과 외부 압력을 동일하게 설정하여야 하는 현재의 이론 해석 모델을 보완하고, 비정상 작동 상황에 대한 노즐 최적화가 가능하다면 로켓 수준의 비추력 이상을 기대할 수 있을 것으로 여겨진다.
본 연구의 이론 성능 모델에는 출구 배압 효과및 비정상 팽창과정에 대한 노즐 면적 변화 효과를 포함할 수 없는 한계가 있으므로 전산 유체 해석 등을 통한 모델 보완 및 비정상 팽창 과정에 대한 노즐 형상 최적화 연구가 수행된다면 정압연소 추진 기관 이상의 비추력을 기대할 수 있을 것으로 여겨진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Pulse Detonation Engine의 이론 성능 예측방법에 대한 연구가 많이 진행되어온 이유는 무엇인가?	PDE는 주기적 작동 특성으로 인하여 기존의 정상상태 가정에 기초한 추력이론을 적용할 수 없기에 이론 성능 예측 방법에 대한 연구도 많이 진행되어 왔다. Heiser와 Pratt[6]은 PDE의 열역학적 사이클 해석 연구를 처음으로 제시하였으며, Wu[7]등은 전산유체역학을 활용한 사이클 해석 및 시스템 성능 연구를 수행하였다.
	PDE의 구동은 일반적으로 어떻게 이루어지는가?	일반적인 형태의 PDE의 구동은 Fig. 1과 같이①연료 및 산화제 주입, ②점화, ③충격파 생성 및 데토네이션 파의 전이, ④팽창파의 전이, ⑤배출 (blow down) 및 퍼지가스 공급의 5가지 순차적 과정의 반복으로 진행된다.
	PDE가 가진 장점은 무엇인가?	지난 수십 년간 데토네이션 파를 이용한 추진 기관에 대한 많은 연구가 진행되어 왔으며, 특히 지난 이십 년간 Pulse Detonation Engine(PDE) 은 충격파 압축 효과에 따른 열효율 증가 및 지상 정지 상태에서부터 높은 초음속 영역에서도 높은 비추력으로 작동가능하다는 장점 때문에,미국을 비롯한 여러 나라에서 차세대 고속 추진 기관으로써 연구가 진행되어 왔다[1-5].

참고문헌 (15)

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Endo, T., Kasahara, J., Matsuo, A., Inaba, Sato, S., and Fujiwara, T., "Pressure History at the Thrust Wall of a Simplified Pulse Detonation Engine," AIAA Journal, Vol.42, No.9, pp.1921-1930, 2004.

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Endo, T., Yatsufusa, T., Taki, S., Matsuo, A., Inaba, K., Kasahara, J., "Homogeneous Dilution Model of Partially Fueled Simplified Pulse Detonation Engines," Journal of Propulsion and Power, Vol.23, No.5, pp.1033-1041, 2008.
Gordon, S., McBride, B.J., "Computer program for Calculation of Complex Chemical equilibrium Compositions and Applications," NASA RP-1411, Part I, 1994.

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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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