[논문]PDE 추진기관 부체계 기술 연구 동향

진완성; 김지훈; 황원섭; 김정민; 최정열

doi:10.5139/jksas.2015.43.8.712

PDE 추진기관 부체계 기술 연구 동향
Research Activities on Subsystem Technologies of PDE Propulsions 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.8, 2015년, pp.712 - 721

진완성 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University) , 김지훈 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University) , 황원섭 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University) , 김정민 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University) , 최정열 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University)

초록
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펄스데토네이션엔진은 넓은 작동 범위와 높은 열효율로 인하여 잠재력 있는 미래 추진기관 시스템으로 연구되어왔다. 이러한 잠재력을 개선하기 위하여 지난 10여 년간 다양한 요소 기술들에 대한 연구가 진행되었다. 고주파수의 환경에서 PDE를 안정적으로 작동시키기 위하여, inflow-driven 밸브, 회전 밸브 등을 포함하는 새로운 밸브 시스템과 무밸브 시스템이 개발되었다. 작은 점화 에너지로 빠르게 데토네이션을 발생시키기 위하여 플라즈마 점화 방법과 경사 장애물 기술과 같은 DDT 가속 방법이 연구되었다. 또한 PDE 추진 성능 극대화를 위하여 유체노즐 등의 노즐 시스템도 진행 중인 연구 주제의 하나이다. 본 논문에서는 지난 수년간 개발된 PDE의 최신 부체계 핵심 기술에 대하여 소개하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Pulse Detonation Engine (PDE) has been considered as a future propulsion system for broad range of operation and higher thermal efficiency. Various subsystem technologies have been studied for more than decade to improve the performance of the potential system. New valve systems has been developed for the stable operation at high frequency including inflow-driven valve, rotary valve and valveless system. To foster the detonation initiation with a little ignition energy, plasma ignition method and DDT (deflagration to detonation transition) acceleration method such as swept ramp mechanism have been studied. Fluidic nozzle system and other nozzle system are the ongoing research topics to maximize the propulsion performance of the PDE. Present paper introduces the state of the art of PDE subsystem technologies developed in recent years.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 작은 점화에너지로 빠르게 데토네이션을 발생시키기 위하여 플라즈마 점화 방식이나 DDT 가속 기술에 대한 연구도 진행되고 있으며, 또한 PDE 추진 성능 극대화를 위하여 유체노즐 등의 노즐 시스템도 진행 중인 연구 주제의 하나이다. PDE 시스템 연구에 대해서 앞서 다룬바 있으므로 본 논문에서는 지난 수년간 개발된 PDE의 최신 부체계 핵심 기술에 대한 소개하고자 한다.
PDE는 잠재적인 미래 추진기관으로서만이 아니라 고속 고온 분사가 필요한 열 코팅 등의 산업 현장에서도 응용될 수 있음을 살펴보았다. 본 논문에서는 PDE의 성능을 향상시키고 실용화를 앞당기기 위한 최신의 부체계 요소 기술에 대하여 소개하였다.
PDE는 잠재적인 미래 추진기관으로서만이 아니라 고속 고온 분사가 필요한 열 코팅 등의 산업 현장에서도 응용될 수 있음을 살펴보았다. 본 논문에서는 PDE의 성능을 향상시키고 실용화를 앞당기기 위한 최신의 부체계 요소 기술에 대하여 소개하였다. 회전밸브, 무밸브 시스템 등 공급 계통 요소기술에 대하여 살펴보았으며, 플라즈마 점화기, 경사 장애물 등 DDT 가속을 위한 점화 계통, 유체 노즐 등 추진 성능 최적화를 위한 배기 계통에 대하여 살펴보았다.

제안 방법

NPS는 1998년을 시작으로 현재까지 펄스데토네이션 엔진 및 연소에 관한 연구를 진행하여왔다. 1998년에는 단일 사이클 실험 및 모델링을 수행하였으며 2002년 까지 데토네이션 파의 회절과 100 Hz 고주파수 발생기에 관한 연구를 수행하였다. 그 후 TPI(Transient Plasma Ignition), v무밸브 시스템, TPI를 적용시킨 PDE 기관, 장애물 및 유체 노즐에 관한 연구를 현재까지 수행하였다[18].
1998년에는 단일 사이클 실험 및 모델링을 수행하였으며 2002년 까지 데토네이션 파의 회절과 100 Hz 고주파수 발생기에 관한 연구를 수행하였다. 그 후 TPI(Transient Plasma Ignition), v무밸브 시스템, TPI를 적용시킨 PDE 기관, 장애물 및 유체 노즐에 관한 연구를 현재까지 수행하였다[18]. 이들의 연구 중 주목할 만한 부분은 플라즈마를 이용한 새로운 점화 방법이다.
5와 같이 시스템을 구성하고 내경이 50 mm와 120 mm인 경우로 나누어 실험을 진행하였고, 등유와 공기의 낮은 데토네이션 폭발성으로 인해 플래시 증류 (flash vaporization) 방식을 이용하였다고 보고하였다. 또한 원심 노즐과 이유체 (twin-fluid) 공기보조 분무기가 이용되어 연료의 물방울 크기가 데토네이션 발생 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
PDE는 연료와 산화제, 그리고 퍼지가스를 매 사이클마다 반복적으로 주입해야하는 과제를 가지고 있다. 이것을 해결하기 위하여 기존에는 일반적인 솔레노이드 밸브와 내연기관 등을 이용하여 추진제 공급 시스템을 구축하였다.
본 논문에서는 PDE의 성능을 향상시키고 실용화를 앞당기기 위한 최신의 부체계 요소 기술에 대하여 소개하였다. 회전밸브, 무밸브 시스템 등 공급 계통 요소기술에 대하여 살펴보았으며, 플라즈마 점화기, 경사 장애물 등 DDT 가속을 위한 점화 계통, 유체 노즐 등 추진 성능 최적화를 위한 배기 계통에 대하여 살펴보았다.

성능/효과

Rasheed 등은 CFD와 고속 유동 가시화를 이용하여 연소기와 이차원 터빈 블레이드의 비정상유동의 상호작용을 관찰하였다[28]. 이들은 상대적으로 강한 충격파가 터빈 익렬을 통과할 때, 약한 파동이 상류로 반사됨을 보여주었으며, 시간에 따른 압력 변화가 터빈 작동에 직접적인 영향을 주는 것을 보였다. Kojima 등은 PDE를 주 연소기로 사용하는 가스터빈 엔진의 설계에 대해 연구하였다[29].
이들은 연료, 산화제, 그리고 퍼지가스에 각각 밸브를 설치하여 공급압력을 조절하면서 13 ~ 18 Hz 의 연발 시험을 수행하였다. 이들은 이 결과가 이론적인 계산을 통해 얻어낸 주파수와 거의 일치하고, 또한 유량의 경우도 이론적인 값과 실험 결과가 거의 일치하는 것을 보인 바 있다. IDV는 공급 유량만으로 솔레노이드 밸브 이상의 작동 주파수를 얻을 수 있는 장점이 있으나 기계적인 한계로 매우 높은 주파수를 얻기에는 한계가 있는 것으로 보인다.
Deng 등은 원심 터빈과 PDE를 병합시켜 압축기와 터빈이 PDE의 강한 펄스 파에 사용이 가능한지에 관하여 연구를 수행하였으며, 당량비가 병합기관의 출구 압력에 미치는 영향에 대해서도 연구를 수행하였다[30]. 이들의 결과는 터빈 입구에 12,000회의 데토네이션파 충격이 가해졌음에도 불구하고 기관이 잘 작동한다는 것을 보여 주었다. Nango 등은 비정상 CFD 를 이용하여 데토네이션파와 터빈의 상호작용을 연구하였으며 터빈 성능 분석 및 최적화 연구를 수행하였다[31~33].
7m의 거리에서 데토네이션이 발생하는 것을 확인하였다. 총 임계 데토네이션 발생에너지는 단일 에너지원에 의한 데토네이션 직접 발생보다 상당히 적다는 것이 발견되었다. 이 외에도 다양한 데토네이션 발생 장치가 연구되었지만, 이전에 상세히 다루어진 바 있기 때문에 생략한다[15].

후속연구

그동안 개발된 성과를 바탕으로 지속적으로 PDE 요소 기술에 대한 연구가 이루어지고 있어 앞으로 더욱 높은 수준의 기술이 개발될 것으로 전망된다. 아울러 PDE 시스템은 지난 십여 년간의 집중적인 연구를 통하여 많은 발전을 이루었지만, 데토네이션 연소 방식의 열제어 문제, 고온 재료 및 터빈 엔진과 체계 통합 시 간헐성 문제 및 성능 최적화 등 상용화를 위한 연구 주제와 개발의 기회가 여전히 열려있는 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PDE의 작동 사이클에 대해 설명하시오.	PDE의 사이클은 Fig. 1과 같이 먼저 연료와 산화제가 연소실 내부로 주입이 된다. 추진제의 공급이 이루어진 후 튜브에 설치된 점화기를 통해 점화가 이루어지면 화염이 발생하여 PDE 튜브 내부에서 전파가 되면서 데토네이션으로의 천이(DDT)가 진행된다. 데토네이션 파와 연소된 기연 가스가 튜브 외부로 배출되고 난 후 헬륨이나 질소와 같은 비활성 기체를 연소실에 주입시켜 튜브 내부를 환기한다. 이 과정들을 높은 주파수로 안정적으로 반복 작동할 수 있도록 하는 요소 기술이 PDE의 높은 추력을 얻기 위한 중요한 요소라고 할 수 있다.
	PDE는 어떻게 추력을 얻는가?	PDE는 넓은 작동 범위와 높은 열효율로 인하여 잠재력 있는 미래 추진기관 시스템으로 연구되어왔다. PDE는 기본적으로 원형 튜브에 한쪽 면이 막혀있는 구조로 되어있고, 데토네이션 파를 주기적으로 생성하는 방식으로 추력을 얻는다[1]. 또한 정적 초음속 연소 반응을 이용한 연소 과정으로 인해 Humphrey 사이클과 Brayton 사이클에 비하여 높은 성능을 얻을 수 있다[2].
	기존 추기관과 달리 압축기가 필요하지 않는 PDE의 특성 덕분에 어떤 이점을 기대할 수 있는가?	Figure 1에서 알 수 있듯이 PDE는 기존의 추기관들에 존재하는 압축기가 필요하지 않기 때문에 상대적으로 단순한 구조로 이루어져있다. 따라서 엔진 중량 측면에서 이득을 기대할 수 있으며, 데토네이션 자체의 압축 효과로 인하여 높은 추력 대 중량비를 기대할 수 있다. PDE는 적용분야에 따라 다양한 크기로 연구되고 있으며, 여러 가지의 추진제로 단발부터 150Hz 이상의 고주파수까지 다양한 주파수 작동이 연구되었다.

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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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