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문제 정의
- 본 논문은 충격파 터널을 이용한 모델 스크램 제트 연구 수행에 있어 발생한 문제점 및 해결방안을 제시하였다. 해당 문제점은 흡입구 유동 불시동, 격막 파편에 의한 유동 교란 및 모델 손상, 다중 분사에 따른 연료 제트 미발달, 그리고 짧은 시험 시간으로 구분되었다.
- 이론적인 충격파 터널의 시험 시간은 입사 충격파 도달 직후부터 접촉면과 반사 충격파의 상호 작용으로 발생한 파동이 도달하는 시점까지이다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 충격파 관 연장을 통해 접촉면의 도달 시간을 물리적으로 지연시키고 이에 따른 시험 시간 변동을 실험적으로 확인하였다.
제안 방법
- PCB piezoelectric 동압력 센서를 이용하여 충격파관 끝단 압력을 측정하고, 압력 변화 양상을 관찰하여 충격파관 끝단에서의 시험 시간을 측정하였다. Fig.
- 단일 분사에 대하여 연료 제트는 발달하였으므로, 다중 분사에 따른 공급 연료 유량 부족을 원인으로 규정하고, 이를 해결하기 위하여 연료 분사 시스템을 수정하였다. Fig.
- 본체 하단 각도를 10º, 높이를 37 mm 변경하였으며, 카울 전단을 평평하게 변경하였다.
- 본체 후단에는 연료 혼합 및 화염 안정화를 위한 공동이 있으며 카울은 본체 상단 20 mm위치에 있다. 본체 흡입구와 공동 전단에 연료 분사 모듈을 설치하여 각각 흡입구 분사와 연소기 내부 분사가 가능하도록 하였다.
- 연료 분사 특성에 따른 모델 스크램제트 화염 유지 특성 연구를 위하여 세 가지 분사 모델이 사용되었다. Fig.
- 이에 따라 에틸렌 연료는 입사 충격파가 도달하기 이전부터 분사되어 완전히 발달한 상태가 된다. 연료 제트 발달에 필요한 시간은 연료 제트 가시화를 통하여 계측하였다.
- 5 ms로 측정되었다. 이러한 시험 시간 계산의 타당성 확보를 위하여 흡입구 유동 가시화 이미지에서 측정된 시험 시간과의 비교하였다. 조건 A에 대한 흡입구 유동 가시화 이미지(Fig.
- 시험 유동 시동 여부는 노즐 출구 면적과 시험 모델의 면적비(폐색율)에 큰 영향을 받는 한편, 본 연구에서 사용된 시험 모델은 기존 연구[1, 2]에서 사용한 시험 모델에 비해 더 큰 폐색율을 가진다. 이를 바탕으로 시험물의 하단부 및 카울 상단부의 면적을 축소하고 결과를 확인하였다. Fig.
- 한국과학기술원은 스크램제트 연구[1, 2]를 목적으로 2012년부터 충격파 터널 개발하여 2013년에 구축 완료하였다. 해당 시험 장비를 이용하여 이중압축램프 흡입구 형상의 모델 스크램제트 연구를 수행하는 과정에 어려움에 직면하였으나 다양한 시도를 통해 이를 극복하였다. 본 논문은 해당 문제점을 명시하고 그에 대한 해결책을 정리하였다.
대상 데이터
- 3차 격막은 낮은 파열 압력이 요구되므로 구입 및 가공이 용이한 폴리에스터 재질의 격막을 사용하였다. 또한 한 가지 유동 조건에 대하여.
- 고속 CMOS 카메라와 532 nm의 단일광 파장 레이저를 이용하여 초당 50,000 장의 이미지를 획득하였으며, 노출 시간과 해상도는 각각 293 ns, 768× 328 픽셀로 설정하였다.
- 충격파관은 고압의 구동 기체가 충전되는 고압관과 천이관 그리고 시험 기체가 충전되는 저압관으로 구분되며 각 관은 2 mm 두께의 폴리카보네이트 격막을 통해 물리적으로 구분된다. 본 연구에서는 고순도 헬륨을 구동 기체로, 공기를 시험 기체로 사용하였다. 폴리에스터 재질의 3차 격막은 충격파관과 노즐 사이에 있으며, 충격파관과 시험부를 구분한다.
- 에틸렌 (C2H4)이 연료로 사용되었으며 Fig. 6은 연료 분사 시스템의 모식도이다. 연료 분사 시스템은 크게 고압 연료 탱크, 플랙시블 파이프, 고속 솔레노이드 밸브, 분사 모델의 연료 분사 모듈로 구성된다.
- 한국과학기술원(KAIST) 항공우주공학과의 충격파 터널은 Fig. 1과 같이 충격파관, 노즐, 시험부 그리고 덤프 탱크로 구성된다. 충격파관은 고압의 구동 기체가 충전되는 고압관과 천이관 그리고 시험 기체가 충전되는 저압관으로 구분되며 각 관은 2 mm 두께의 폴리카보네이트 격막을 통해 물리적으로 구분된다.
이론/모형
- 충격파관 충전 조건에 따른 충격파관 끝단 유동 물리량을 Rankine-Hugoniot 관계식을 이용하여 계산하였다. 노즐 출구 유동 물리량은 노즐 목-출구 면적비에 따른 노즐 출구 마하수와 등엔트로피 팽창 관계식을 이용하여 계산하였다. 이와 같이 단순 등엔트로피 관계식으로 계산된 유동조건은 충격파 터널과 같은 고엔 탈피 설비에서 큰 오차를 가질 수 있다.
- 시험 구간 유동 가시화를 위하여 쉐도우그래프(shadowgraph) 기법을 이용하였다[2]. Fig.
- Table 1은 본 연구에 사용된 유동 조건을 정리한 표이다. 충격파관 충전 조건에 따른 충격파관 끝단 유동 물리량을 Rankine-Hugoniot 관계식을 이용하여 계산하였다. 노즐 출구 유동 물리량은 노즐 목-출구 면적비에 따른 노즐 출구 마하수와 등엔트로피 팽창 관계식을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
- 10은 폴리에스터 재질의 3차 격막 두께에 따라 변화하는 흡입구 유동의 가시화 결과이다. 격막의 두께가 얇아짐에 따라 시험 구간으로 유입되는 이물질의 양이 줄어드는 것이 확인되며, 유동 교란 역시 완화되는 것이 확인된다.
- 12 (c)). 결과적으로 다중 분사를 실시할 경우, 공급 연료 유량은 약 1.3배 늘어났다. 수정 후 다중 분사에 대한 연료 제트를 가시화한 결과, 단일 분사와 동일 수준의 마하 디스크 높이 및 제트 경계면이 확인되었다 (Fig.
- 8 (a))에 대해 점성 효과를 고려한 압축성 유동 해석 프로그램인 Eilmer3[4]를 이용하여 사전 계산한 결과, 흡입구 유동이 정상적으로 발달되는 것이 확인되었다[5]. 그러나 실제 흡입구 유동 가시화 결과, 유동 질식에 의하여 흡입구 유동이 정상적으로 발달되지 않는 것이 관찰되었다(Fig. 8 (b)).
- 본체 하단 각도를 10º, 높이를 37 mm 변경하였으며, 카울 전단을 평평하게 변경하였다. 변경 결과 카울 전단부 상단 면적 대비 카울 상단 면적이 b/a=0.5에서 b*/a*=0.88로 증가하였으며, 본체 전단 하단 면적 대비 본체 하단부 면적이 d/c=0.87에서 d*/c*=0.95로 증가하였다. 또한 폐색율은 0.
- 3배 늘어났다. 수정 후 다중 분사에 대한 연료 제트를 가시화한 결과, 단일 분사와 동일 수준의 마하 디스크 높이 및 제트 경계면이 확인되었다 (Fig. 12 (a), (b)).
- 해당 문제점은 흡입구 유동 불시동, 격막 파편에 의한 유동 교란 및 모델 손상, 다중 분사에 따른 연료 제트 미발달, 그리고 짧은 시험 시간으로 구분되었다. 시험 모델 면적 축소, 격막 두께 조절, 연료 분사 시스템 수정, 그리고 충격파관 연장을 통하여 문제를 해결하고 개선된 시험 결과를 얻었다. 위와 같이 본 논문에서 명시한 기술적 난제의 해결 방안은 다른 충격파 시험 수행에 좋은 참고 자료가 될 것으로 기대된다.
- 15 (a)는 흡입구 및 연소기 내부 유동 가시화 결과를 모델 표면에 맞게 겹쳐 나타낸 것이다. 유동 가시화 결과, 흡입구 유동 및 연소기 내부 유동은 각각 약 3.5ms와 2.5 ms 동안 안정적으로 유지되었으며, 이 시간동안 격막 파편에 의한 유동 교란은 발견되지 않았다. 흡입구 유동과 연소기 내부 유동의 정상 유동 유지 시간 차이가 보인다.
- 조건 별 시험 시간 비교 결과, 고압관과 저압관 모두를 연장한 C의 경우에는 시험 시간이 3.5 ms 수준으로 늘어났다. 하지만 저압관만 연장한 B의 경우에는 시험 시간이 오히려 0.
- 즉 해당 유동 조건의 엔탈피가 충분히 높아 에틸렌 자동 발화가 가능한 것이다. 최초 화염이 공동 내부에서 발견된 후, 연소 영역은 공동 내부의 재순환 영역으로 전파되었으며 안정적으로 화염이 유지되었다. 또한 공동 내부 연료-공기 혼합물의 일부가 연소기 내부 유동을 따라 공동 후류부로 빠져나오면서 공동 후류부에도 화염이 유지되었다.
- 12 (a), (b)).하지만 두 연료 제트가 서로 겹치는 부분이 발견되었으며, 해당 부분에서 제트 경계면과 마하 디스크가 약해지는 것이 관찰되었다.
- 15 (b)는 연소기 내부 화염 촬영한 결과이다. 화염 촬영 결과 에틸렌의 자동 발화가 관찰되었다. 즉 해당 유동 조건의 엔탈피가 충분히 높아 에틸렌 자동 발화가 가능한 것이다.
후속연구
- 시험 모델 면적 축소, 격막 두께 조절, 연료 분사 시스템 수정, 그리고 충격파관 연장을 통하여 문제를 해결하고 개선된 시험 결과를 얻었다. 위와 같이 본 논문에서 명시한 기술적 난제의 해결 방안은 다른 충격파 시험 수행에 좋은 참고 자료가 될 것으로 기대된다.
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