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Lab-scale 비행운 발생장치 설계 및 시험
Design and Experiment of Lab-scale Contrail Generator 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.23 no.4, 2019년, pp.35 - 41  

최재원 (Department of Aeronautical & Mechanical Design Engineering, Korean National University of Transportation) ,  옥권우 (Department of Aeronautical & Mechanical Design Engineering, Korean National University of Transportation) ,  김상기 (Department of Aeronautical & Mechanical Design Engineering, Korean National University of Transportation) ,  김혜민 (Department of Aeronautical & Mechanical Design Engineering, Korean National University of Transportation)

초록
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비행운은 차가운 대기환경에서 항공기가 운항할 때 엔진 배기의 수증기가 응축하여 발생하는 구름을 뜻한다. 비행운은 환경적, 군사적으로 악영향을 끼치는 요소로 지목되고 있으며, 이에 따라 비행운을 저감시키기 위한 다양한 연구가 선진국에서 진행되었다. 본 연구에서는 비행시험 없이 지상에서 진행할 수 있는 Lab-scale 비행운 발생 장치를 설계하고, 이를 활용하여 기존 연구에서 제시된 비행운 저감 기법을 실험적으로 검증하는 데 그 목적이 있다. 연구를 통해 과열증기와 저온풍동을 사용하는 비행운 발생 장치를 제작하였으며, 이를 통해 기존 문헌에 제시된 에탄올유화제가 비행운 저감에 효과가 없음을 실험적으로 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Contrail is a kind of cloud that is formed during the flight by vapor condensation of engine exhaust in a cold atmospheric condition. Owing to the negative effects of contrails on the environment and in military applications, several studies for contrail mitigation had been performed in developed co...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 엔진 후류를 생성하기 위해서는 가스터빈을 사용하는 것이 일반적이지만 가스터빈 적용 시 실험장치의 후류 냉각시설이 커지고, 카본 등과 같은 연소 후 물질로 인해 실험이 부정확해진다는 단점이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 가스터빈 후류를 모사하기 위해 과열증기와 공기의 혼합물을 최대 400℃으로 가열하는 후류 발생부를 설계하였다. 증기 생성부에서는 물을 가열하여 3 기압의 포화증기를 생성하게 된다.
  • 비행운이 발생하기 위해서는 고온의 후류가 –30℃ 이하의 저온 대기로 토출되어야 하는데, 지상에서 저온/저압 모사장치를 제작하기는 매우 어렵다. 따라서 본 연구에서는 저온풍동 장치를 설계하여 고고도의 대기조건 중 비행운 발생에 직접적으로 영향을 미치는 저온 조건만을 모사하였다. 압축탱크에서 토출되는 건공기를 드라이아이스 사이로 흘려보내는 증발냉각 방식을 사용하여 공기를 –50℃ 정도까지 냉각시켰으며, 이 기체를 Wind tunnel(아크릴 관)에 흐르게 하여 실험을 수행하였다.
  • 본 연구에서는 알코올계 화학약품 중 비교적 독성이 적은 에탄올과 유화제(Tween 80)의 비행운 저감 능력을 검증하였다. 본 연구를 통해 적은 비용으로 비행운 저감 성능을 검증하는 실험적 기반을 구축하고자 한다.
  • 본 연구에서는 비행운 저감 전략 수립을 위해 지상 Lab-scale에서 비행운 저감 연구 수행이 가능한 장치를 설계 및 제작하였으며, 제작된 장비를 통해 에탄올과 유화제의 투입에 따른 비행운 저감을 실험적으로 검증하였다. 실험 결과를 통해 에탄올과 Tween 80은 기존에 알려진 바와 달리 비행운 저감에 거의 효과가 없음을 확인하였다.
  • 또한 기존 알코올계 화학약품에 유화제를 적절히 혼합하면 더욱 큰 효과를 볼 수 있다고 제시하였다. 본 연구에서는 알코올계 화학약품 중 비교적 독성이 적은 에탄올과 유화제(Tween 80)의 비행운 저감 능력을 검증하였다. 본 연구를 통해 적은 비용으로 비행운 저감 성능을 검증하는 실험적 기반을 구축하고자 한다.
  • 비행운 발생 장치의 성능을 검증하기 위한 실험을 진행하였다. 실험 수행 전 Wind tunnel 에 냉공기만 통과시켰을 때 관 내부는 Fig.
  • 한 예로 레이더가 없던 2차 세계대전에서는 비행운을 식별하여 항공기 존재여부를 확인하였다[3]. 이에 따라 선진국을 중심으로 수 십년 전부터 비행운을 저감하기 위한 연구를 진행하였다. 저자들이 이전 논문에서 조사한 바에 따르면[4] 비행운 저감을 위해 비행경로 변경[5,6], 엔진 변경[7], 연료 성분 변화[8] 및 배기 후처리[9] 방법 등이 제안되거나 시도되었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
비행운이란? 비행운은 차가운 대기환경에서 항공기가 운항할 때 엔진 배기의 수증기가 응축하여 발생하는 구름을 뜻한다. 비행운은 환경적, 군사적으로 악영향을 끼치는 요소로 지목되고 있으며, 이에 따라 비행운을 저감시키기 위한 다양한 연구가 선진국에서 진행되었다.
비행운의 단점은? 비행운은 환경 및 군사적인 측면에서 부정적인 영향을 미친다고 알려져 있다. 비행운은 지상에서 방출되는 장파복사를 흡수하여 대기 온도를 높이고, 이에 따라 지구 온난화를 가속화시킨다. 군사적
가스터빈이 아닌 가스터빈 후류를 모사하는 후류 발생부를 설계한 이유는? 실험 장치는 크게 후류 발생부, 저온풍동, 계측부 등으로 구성된다. 엔진 후류를 생성하기 위해서는 가스터빈을 사용하는 것이 일반적이지만 가스터빈 적용 시 실험장치의 후류 냉각시설이 커지고, 카본 등과 같은 연소 후 물질로 인해 실험이 부정확해진다는 단점이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 가스터빈 후류를 모사하기 위해 과열증기와 공기의 혼합물을 최대 400℃으로 가열하는 후류 발생부를 설계하였다.
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참고문헌 (11)

  1. Noppel 2007 10.2514/1.28655 “Contrail And Cirrus Cloud Avoidance Technology“ 

  2. Noppel, F., Singh, R.. Overview on Contrail and Cirrus Cloud Avoidance Technology. Journal of aircraft, vol.44, no.5, 1721-1726.

  3. Meteorologische Zeitschrift Schumann 5 1 4 1996 10.1127/metz/5/1996/4 “On Condition for Contrail Formation from Aircraft Exhausts“ 

  4. Journal of Aerospace System Engineering Choi 12 2 23 2018 “A Trend for the Contrail Reduction Technology” 

  5. Fichter, C., Marquart, S., Sausen, R., Lee, D. S.. The impact of cruise altitude on contrails and related radiative forcing. Meteorologische Zeitschrift, vol.14, no.4, 563-572.

  6. Mannstein 2217 “How to Avoid Contrail Cirrus” 

  7. Haglind, F.. Potential of lowering the contrail formation of aircraft exhausts by engine re-design. Aerospace science and technology, vol.12, no.6, 490-497.

  8. Journal of Geophysical Research Strom 107 D18 AAC2-1 2002 10.1029/2001JD000838 “First Simulation of Cryoplane Contrails” 

  9. “Agent for De-Icing and Protecting Against Icing-Up” Konig-Lumer 1982 

  10. “Method of Suppressing Formation of Contrails and Solution Therefor” Singh 1991 

  11. “Method and apparatus for suppressing contrails” Anderson 1970 

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