[논문]마하 5 스크램젯 엔진의 흡입구 시동 특성

양인영; 이양지; 김영문; 이경재

마하 5 스크램젯 엔진의 흡입구 시동 특성
Intake Start Characteristics of a Mach 5 Scramjet Engine 원문보기

양인영 (한국항공우주연구원 항공추진기관팀) , 이양지 (한국항공우주연구원 항공추진기관팀) , 김영문 (한국항공우주연구원 항공추진기관팀) , 이경재 (한국항공우주연구원 항공추진기관팀)

마하 5 스크램젯 엔진에 대하여 흡입구 시동 특성 시험을 수행하였다. 시험 모델과 시험 설비의 상호 작용이나 과다한 내부 압축비에 의한 흡입구 불시동 현상을 관찰하였다. 모델의 위치를 조정함으로써 모델-설비의 상호 작용을 없애고 카울의 형상을 변경하여 내부 압축비를 조정함으로써 흡입구 시동을 달성하였다.

Intake start characteristics of a Mach 5 scramjet engine were investigated experimentally. Intake unstart was observed. The model-facility interaction or excessive internal contraction ratio were attributed to this unstart. Intake start was achieved by changing the model position to remove the model-facility interaction, and by modifying the cowl to give smaller contraction ratio.

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문제 정의

본 논문에서는 마하 5 스크램젯 엔진에 대하여 한국항공우주연구원에서 운용 중인 스크램젯 엔진시험설비(SeTF)[1]를 사용하여 엔진 흡입구 시동 시험을 수행한 내용을 다룬다. 특히 흡입구 카울(cowl) 형태 및 내부 압축비에 따른 시동 특성이 기존에 알려진 연구나 이론, 계산에 의한 예측과 어떻게 다른지를 고찰하고자 하였다.
이러한 불시동 현상은 엔진 흡입구의 내부 압축(internal compression)이 과도하게 발생한 데서 기인할 수 있다고 판단하고[3] 카울의 형상을 변경하여 내부 압축비(internal contraction ratio)를 줄임으로써 불시동을 해소하고자 하였다. 카울의 형상을 변경한 후 시험을 수행한 결과를 Fig.
본 논문에서는 마하 5 스크램젯 엔진에 대하여 한국항공우주연구원에서 운용 중인 스크램젯 엔진시험설비(SeTF)[1]를 사용하여 엔진 흡입구 시동 시험을 수행한 내용을 다룬다. 특히 흡입구 카울(cowl) 형태 및 내부 압축비에 따른 시동 특성이 기존에 알려진 연구나 이론, 계산에 의한 예측과 어떻게 다른지를 고찰하고자 하였다.

제안 방법

SeTF의 시험부 내에 엔진이 설치된 상태에서 마하 5의 유동을 통풍시키면서 엔진 내 벽압력(wall static pressure)을 측정하는 방법으로 시험을 수행하였다.
이런 설비 영향을 없애기 위해 모델을 상류방향으로 400 mm 이동시키고 시험을 수행하였다. 그 결과를 Fig.

대상 데이터

SeTF는 자유제트식(Freejet type), 불어내기식(Blowdown type)의 초고속 추진기관 성능시험설비이다. 고압공기 공급원 및 압력 조정부, 축열식 가열 시스템(SAH : Storage Air Heater), 공기 혼합시스템, 엔진 시험부, 이젝터(Ejector) 배기 시스템, 기타 부대 시설(연료공급시스템, 제어 및 데이터 처리장치)로 구성된다. 설비 사양은 압력의 경우 최대 마하 수 6.
시험 대상 엔진의 설계점은 비행 속도 마하 5, 비행 고도 21 km이다. 전체 엔진의 형상은 Fig.
이번 시험에서는 마하 5 노즐을 사용하였으며 노즐 출구 면적은 335 mm × 186 mm이다.

성능/효과

(3) 60~67초 사이에는 카울 변경 전과 유사한 불시동이 관측되었다.
결론적으로 내부 압축비를 줄임으로써 흡입구 시동이 부분적으로 성공하였으나 완전한 시동은 달성하지 못하였다.
그러나 이번 연구에서와 같은 W형 카울은 일자형 카울을 기준으로 예측한 것에 비해서 허용 가능한 내부 압축비가 낮음을 알 수 있었다. 이것은 일자형 카울과 비교할 때 W형 카울은 생성되는 경사 충격파의 강도가 낮아 압축 효과가 적은 동시에 경사 충격파가 3차원적인 구조를 지녀 흡입구 내부에서 반사되는 충격파들이 더 복잡하게 중첩되기 때문인 것으로 판단된다.
Figure 2(a)는 시험의 초기 단계에서 흡입구 불시동 현상이 관측된 데이터이다. 데이터가 안정된 시간 구간인 45~50초 사이에서 시간 평균한 데이터를 충격파 이론[2]에 의한 예측값과 비교하여 보면(table 1), ib1 및 ib2는 예측값과 일치하나 ib3 이후는 압력비가 크게 상승하는데, 이로부터 흡입구 불시동이 발생하였음을 예측할 수 있다. 또한 ib1에 비해 ib2는 데이터에 약간의 fluctuation이 존재함을 관찰할 수 있다.
이상과 같은 연구로부터 W형 카울의 경우 흡입구 시동이 가능한 최대 내부 압축비는 일자형 카울보다 낮음을 알 수 있었다. 또한 설비 노즐에 과팽창이 있을 경우 흡입구 시동 특성을 시험하는 데에 영향을 줄 수 있음을 알았다.
위와 같은 불시동이나 ib2의 fluctuation은 시험 설비의 영향이라고 생각할 수 있다. 본 시험에서는 설비 노즐 출구 정압력이 배기 디퓨저 정압력보다 높은 과팽창(over-exapnsion) 이 발생하기 때문에 설비 노즐 출구에 경사 충격파가 존재할 것으로 예측되었다. 이 때 모델의 흡입구 전체가 노즐의 core flow 내에 들어가지 않으면 모델에 의한 충격파와 설비 노즐 출구의 충격파가 상호 작용하여 유동을 변화시킬 수 있을 것으로 예측되었다.
이상과 같은 연구로부터 W형 카울의 경우 흡입구 시동이 가능한 최대 내부 압축비는 일자형 카울보다 낮음을 알 수 있었다. 또한 설비 노즐에 과팽창이 있을 경우 흡입구 시동 특성을 시험하는 데에 영향을 줄 수 있음을 알았다.

후속연구

시험 데이터로부터 흡입구 시동이 달성되었음을 알 수 있다. 다만 ib4 및 ib5의 경우 진폭이 최대 15~20 kPa에 이르는 fluctuation을 관측할 수 있는데, 이것은 W형 카울에 의한 비정상 유동이 발생하기 때문으로 판단되며, 후속 연구를 통하여 입증할 계획이다.

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