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스크램제트엔진 개발을 위한 초음속유동장 내 혼합기 특성 연구
작성자 관리자 등록일 2012.10.15 조회수 2260
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서울에서 뉴욕까지 2시간:
스크램제트엔진 개발을 위한 초음속유동장 내 혼합기 특성 연구


서울대 기계항공공학부 정인석, 서울대 항공우주신기술연구소 김채형, 서울대 기계항공공학부 성근민


 


현재까지 개발 운용된 가장 빠른 항공기는 미국의 SR-71(Blackbird)로 비행마하수는 약 3이다. 여기서 비행마하수는 항공기의 비행속도를 음속으로 나눈 값을 의미한다. SR-71는 저속에서는 터보제트(Turbojet) 엔진을 사용하며, 고속에서는 램제트(Ramjet) 엔진을 사용하는 Pratt & Whittney사의 J58 하이브리드 제트엔진을 사용하였다. 하지만 이와 같은 엔진은 마하 3이상에서는 성능이 급저하 되기 때문에 마하 5이상의 극초음속 비행에서는 작동이 불가하며, 이를 극복하기 위해 현재 선진국에서 연구/개발 중인 엔진이 스크램제트(Supersonic Combustion Ramjet: Scramjet)엔진이다.
 

 

 


[그림 1] X-51 극초음속항공기 모델(상)과 초음속연소기 모델(하)

 

 

현재 미국, 유럽, 러시아, 일본, 호주 등의 국가에서는 스크램제트엔진을 기반으로 하는 극초음속 항공기에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 특히 미국은 2010년 X-51 [그림 1] 등의 비행시험을 성공시킨 바가 있다. 이와 같이 최근의 비행시험 결과를 토대로 가까운 시일 내에 극초음속 항공기의 상용화가 이루어질 것으로 예상되지만, 아직까지는 기술적인 어려움이 남아있는 상황이다.

 


스크램제트 엔진 개발에서 난제 중의 하나는 바로 초음속 연소이다. 스크램제트 엔진의 경우 연소기로 유입되는 유동이 초음속이기 때문에 연료와 공기가 혼합되어 연소되는데 필요한 시간이 충분하지 않다. 이런 이유 때문에 선진국에서는 지난 수십년간 초음속 혼합 및 연소에 대한 연구에 주력하고 있다. 또한 일반적으로 실제 비행시험을 수행하기 위해서는 막대한 자본과 기술력이 필요하기에 [그림 1]에서 보는 것과 같이 스크램제트 엔진을 모사한 소형 연소기 모델을 제작하여 혼합 및 연소 실험을 수행한다. 본 연구에서는 [그림 1]과 같이 마하 2의 소형 연소기 모델을 개발하여 혼합기 특성에 관한 연구를 수행하였다.

 

 



[그림 2, 3]에서 두 개의 서로 다른 혼합기 모델을 비교하였다. 하나는 기존에 연구되고 있는 계단형 혼합기[그림 2]이며, 다른 하나는 본 연구실에서 개발한 벤트형 혼합기[그림 3]이다. 실험을 통해 얻은 슐리렌 이미지에서 두 혼합기의 형상적 차이에 의해 생기는 서로 다른 유동 구조형상(충격파, 전단층)을 관찰할 수 있으나, 측정 장비의 해상도 때문에 유동 미세구조들은 선명하지 못하며, 벽면 근처의 유동 세부구조들은 관찰에 한계가 있다.

 

 

그러나 전산수치해석(Computational Fluid Dynamics: CFD)에서는 전 유동장의 세부구조와 두 혼합기 모델의 벽면근처 세부유동특성을 확연히 구분할 수 있다. 전산수치해석 결과에서는 벤트형 혼합기의 후류 재순환 영역 내부유동이 계단형 혼합기에 비해 복잡한 와류 (eddy) 세부구조들이 많이 존재하는 것을 볼 수 있으며, 특히 외부 유동장과 접하고 있는 와류 세부구조에서 충격파들이 형성되는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 복잡한 난류 세부구조는 혼합 증진에 기여하는 것으로 알려져 있다. 이상의 결과에서 슈퍼컴퓨터를 이용한 초음속 유동 계산을 통해 재순환 영역 내 유동 세부구조들을 확인할 수 있었으며, 새로 개발한 벤트형 혼합기의 성능을 검증 할 수 있었다.

 

본 연구에서는 연료 분사가 없는 단순한 이차원 유동장 해석만 수행하였지만, 스크램제트 엔진 개발을 위해서는 초음속 유동장 내의 혼합 및 연소에 대한 전산수치해석 연구도 수행되어야 한다. 이와 같은 연구를 수행하기 위해서는 막대한 계산량과 많은 시간이 소요되기 때문에 고성능 대용량 전산기기 (슈퍼컴퓨터)의 개발이 절실히 요구된다.

 

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