일반기술

극 초음속 Ramjet(Shcramjet)에 적용될 충격파에 의한 연소와 Shcramjet과의 성능평가

충격파에 의한 연소문제는 극 초음속 추진체를 항공기에 적용할 수 있다는 점에서 주목할 필요가 있다. 최근에 널리 사용되고 있는 이러한 시스템의 성능평가에 있어서 첫째 단계는 폭발에 의해서 발생하는 파동을 동반하는 유동을 가정하는데 기초한다. 그러나 유동의 구조는 기체 동역학, 화학, 내부 자유도의 여기 등과 같은 많은 과정들간의 상호작용 때문에 매우 복잡하다. 따라서 유동구조를 미리 가정하는 것은 부적당하다고 생각된다. 이와 같은 추진체의 적절한 성능을 내기 위해서는 특정한 문제들을 해결할 필요가 있다. 이러한 문제들 중의 하나는 경계층 벽면에서 연소폭발이 일어나기 전에 조기 점화 없이 미리 혼합하는 문제이다. 이를 위해서 충격 시스템에서 점화가 일어나기 전에 손실 없이 신속하게 혼합하는 문제를 해결하는 것이 필요하다. 이러한 연구의 목적중의 하나는 “폭발 파 엔진” 과 같은 혼합과정의 배치에 관한 권고 사항들을 공식화 하는 것이다. 두 번째 문제는 충격 시스템에서 점화와 연소의 안정화와 관련된 문제이다. 즉 실제 유동은 균일한 연료(공기 혼합체)와 같지 않다는 것을 고려하여, 충격파에 의한 점화 뒤에 신속하고도 효율적인 연소를 시킬 필요가 있다. 연소실 입구에서의 비균질성 매개변수의 분포를 비행하는 동안에 자유유동에서의 넓은 범위의 조건들에 대해서 고려해야만 한다. 충격 시스템 형상, 점화 지연, 점화 충격의 위치 등은 연소실 입구에서의 조건들에 매우 의존적이다. 혼합에서의 경계층 벽면의 역할, 점화 및 연소 과정들이 계산되어져야 한다. 연소 효율은 기체 동역학과 화학 반응의 상호작용에 매우 의존적이다. 진동이완의 효과 또한 충격파의 흐름을 따라서 계산되어져야 한다. 더욱이 내부 자유도의 여기 또한 연소 동역학에 영향을 미칠 수 있으며 반대의 경우도 마찬가지이다. 연소 효율에 있어서 난류와 화학 반응간의 상호작용의 영향의 평가 또한 중요한 문제이다. 유동 구조, 특히 충격파, 팽창 파, 혼합과 경계층, 흡기 지역, 열 방출 부분들에서의 양질의 결과를 얻기 위해서 수치해석이 요구된다. 따라서 이러한 수치해석을 위해서 효과적인 전산유체역학(CFD) 코드를 사용해야만 한다. 현재 복잡한 기체 동역학 구조와 난류 혼합이 수반되는 유동의 상호작용을 계산하기위한 모델과 컴퓨터 코드가 보편적인 난류모델을 포함하여 CIAM에서 개발이 되로 있는 중이다. 진동 여기와 화학 반응의 모델들(수소화 공기 간의 진동 여기에 의한 상호작용)의 개발이 진행중이다. 충격파에 기인한 연소 및 추진체의 성능평가를 위한 기술들은 아직까지는 개발 단계에 있다.충격파에 기인한 연소의 연구배경에 기초해서 Shcramjets의 성능평가를 위한 기술이 개발될 것이다. 이를 위해서는 기체 동역학과 화학 반응들 간의 상호작용을 고려하여야 하며 화학 반응과 진동 이완에 대한 구체적인 시뮬레이션이 수행되어야 한다. Shcramjets에서의 연소 과정을 충격을 이용하여 점화와 연소의 안정화 시키는 방법을 이용함으로써 합리적인 계획이 공식화 될 것이다. 일반적인 Shcramjet과의 비교도 이루어 질 것이다.