Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers ISSN:1226-6027(Print) 2288-4548(Online) 한국추진공학회지

제트엔진 추기공기를 배기노즐에 분사하여 배기플룸에서 생성되는 적외선 신호 저감 연구를 수행하였다. 추력 50 lbf급의 마이크로 제트엔진을 연구에 이용하였으며 추기공기는 외부의 압축공기를 이용하였다. 엔진의 배기 유량과 추기공기의 질량비를 10% - 30%로 변화시키며 적외선 신호를 측정하였다. 또한 배기노즐에서 배기가스로 분사되는 추기공기의 혼합특성을 경험식과 유동해석을 통해 분석하였다. 연구결과 적외선 신호는 질량비 증가에 따라 감소됨을 확인하였다. 이는 배기가스와 추기공기의 혼합비 증가에 따라 혼합특성이 증대되어 혼합가스의 온도감소가 커지기 때문으로 판단된다.

가스터빈 고온 부품의 수명 향상을 위한 열차폐 코팅(Thermal Barrier Coating, TBC)에서 본드 코트 조성 최적화는 핵심 과제로 주목받고 있다. 본 연구에서는 NiCoCrAlY와 NiCoCrAlYHfSi 분말의 혼합비가 1,100°C 등온산화 및 열사이클 성능에 미치는 영향을 분석하였다. CM939 초내열합금 기판 위에 HVOF로 혼합 본드 코트를, APS로 8YSZ 탑 코트를 적층한 후 등온산화(10, 100시간) 및 FCT 시험을 수행하였다. 등온산화 결과 Hf/Si 함량이 증가함에 따라 스피넬계 혼합 산화물 형성이 촉진되었으며, 이에 따라 TGO 두께가 증가하였다. 반면 FCT에서는 소량 첨가 조건(3:1)에서 수명이 47.5% 향상되었으며, 이후 증가 효과는 포화되는 경향을 보였다. Hf/Si는 TGO 상부에 국부적으로 분포함으로써 TGO와 탑 코트 간 계면 접착 특성을 향상하는 것으로 나타났으며, 이는 FCT 수명 증가의 주요한 원인으로 판단된다.

본 연구에서는 스크램제트 재생냉각 환경을 모사한 연료 가열 장치를 이용하여 케로신의 관내 유동과 분사기 출구 거동을 실험적으로 분석하였다. 단상 유동 조건에서는 온도와 압력 및 출구 액주 형상이 비교적 안정적으로 유지되었다. 반면 2상 유동 조건에서는 기포 생성과 기액 계면 변동에 따라 온도·압력 변동이 증가하였으며, 저유량 조건에서 상변화가 더 이르게 나타났다. 또한 관내 계면 교란이 증가할수록 분사구 출구 근방 액주 형상과 연속성도 불규칙하게 변화하였다.

마이크로 가스터빈 엔진의 성능맵은 제조사 기밀 유지로 인해 접근이 제한되며 완제품인 엔진 특성상 구성품 단위의 성능을 직접 확보하는데 제약이 있다. 성능맵 스케일링을 통해 공개된 성능맵과 운용 데이터를 이용하여 높은 예측 정확도를 보이지만 제작 공차, 운용 환경 등에 따라 개별 엔진의 실제 성능 차이를 보일 수 있다. 이에 본 연구에서는 300 N급 마이크로 가스터빈 엔진을 대상으로 노즐 출구 면적 변화에 따른 엔진의 통합 시험을 수행하고, 이를 기반으로 구성품 성능맵을 도출하는 방안을 제시하였다. 성능맵을 적용한 모델을 통해 수행한 탈설계점 성능해석 결과를 실험값과 비교하였고, 3.5% 이내의 오차를 보여 성능맵 도출 방법의 유효성을 검증하였다.

본 연구에서는 액체 케로신 초음속 연소기에서 공동 형상과 분사 위치 변화가 연소 특성에 미치는 영향을 실험적으로 비교하였다. 직접광, schlieren 가시화 및 벽면 압력 계측 결과, 분사 위치 연장은 연료의 미립화와 혼합을 개선하여 보염 성능을 향상시켰고, 이중 공동은 보염 영역 확장에 효과를 보였다. 확대 공동은 가장 우수한 화염 안정성과 압력 특성을 나타냈다. 그러나 모든 조건에서 보조 수소 제거 시 케로신 단독 연소는 유지되지 않았다. 따라서 공동 체적 증가와 분사 위치 조정은 연소 안정성 향상에 유효하나, 케로신 단독 연소를 위해서는 연료의 기화와 혼합 개선이 추가로 필요한 것을 확인하였다.

추진제 고밀도화를 적용하여 발사체 탱크에 더 많은 추진제를 탑재하여 발사체의 성능을 향상시킬 수 있다. 본 연구는 극저온 유체인 액체질소를 고밀도화하기 위해 진공펌프를 사용한 감압시스템을 설계 및 구축하였고, 시험을 통해 검증하였다. 액체질소 고밀도화 검증을 위한 시험을 액체산소의 순환 여부에 따라 구분하여 수행하였으며, 열교환기 단독시험에서 66 K까지 액체질소의 고밀도화를 수행하였고, 액체산소 순환시험에서 액체질소가 70 K까지 도달하여 감압시스템의 요구조건에 부합하는 것을 검증하였다.

본 연구에서는 평균 유동이 연소기 음향 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 선형화 나비에 스토크스 기반 3차원 유한요소 음향해석을 수행하였다. CFD 평균 유동장을 음향해석 영역에 매핑하고 난류 점성을 음향 감쇠항으로 반영하였다. 평균 유동을 반영한 경우 예측된 불안정 주파수가 실험값에 더 근접하였으며, 성장률은 평균 유동 미 반영 시 0, 반영 시 음의 값으로 나타나 평균 유동을 고려함으로써 음향 감쇠 특성을 확인할 수 있었다. 또한 예측된 모드 형상이 실험 압력 섭동 분포와 잘 일치하였으며, 평균 유동을 고려한 3D FEM 모델이 실험에서 관측된 불안정 주파수의 음향 모드를 예측하였다.

본 연구에서는 덕티드 로켓용 비예혼합 가스발생기 적용을 위하여 나선형 포트를 가지는 파라핀 고체 연료의 연소 특성을 실험적으로 분석하였다. 나선형 포트를 구성하는 형상 매개변수를 선정한 후, 산화제 질량유속 조건을 달리하며 연소시험을 수행하였다. 시험 결과, 나선형 포트 연료는 동일 조건에서 단일 원통형 포트 대비 약 44~70% 높은 후퇴율을 나타냈으며, O/F ratio 0.39~0.72 범위의 연료 과농 가스를 생성하는 것으로 확인되었다. 또한 나선형 포트 연료의 후퇴율 상수 변화와 절단법 결과 분석을 통해, 나선형 포트에 의해 유도된 추가 산화제 유동 구조 변화가 연소 표면적의 변화 대비 후퇴율을 증가시키는 주요 요인임을 확인하였다.