1. 서 론
고체연료 램제트 추진기관은 연료 저장 및 공급 장치를 별도로 필요로 하지 않아 구조가 단순하고, 이에 따라 생산 단가가 낮다는 장점을 가진다. 또한, 대기 중의 공기를 산화제로 사용하는 공기흡입식 엔진이기 때문에, 고체 및 액체추진 시스템에 비해 이론적으로 높은 비추력 성능을 발휘할 수 있는 것으로 알려져 있다[1,2,3,4]. 특히, 포구 속도가 약 900 m/s에 달하는 155 mm 대구경 포탄의 경우, 발사 직후부터 램제트 추진 조건을 만족할 수 있어 별도의 부스터 없이 램제트 작동이 가능하다. 또한, 포탄은 발사 시 약 20,000 g에 이르는 순간 가속력과 12,000 rpm의 고속 회전을 견뎌야 하는 극한 운용 환경에 놓이게 된다. 이러한 조건에서 추진 시스템의 구조적 단순성은 설계에 있어 매우 중요한 요소로 작용한다[3]. 이러한 이유로 고체연료 램제트 추진기술을 포탄에 적용하기 위한 선행연구들이 활발히 수행되어 왔다[5,6,7]. 이는 장거리 포탄의 사거리 확장과 더불어 경제성 확보 측면에서도 큰 의미를 갖는다.
고체연료 램제트 엔진 설계에 있어서 지상시험을 통해 추진 시스템의 기본 성능을 확인하고, 내탄도 예측 모델을 개발하는 과정은 필수적이다[1,8]. 이때, 고체연료의 후퇴율(regression rate)을 정확하게 측정하는 것은, 내탄도 예측 모델의 신뢰성 향상에 기여한다는 측면에서 매우 중요하다[9,10,11]. 이에 따라, 추진제의 후퇴율 측정을 위해 다양한 측정기법들이 고안되었다[9]. 그 중, 초음파를 사용한 후퇴율 측정기법은 지난 수십 년간 연구되어왔다. 초음파 기법은 측정장치의 구조가 비교적 간단하며[12,13], 다수의 탐촉자를 이용하여 연소기의 다양한 위치에서의 국부 후퇴율을 동시에 측정할 수 있다. 특히, 가시창을 설치할 수 없는 환형 연소기에서 시간에 따른 후퇴율을 측정할 수 있다는 우수성을 가진다[14,15].
초음파 신호는 연소기의 구조적인 특성 및 고온, 고압의 연소기 내부 환경에 크게 영향을 받는다. 또한, 측정 과정에서 발생하는 잡음이 계측 데이터의 정확성 및 신뢰성을 저하시키기 때문에 큰 스케일의 연소시험에 적용하기 어렵다. 그럼에도, 해외 선행연구들을 통해 하이브리드 및 고체연료 램제트 연소시험에서 초음파 기법의 적용 가능성을 확인할 수 있었다[15,16,17]. 국내에서도 고체 추진제 또는 랩 스케일의 하이브리드 로켓 엔진 연소시험을 대상으로 초음파 기법을 통해 후퇴율을 측정한 사례가 있다[18,19,20,21]. 하지만, HTPB(Hydroxyl-Terminated Polybutadiene) 연료를 대상으로 하는 고체연료 램제트 연소시험에서의 초음파 기법의 적용성은 확인되지 않았다.
본 연구에서는 초음파 측정 시스템을 구축하여 국내 최초로 2차원 슬랩형 고체연료 램제트 연소시험에 적용하였다. 최대 다섯 개의 초음파 탐촉자를 사용하여 고체연료의 국부 후퇴율을 측정하였고, 유입 공기 온도 및 유량, 연료의 고체 산화제 첨가 여부에 따른 후퇴율의 경향성을 분석하였다. 초음파 이외의 시험 측정 데이터를 토대로 초음파 측정 후퇴율을 비교검증하였다. 궁극적으로 초음파 기법의 적용성을 확인하였으며, 본 시험 데이터는 향후 3차원 환형 연소기 형상에 초음파 기법을 적용하기 위한 후속 연구에 활용될 예정이다.
2. 시험장치 및 방법
2.1 시험 설비
시험에는 연소식 공기 가열 장치와 직접 연결(direct connected)방식이 적용된 2차원 슬랩-램제트 연소기를 사용하였다. 시험의 개략도는 Fig. 1과 같다. 후향 계단이 있는 2차원 램제트 연소기의 상, 하부에 슬랩 형태의 고체연료를 결합하여 고체연료 램제트 엔진을 모사하였다. 시험이 시작되면 우선 연소식 공기 가열 장치(vitiated heater)를 사용하여 시험 조건에 맞게 공기를 가열한다. 가열 공기는 고체연료 램제트 연소기의 입구로 유입되며, 토치 점화 방식을 통해 고체연료를 점화하였다. 지정된 연소시간 이후에는 다시 유입 공기를 차단하여 연소시험을 종료하였다. 연소시험은 고정된 연소실 형상 조건에서 유입 공기의 유량과 온도조건을 변화시켜가며 총 9가지 조건에서 수행되었다. Table 1은 정규화된 시험 조건을 나타낸다. 또한, 시험에는 순수 HTPB 연료와 AP(Ammonium Perchlorate) 산화제가 첨가된 HTPB/AP 연료과농 추진제를 사용하였다.
Table 1.
Summary of normalized test conditions.
| Fuel |
Inlet air mass flow rate |
Inlet air temperature | ||||
| T1 | T2 | T3 | ||||
| HTPB | 0.5 | 0.75 | 1.0 | 0.7 | 0.9 | 1.0 |
| HTPB/AP | ||||||
2.2 초음파 측정 시스템
본 연구에서 고체연료 램제트 연소시험에 적용한 초음파 측정 시스템의 개략도는 Fig. 1에 나타나 있다. 초음파 펄서/리시버(pulser/receiver)는 접촉식 검사 모드에서 10 kHz부터 10 MHz 범위 주파수의 초음파를 발생시키며, 탐촉자로부터 측정된 초음파 신호를 수신한다. 이때, 단일 펄서/리시버로 여러 개의 초음파 탐촉자를 운용하기 위해 멀티플렉서(multiplexer)를 활용하였다. 시험 전, 선행연구에서 제시된 범위(0.45~2.25 MHz)를 참고하여 4가지 주파수의 탐촉자를 선정하였고, 예비실험을 수행하였다[11,13,16]. 연소기, 내열재, 케이스가 결합된 상태에서 신호 특성을 비교한 결과, 0.45 MHz 탐촉자에서 연료 표면 반사 신호가 가장 뚜렷하게 관측되어 본 시험에 적용하였다. 또한, 연소기 구조 및 재질 특성이 초음파 신호에 미치는 영향을 최소화하기 위해 다중 접착계면 초음파 전달 모델[22]을 적용하였다. 이를 통해 반사 신호가 가장 명확히 관측되는 재질과 두께를 도출하였다. 3개의 탐촉자를 사용하여 연소기의 세 위치에서의 국부 후퇴율을 측정하였다. 일부 시험에서는 0.5 MHz 주파수의 초음파 탐촉자 2개를 추가로 사용하여 최대 다섯 위치에서의 국부 후퇴율을 측정하였다. 펄서/리시버로부터 출력되는 탐촉자의 측정 파형은 피코스코프(picoscope)를 통해 수집되었다. 측정장치들의 동작 시점을 동기화하기 위해 별도의 함수발생기를 사용하여 시험이 시작되면 5 V의 사각파가 15 Hz의 주파수로 발생하도록 하였다. 해당 신호를 분기하여 각각 초음파 펄서/리시버, 멀티플렉서, 피코스코프의 외부 트리거로 입력해 주었다.
멀티플렉서의 채널은 외부에서 공급된 사각파(external square pulse) 신호의 주파수에 따라 스위칭 된다. 일례로, 15 Hz의 사각파가 외부에서 입력되고 초음파 탐촉자를 3개 사용할 경우, 1초 동안의 멀티플렉서의 채널 전환 흐름은 Fig. 2와 같다. 이 경우, 각 초음파 채널은 5 Hz 주기로 초음파 파형을 계측하게 된다. 피코스코프의 버퍼에는 이와 같은 반복적인 스위칭 순서에 따라 초음파 파형이 저장된다. 일정한 순서를 가지고 저장된 파형들을 각 탐촉자 채널별로 분류하여 후처리를 수행하였다.
2.3 초음파 측정 신호 후처리
Fig. 3(a)는 초음파 측정 시스템을 통해 측정된 초음파 파형과 시간에 따른 반사신호의 위치를 나타낸다. 토치 점화기 작동(Start of Torch, SOT)과 동시에 수집된 초음파 파형(0 sec aSOT)의 반사신호의 위치를 식별하고, 해당 위치를 반사신호의 변위를 측정하는 기준점(t = 0 sec)으로 정의한다. 이후, 각 파형으로부터 초음파의 반사신호의 위치를 식별하여, t = 0 sec에서의 반사신호 위치와의 시간차(Δτ, time of flight)를 Eq. 1과 같이 연료의 두께 변화량으로 변환하였다[11,23,24]. ΔW는 고체연료의 두께 변화량이며, C는 고체연료 내부에서의 음속을 나타낸다. 고체연료의 음속값 C를 결정하기 위해, 두께가 다른 세 가지 HTPB 시편에 대한 사전측정을 수행하였다. 사전측정을 통해 계산된 음속의 최대 측정 불확실도는 95%의 신뢰도에서 2.18%로 관측되었다. 따라서, 평균 측정값인 1,540 m/s를 고체연료의 음속값으로 사용하였다. HTPB/AP의 음속값은 HTPB와 큰 차이가 없기 때문에, 두 추진제의 두께를 계산하는 과정에서 동일한 음속값을 사용하였다. 연소기 벽면의 온도 및 압력 변화에 따른 초음파 음속 변동으로 발생하는 연료 두께 추정 오차는 1% 미만으로 확인되었다[17].
Fig. 3(b)는 앞서 언급한 방식을 통해 초음파 신호들을 후처리하여 도출한 고체연료의 후퇴거리 및 후퇴율 선도를 나타낸다. 0초는 토치 점화기 작동 시점을 의미하며, 점화 시점 이후 고체연료의 후퇴거리가 증가하는 것이 관찰된다. 특히, 토치 점화기 작동 구간에서의 후퇴율이 이후의 연소구간보다 높은 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 그림과 같이 후퇴거리가 비교적 선형적으로 증가하는 일정한 구간을 고체연료의 정상상태 연소구간으로 정의하고 해당 영역에서의 평균 후퇴율을 계산하였다. 또한, 토치 작동 구간에서의 후퇴율을 별도로 계산하여 기록하였다.
3. 시험결과 및 토의
앞서 언급한 방식으로 각각의 초음파 탐촉자 위치에서 고체연료의 정상상태 후퇴율을 도출하였다. 이후, 고체연료의 평균 후퇴율은 측정된 국부 후퇴율의 산술평균값으로 정의하였다. 측정된 후퇴율 값들은 모두 측정된 최대 후퇴율로 정규화하여 나타내었다.
국부 후퇴율 측정 결과에 대한 분석을 수행하기에 앞서, 초음파 측정된 평균 후퇴율의 시험 조건에 따른 경향성을 확인하였다. Fig. 4는 유입 공기 온도 및 질량 유속에 따른 HTPB와 HTPB/AP의 평균 후퇴율을 나타낸다. HTPB/AP의 경우, 연소기 중, 후반부의 평균 후퇴율을 추가로 비교하였다. 유입 공기의 질량 유속 및 온도가 증가할수록 고체연료의 평균 후퇴율이 증가하는 경향이 일관적으로 관찰되었다. HTPB의 후퇴율은 HTPB/AP와 비교하여 전체적으로 낮게 측정되었으며, 공기 유량 증가에 따른 변화율도 상대적으로 작았다. HTPB/AP의 경우, 연소기 중후반부의 평균 후퇴율은 연소기 전체의 평균 후퇴율보다 전체적으로 높게 나타나며, 이는 연소기 전방에서의 추진제 후퇴율이 후방보다 낮음을 시사한다.
Fig. 5는 각 시험 조건별로 측정된 국부 후퇴율을 비교한 결과이다. HTPB/AP 연료는 연소기 중, 후반부에서 국부 후퇴율이 뚜렷하게 증가하였다. 이는 재순환 영역과 가까운 중반부에서 열전달이 강하게 작용하기 때문으로 해석된다[25]. 반대로 전방은 재순환 영역의 영향으로 유속과 열전달이 낮아 후퇴율이 가장 낮게 나타났다. 또한, 유입 공기의 질량 유속과 관계없이 일관적인 국부 후퇴 경향성이 관찰되었다. 고체연료의 국부적인 후퇴율 역시 평균 후퇴율과 유사하게, 유입 공기의 온도가 증가함에 따라 증가하는 일관된 경향성을 보였다.
Fig. 6은 토치 작동 구간과 정상상태 연소구간에서의 HTPB의 국부 후퇴율을 비교한다. 토치 작동 구간의 후퇴율은 정상상태 연소구간에서의 후퇴율보다 항상 높았다. 특히, 토치 작동 시 연소기 전방에서의 후퇴율이 매우 높게 나타났다. 토치 작동 구간 후퇴율 또한 유입 공기 온도 상승에 따라 증가하는 경향을 보였다. 하지만, 고온 조건에서는 연소기 전방의 그러한 경향성이 일관되게 유지되지 않았다. 정상상태 연소구간에서 세 초음파 채널에서의 국부 후퇴율은 점화 구간에 비해 일정한 경향을 보였다.
앞서 계산한 토치 작동 구간과 정상상태 연소구간에서의 후퇴율을 토대로, 시간에 따른 연소면의 형상을 추정하였다. Fig. 7은 다섯 개의 초음파 탐촉자를 사용한 연소시험 케이스에서의 시간에 따른 연소면 변화를 나타낸다. 기호 ○는 연소기의 다섯 위치에서 초음파 측정을 통해 도출한 시간에 따른 고체연료의 후퇴거리를 나타낸다. 시간에 따른 연소면은 다섯 위치에서의 추진제 후퇴거리 정보를 사용하여 4차의 다항식으로 근사하여 추정되었다. 기호 X는 각 시간대에서 후퇴거리가 가장 큰 지점으로, 예상되는 유동의 재부착 지점을 나타낸다.
Fig. 7.
Reconstructed fuel surface profile over time based on local regression rates measured using an ultrasonic method. The triangles(△) indicate the locations of thermocouples embedded in the propellant, and the crosses(×) mark the points of maximum regression depth at each time step, which are considered the approximate reattachment points of the flow.
또한, 연소시험 종료 후의 고체연료를 3차원(3D) 스캔하여 최종 연료 표면을 측정한 결과를 Fig. 7에 함께 나타내었다. 초음파 측정을 통해 추정한 연소 종료 시점(36 sec aSOT)의 연소면은 3차원 스캔 측정 결과와 비교하여 연소기 전방으로 갈수록 과대 예측하는 경향을 보였다. 하지만, 3차원 스캔 측정 결과에서 관찰되는 연료의 최대 후퇴 지점이 앞서 예측한 유동의 재부착 지점과 유사하며, 전체적인 연소면의 형상 또한 유사성을 보였다.
Fig. 7에서 기호 △는 추진제에 삽입된 다섯 개의 열전대(T-P1~T-P5)의 위치를 나타낸다. 시간에 따른 연소면의 위치를 통해 열전대가 화염에 노출되는 시간을 대략적으로 유추할 수 있다. T-P1과 T-P2는 약 12초, T-P3은 12.5초, T-P4는 14초, T-P5는 13.7초 이후에 화염에 노출된 것으로 예상된다. 다섯 개의 열전대 위치에서 추정한 평균 후퇴율은 초음파 기법을 통해 측정한 다섯 위치에서의 평균 후퇴율과 2.6%의 오차를 가지며 유사한 수치를 보였다. 이때, 초음파 기법을 통해 측정한 후퇴율은 점화 구간과 정상상태 연소구간의 후퇴율의 평균값을 기반으로 계산되었다.
4. 결 론
본 연구는 2차원 슬랩형 고체연료 램제트 연소시험에 초음파 기법을 적용하여 고체연료의 국부 후퇴율을 측정하였다. 측정된 후퇴율의 변화 양상을 유입 공기의 유량 및 온도 변화, 그리고 고체연료의 산화제 첨가 여부에 따라 정량적으로 분석하였다. 측정된 고체연료의 평균 후퇴율은 유입 공기 유량 및 온도 증가에 따라 함께 증가하는, 대체로 일관된 경향을 보였다. 산화제가 첨가된 HTPB/AP의 경우, HTPB와 비교하여 평균 후퇴율이 증가하는 것으로 관찰되었다. 또한, 국부적인 후퇴율이 비교적 일정한 HTPB와 달리, HTPB/AP는 연소기의 전방에 비해 중후반에서 후퇴율이 크게 증가하였고, 연소기 중심부에서의 후퇴율이 가장 높았다. 이는 산화제 유무에 따른 후퇴율 증가가 주로 보염 영역보다는 확산연소가 지배적으로 발생하는 영역에서 나타남을 시사한다.
다섯 개의 초음파 탐촉자가 사용된 시험 케이스의 경우, 국부 후퇴율 측정값을 활용하여 시간에 따른 연소면을 복원하였다. 이렇게 복원된 연소면은 3차원 스캔 기법을 통해 측정한 실제 연소면과의 비교를 통해 그 형상 및 최대 후퇴 지점이 유사함을 확인하였다. 또한, 열전대가 연소면에 노출되는 시점을 통해 추정한 평균 후퇴율은 초음파 기법을 통해 측정한 평균 후퇴율과 높은 일치도를 보였다. 아울러, 국부 후퇴율 분포를 통해 연소장 내 재순환 영역 및 재부착 지점의 위치를 간접적으로 추정할 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로, 2차원 슬랩형 고체연료 램제트 추진시험에서 초음파 기법의 적용 가능성을 입증하였으며, 향후 3차원 환형 연소기로의 확대 적용을 위한 기반 기술을 확보하였다.
