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Hypersonic & Rarefied Flow Lab.

아크 플라즈마 유동해석 Home > 연구주제 > 아크 플라즈마 유동해석

인 류의 우주개발은 미국과 소련에 의해 1950년대 인공위성을 지구 궤도에 올려놓는 것으로 시작되었으며, 1960년대 유인 우주선의 달 탐사 과정을 거쳐 현재는 화성 표면에 무인 탐사선을 보내는 단계에 이르렀다. 우주 비행체들은 임무 특성상 지구 혹은 외계행성의 대기권으로 진입하게 되는데 이때 중요한 것이 대기권 진입 시 발생하는 고온 환경으로부터 비행체를 보호하는 일이다. 일반적으로 우주선이 지구로 재진입할 때에는 그림 1과 같이 극심한 열 하중(heat load)을 받는다. 예를 들어, 7km/s로 지구 대기에 진입하는 우주 왕복선의 경우, 비행체 선두부(nose)에서의 공기온도는 7000K이상으로 상승한다. 그러므로 이와 같은 가혹한 열 환경으로부터 비행체와 내부 승무원 혹은 내부 탑재체를 보호하기 위해서는 열보호 시스템(TPS: Thermal Protection System)이 필요하다.
 현재까지, TPS 연구를 위해서는 실제 비행 시험이 가장 좋은 방법으로 여겨지고 있으나 이는 시험기 제작, 우주로의 운송 등 막대한 비용을 필요로 한다. 그리고 시험기에 장착할 수 있는 측정 장비가 한정되어 있고 발사체의 발사 계획과 맞물려 실험이 이루어지기 때문에 정확한 데이터를 원하는 시간에 얻는 것이 사실상 힘들다는 문제가 있다. 이런 이유로 인하여 재진입 환경을 구현할 수 있는 지상 실험 장치에 대한 연구가 이루어져 왔다. 플라즈마 풍동은 그림 2에서 알 수 있듯이 고온, 고압의 환경을 수 십분 이상 유지시킬 수 있기 때문에 TPS 연구를 위한 가장 적합한 풍동으로 여겨지고 있으며 이러한 이유로 1950년대 이후 다양한 종류의 플라즈마 풍동이 개발되어 왔다. 플라즈마 풍동은 열을 만들어내는 방법에 따라 Hules 아크풍동, constricted 아크풍동, magnetically stabilized 아크풍동, segmented 아크풍동, magnetoplasmadynamics (MPD)풍동, inductively coupled plasma(ICP)풍동으로 구분할 수 있다. 이 중, 그림 3에서 보듯이 세그먼트 아크풍동(segmented arc heated wind tunnel)이 넓은 범위의 엔탈피 및 압력 환경을 만들 수 있고 가장 양질의 안정적인 유동을 제공한다.
 세그먼트 아크풍동은 1960년대 NASA Ames Research Center에서 최초로 개발되어 Gemini, Apollo, Space Shuttle Orbiter, Galileo와 Viking 프로그램의 TPS 개발에 이용되었다. 일본에서는 ISAS/JATA 와 ISTA/JAXA가 세그먼트 아크풍동을 가지고 있으며 소행성 샘플 귀한 임무, MUSES-C를 위한 탄소-탄소 TPS 개발에 사용하고 있다. 유럽에서는 2001년에 CIRA와 ESA가 세계에서 가장 큰 70MW 세그먼트 아크풍동을 설치하여 시험 가동 중에 있다. 아크히터 내부는 고온, 고압의 환경으로 그곳에서 일어나는 물리현상이 제대로 규명되어 있지 않기 때문에 효율 향상에 어려움이 많다. 이러한 난관을 극복하기 위해서는 아크히터 내부에서 발생하는 물리현상에 대한 규명이 선행되어야 할 것으로 판단된다.

 본 연구실에서는 1997년부터 아크히터 내부의 물리현상을 정확히 모사하기 위해 지속적으로 연구를 수행해 온 결과, 현재는 아크히터 내부의 유동 현상에 대해 정량적인 예측이 가능한 수준에 와있다. 아크히터 내부의 플라즈마 유동은 고온의 플라즈마 유동으로 정확한 해석을 위해서는 화학반응/이온화 현상, 복사현상, 난류현상 그리고 전자기 유체역학 현상 모두를 정확하게 해석할 수 있는 능력이 확보되어야 하는데, 본 연구실에서 개발한 ARCFLO4 코드는 현재 전 세계에서 열플라즈마를 가장 정량적으로 정확하게 해석할 수 있는 능력을 보유하고 있다. 아래 그림은 NASA의 20MW급 segmented constrictor 플라즈마 발생장치의 수치계산을 위한 형상 격자와 계산 결과를 실험치와 비교한 것이다. ARCFLO4 코드는 다양한 운용 범위에서 장치 특성을 정확히 예측할 수 있기 때문에 현재 NASA Ames와 USAirforce에 제공되어 실험 장치 운용비용 절감 및 장치의 성능 개선을 위해 사용되고 있다.