Hypersonic Thermophysics

재진입 캡슐의 대기권 진입 및 극초음속 비행체의 고속 비행 과정에선 강한 충격파와 함께 수천 K 이상의 고온 유동 환경에 노출된다. 이러한 극한 조건에서는 기체의 해리, 이온화, 전자기적 상호작용, 복사, 열화학 비평형 등 복잡한 물리 현상이 동시에 발생한다. 특히 고엔탈피 유동에서는 유동의 병진, 회전, 진동, 전자 에너지 모드가 서로 다른 시간 척도로 완화되며, 이에 따라 화학반응 속도, 복사 세기, 표면 열유속 등이 크게 달라질 수 있다.

이와 같은 극초음속 열물리 현상은 비행체의 공력가열 예측, 열방호 시스템 설계, 고엔탈피 지상시험 해석, 플라즈마 유동 제어 및 재진입 통신 환경 분석 등에 직접적으로 연결된다. 따라서 극초음속 비행 환경을 정확하게 예측하기 위해서는, 분자 및 원자 수준의 미시(microscopic) 에너지 전달 과정부터 거시적(macroscopic) 유동장 해석에 이르는 분석 및 모델링이 필요하다.

본 연구실에서는 극초음속 및 고엔탈피 유동에서 발생하는 열물리 현상을 정밀하게 해석하기 위해 MHD(Magnetohydrodynamics), 상태별 해석(State-to-State analysis), 분자동역학(MD, Molecular Dynamics), 기체 복사(Gas radiation), 비평형 열화학 모델링(Nonequilibrium thermochemistry modeling) 등의 연구를 수행하고 있다. 

MHD 연구에서는 고온 플라즈마 유동과 전자기장의 상호작용을 해석하여 극초음속 유동 제어 및 전자기적 효과를 고려한 유동 특성을 분석한다. State-to-State 해석에서는 원자 및 분자의 내부 에너지 준위별 천이와 반응 과정을 직접 고려함으로써, 기존의 거시적 반응 모델로는 포착하기 어려운 비평형 비볼츠만 에너지 전달 및 화학반응 특성을 규명한다.

또한 MD 연구를 통해 고온 기체 및 고체 표면에서 발생하는 미시적 충돌, 에너지 교환, 표면 반응 메커니즘을 분석하고, 이를 연속체 또는 희박기체 해석 모델의 물리적 기반으로 활용한다.

기체 복사 연구에서는 고온 충격층 및 플라즈마 유동에서 발생하는 원자·분자 복사 스펙트럼과 복사 열전달을 해석하여, 재진입 비행체 및 고엔탈피 시험 환경에서의 복사가열 특성을 평가한다.

비평형 열화학 모델링 연구에서는 해리, 이온화, 재결합, 내부 에너지 완화 등을 포함하는 반응 모델을 개발하고, 이를 전산유체해석과 연계하여 극초음속 유동장의 예측 성능을 고도화한다.

궁극적으로 고충실도 물리 현상에 기반한 고정밀 열물리 모델을 개발하고, 이를 극초음속 비행체 및 고엔탈피 시험 해석에 적용함으로써 고도화된 극초음속 열물리 해석 기술을 확보하는 것을 목표로 한다.

DBD 플라즈마 액츄에이터 개략도와 유동 박리 제어 예시

스파크제트 액츄에이터 개략도와 초음속 유동 교란 예시