스크램제트 열공력 및 열구조 해석 연구

스크램제트를 사용하는 극초음속 추진기관의 비행체에는 충격파 등에 의한 공기역학적 현상으로 고온, 고속의 유동장이 발생하며, 특히 곡률이 매우 작은 앞전 날개에서 큰 열적 부하를 겪는다. 또한 연소실은 산소와 연료의 화학반응으로 인한 연소 반응이 발생하여 극심한 열적 환경에 노출되며, 연소실 내의 충격파와 경계층의 상호작용으로 인해 국소적으로 열이 집중되는 지점이 생긴다.

이와 같은 이유로 스크램제트의 운용 환경으로부터 기관을 보호하기 위해 내열 소재는 열응력에 강하고 높은 온도에서도 버틸 수 있는 소재로 구성 되어야한다. 또한 적절한 냉각 능력이 구비되지 않으면 구조 재료의 녹는점이 넘거나, 극심한 열응력이 발생하여 구조물이 파괴될 가능성이 있으므로 냉각시스템 또한 필수적이다. 따라서 정확한 열공력 및 열구조 해석과 이를 기반으로 한 냉각 및 내열 설계, 성능 해석은 스크램제트 추진기관 구현에 필수적이다.

본 연구는 스크램제트 내외부 유동의 특성, 고속 추진시스템의 냉각 및 내열 방법에 대한 이해를 목적으로 한다. 극초음속 환경의 화학적 비평형 유동과 비행체 표면의 비평형 화학 반응에 대하여 학습하고, 스크램제트의 열공력 및 표면 열전달 해석 연구를 수행한다. 그리고 스크램제트 및 로켓 엔진 등에 이용되는 냉각 및 내열 방법의 종류와 각 특성을 파악하고 각각의 적용 방안에 대하여 학습한다.

스크램제트 내외부의 고온 유동 현상과 냉각 및 내열 개념도