플라즈마 액츄에이터를 이용한 유동 제어 연구

유동 제어 장치는 항공기의 형상에 큰 변화 없이 항력 감소, 양력 증가, 소음 감소, 유동 박리 억제, 조종면 대체 등 공력 성능을 향상 시킬 수 있는 이점 때문에 많은 연구가 진행되어 왔다. 특히 능동 유동 제어 장치는 비행 환경에 따른 제어가 가능하기 때문에 수동 유동 제어 장치 보다 활용성이 우수하다. 그 중 플라즈마 액츄에이터(plasma actuator)는 비행체 벽면 매립이 가능하기 때문에 고마하수에서 공력 가열과 항력에 대한 장점을 지니며, 기계적인 움직임이 없기 때문에 응답 속도 또한 빠르다. 대표적인 플라즈마 액츄에이터로는 DBD 플라즈마 액츄에이터와 스파크제트 액츄에이터가 있다.

DBD 플라즈마 액츄에이터는 비행체 표면에 DBD 플라즈마를 발생시켜 유동에 줄가열 에너지와 전기력에 의한 로렌츠 힘을 전달하여 유동을 제어한다. DBD 플라즈마는 비평형 플라즈마이기 때문에 전기장 해석을 통해 플라즈마의 화학반응을 모사해서 유동에 영향을 주는 줄가열 에너지와 전기력 계산이 필요하다. 스파크제트 액츄에이터는 비행체 표면 아래 캐비티에서 아크 플라즈마를 발생시켜 외부 유동으로 분출되는 제트 모멘텀과 압력파를 이용해 유동을 제어한다. 아크 플라즈마는 평형 플라즈마이기 때문에 평형 유동 물성치를 고려한 해석이 필요하다. 

두 플라즈마 액츄에이터의 실질적인 적용은 아직 한계가 있는 실정으로, 액츄에이터의 성능 향상에 미치는 인자들 간의 관계를 규명하고 실질적은 활용 연구를 수행한다.

DBD 플라즈마 액츄에이터 개략도와 유동 박리 제어 예시

스파크제트 액츄에이터 개략도와 초음속 유동 교란 예시