Experimental Study on Heat Transfer Performance of Combined Channel-film Flow Control for Critical Regions of Hypersonic Vehicles

기술 요약: 극초음속 비행체의 핵심 영역을 위한 채널-필름 유동 제어 결합형 열전달 성능에 관한 실험적 연구

문제 제기
탄두 노즈, 리딩 에지(leading edges), 제어면과 같은 극초음속 비행체(Mach ≥ 5)의 핵심 영역은 강한 충격파, 강렬한 압축, 그리고 MW/m² 수준에 달하는 열유속 밀도로 특징지어지는 가혹한 공력 가열에 직면한다. 이러한 환경은 활 모양 충격파(bow shocks), 충격파-경계층 상호작용, 국부적 박리 및 재부착을 포함한 복잡한 유동 구조를 유발하며, 이는 재료의 열적 실패와 유도 성능 저하로 이어질 수 있다. 수동적 열 보호 방식(예: 단열재)은 신뢰할 수 있으나, 장시간 비행 중 발생하는 열 축적 문제를 해결하는 데 어려움이 있다. 내부 채널 냉각 및 외부 필름 냉각과 같은 능동적 열 보호 방법은 더 높은 효율성을 제공하지만 각각의 한계에 직면해 있다. 즉, 내부 채널은 외부의 공력 가열 입력을 직접 억제하는 데 한계가 있는 반면, 외부 필름은 주류 유동의 엔트레인먼트(entrainment)로 인해 하류로 갈수록 냉각 효율이 급격히 감소한다. 더욱이, 실제적인 극초음속 조건 하에서 초임계 압력 이산화탄소(S-CO₂)를 사용하여 이러한 복잡한 기하학적 형상을 가진 핵심 영역의 열 성능 및 구체적인 간섭 메커니즘을 탐구한 연구는 여전히 미흡한 실정이다.

연구 방법
본 연구는 자유류 마하수 8의 1.0m 직경 극초음속 풍동에서 비교 실험적 조사를 수행하였다. 테스트 모델은 S-CO₂를 열전달 매체로 사용하는 세 가지 서로 다른 능동적 열 보호 접근 방식을 용이하게 하기 위해 탈착 가능한 플레이트 시스템이 장착된 탄두 형상이다:

1. 내부 채널 열전달 (HIn): S-CO₂가 내부 격자 채널을 통해 흐르며 외부 제트를 형성하지 않고 구조적 열을 제거한다.
2. 외부 필름 열전달 (HOut): S-CO₂가 표면 슬롯에서 접선 방향으로 분사되어 벽면을 주류로부터 격리하는 보호 필름을 형성한다.
3. 결합형 채널-필름 열전달 (HAll): S-CO₂가 먼저 내부 채널 내에서 열을 흡수한 후 슬롯을 통해 외부로 분사되어 외부 필름을 형성하며, 두 메커니즘을 통합한다.

실험은 받음각(α) 0°, 10°, 20°에서 분사 질량 유량 약 120 g/s로 수행되었다. 본 연구는 슐리렌 시각화(Schlieren visualization)를 활용하여 유동장 구조(활 모양 충격파, 제트 유도 충격파, 경계층 박리, 필름 피복)를 관찰하였으며, 모델 표면을 따라 6개의 측정 그룹(P₁–P₆)에 대해 벽면 온도 상승 및 열유속 응답을 분석하였다.

주요 결과

• 유동장 간섭: 제트가 없는 조건에서 유동장은 탈착된 활 모양 충격파와 분사 슬롯 단계에 의해 유도된 경계층 박리에 의해 지배된다. 내부 채널 냉각은 외부 유동장에 미치는 교란이 최소화된다. 반면, 외부 필름 및 결합형 냉형 방식은 뚜一个한 제트 유도 충격파와 전단층을 생성하여 주류를 들어 올림으로써 저온 보호층을 형성한다. 결합형 방식은 단일 필름 냉각과 비교하여 교란 범위를 크게 확장시키지 않는다.
• 단일 방식 성능:
  • 내부 채널 (HIn): 우수한 전체 벽면 온도 제어를 입증하였으며, 20–23 K의 안정적인 온도 감소를 달 Ach성하였다. 그러나 지속적인 열유속 억제 능력은 부족하여, 지속적인 공력 가열 하에서 벽면 열유속이 결국 양(+)의 값으로 돌아오는 것을 보여, 외부 열 입력을 직접 차단하는 데 한계가 있음을 나타냈다.
  • 외부 필름 (HOut): 강력한 지속적 열유속 억제를 제공하여 테스트 전반에 걸쳐 음(-)의 벽면 열유속을 유지하였다. 그러나 온도 제어 능력은 상대적으로 약했으며(슬롯 근처에서 약 10–20 K 감소, 하류에서는 ~2.5 K로 감소), 유동 방향을 따라 급격히 감쇠되었다.
• 결합형 방식 성능 (HAll):
  • 온도 제어: 슬롯 근처 영역(P₁)에서 가장 높은 열전달 성능을 보였으며, 30 K 이상의 안정적인 온도 감소를 나타냈다. 이는 단일 필름 냉각 대비 >200%, 분사 지점에서 단일 내부 냉각 대비 ~30–50% 향상된 수치이다. 그러나 냉각제의 체류 시간 감소 및 이차 가열로 인해 하류(P₃–P₅)에서는 효율이 크게 감쇠되어, 해당 영역에서 단일 내부 냉각보다 약간 낮은 성능을 보였다.
  • 열유속 억제: 모든 유효 측정 지점에서 100% 지속적인 음(-)의 열유속을 달성하였다. 결합형 모드는 단일 필름 냉각과 대등한 수준의 열유속 억제력을 유지하였으며, 단일 내부 채널 냉각보다 현저히 우수한 성능을 보였다.

의의 및 주장
본 논문은 결합형 채널-필름 열전달 접근 방식이 극초음속 핵심 영역의 열 보호를 위한 유리한 시너지 균형을 제공한다고 주장한다. 내부 열 흡수와 외부 필름 절연을 통합함으로써, 이 하이브리드 방식은 다음과 같은 성과를 달성한다:

1. 우수한 슬롯 근처 보호: 열 부하가 가장 집중되는 국부 영역에서 가장 강력한 냉각 능력을 제공한다.
2. 지속적인 열유속 차폐: 내부 채널의 한계를 극복하고 외부 공력 가열 입력을 지속적으로 차단하는 필름 냉각의 능력을 유지한다.
3. 균형 잡힌 효율성: 단일 필름 냉각보다 더 나은 전반적인 열 보호 성능을 달성하면서도 필름 냉각과 대등한 열유속 억제력을 유지함으로써, 작동 매체의 효율적인 사용을 시사한다.

저자들은 단일 방식들이 뚜렷한 장점(전체 온도 감소를 위한 내부 방식, 열유속 차단을 위한 외부 방식)을 가지고 있지만, 결합형 채널-필름 방식이 이러한 이점들을 효과적으로 통합하여 극초음속 비행체의 핵심 영역을 위한 능동적 열 보호의 유망한 공학적 솔루션을 제시한다고 결론짓는다.