안정적인 초음속 연소를 위한 나노초 펄스 전력 점화 시스템

Feb 18, 2024

소개

지난 몇 년 동안 음속의 몇 배로 비행할 수 있는 극초음속 항공기의 연구 개발에 대한 관심과 노력이 크게 증가했습니다. 실제 혈통을 가상으로 묘사한 것(2017년에 발표된 록히드 마틴의 고급 개발 프로그램의 무인 SR-72 )는 2022년 $1B+ 여름 블록버스터 Top Gun: Maverick에서도 중요한 역할을 했습니다. 극초음속 비행용으로 설계된 엔진은 국가 안보에서 첨단 극초음속 무기로, 우주 탐사에서는 저궤도에 접근하기 위한 재사용 가능한 단계로, 상업용 항공에서는 전 세계 승객의 항공 운송을 위한 빠르고 장거리 방법으로 혁명적으로 응용됩니다.

극초음속 비행의 주요 과제 중 하나는 엔진 정지입니다. 엔진의 연소 정지는 엔진 연소기의 화염이 소멸되어 추진력이 상실되는 현상으로, 연료 부족, 과도한 고도, 극심한 강수량, 믿을 수 없을 정도로 낮은 주변 온도 등 다양한 이유로 발생할 수 있습니다. 초기 제트 엔진은 입구 공기 흐름의 교란이나 갑작스러운 추력 레버 움직임으로 인해 엔진이 꺼지는 경향이 있었고, 이로 인해 연소실의 공연비가 부정확해졌습니다. 최신 엔진은 더욱 견고하며 종종 디지털 방식으로 제어되므로 모든 엔진 매개변수를 훨씬 더 효과적으로 제어하여 엔진 정지를 방지하고 엔진 정지가 발생하는 경우 자동 재시동을 시작할 수도 있습니다.

그러나 극초음속에서는 연소기를 통해 흐르는 공기의 믿을 수 없을 정도로 빠른 속도, 더 높은 고도에서 비행, 최대 대기 속도를 달성하는 데 필요한 공기 저항 감소로 인해 재조명 문제가 증가합니다.

속도가 빠를수록 불을 붙이기가 더 어려워집니다.

에 따르면NASA , 일단 엔진이 꺼지면 가능한 한 빨리 엔진에 다시 불을 붙이는 것이 중요합니다. 그러나 불이 꺼진 조건은 재조명을 어렵게 만드는 조건과 동일합니다. 첫 번째 단계는 재착륙에 더 유리한 낮은 고도로 하강하는 것입니다. 미션에 따라 문제가 될 수도 있습니다. 재점화를 시도하기 위해 엔진 점화기를 발사하여 점화 커널(고에너지 흐름과 자유 라디칼의 주머니)이 연소실로 도입됩니다. 커널은 화염 전면으로 발전하고 커널의 초기 상태와 난류 흐름 전개에 따라 결국 화염 안정화 또는 소멸에 도달합니다. 강한 난류와 점화 스파크 방전의 신뢰성이 결합되어 엔진 재점화를 어렵게 만듭니다.

이러한 재조명 문제는 스크램제트와 같은 고급 엔진에서 더욱 복잡해집니다. 스크램제트(초음속 연소 램제트)는 초음속 공기 흐름에서 연소가 일어나는 램제트 공기 호흡 제트 엔진의 변형입니다. 공기 흐름은 회전 요소가 필요하지 않은 흡기 시스템을 통해 동적으로 압축되고, 연료와 산화제는 연소기에서 초음속 조건에서 연소됩니다. 그러나 이러한 고속에서는 혼합 및 연소 공정이 연소기 길이 내에 쉽게 들어갈 수 없습니다. 왜냐하면 반응물이 연소될 수 있는 총 체류 시간은 일반적으로 전체 초음속 흐름에서 1밀리초 미만이기 때문입니다. 별도의 포트를 통해 연소기에 분사되는 연료는 연소 화학 반응이 일어나기 위해 흡입된 공기 흐름에 존재하는 산소와 분자 수준에서 혼합되어야 합니다. 따라서 전단층의 대규모 난류 구조가 성장하고 반응물 사이의 미세한 혼합을 유발하는 더 작은 소용돌이로 계단식으로 흐르기 위해서는 충분한 체류 시간이 할당되어야 합니다. 이 성장률의 감쇠는 필요한 혼합 속도를 늦추는 압축성 효과로 인해 초음속에서 발생합니다. 결국, 연료와 산화제는 화학적 순서로 혼합되면서 연소됩니다.

간단히 말해서, 스크램제트의 초음속 연소 문제는 사이클론에서 성냥을 켜는 것만큼 어렵습니다.