KR100935659B1 - 극초음속유동을 이용한 실험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극초음속 유동을 이용한 실험장치로서, 보다 상세하게는 실험 모델의 실제 환경을 동일한 극초음속유동 조건을 형성하여 극초음속유동 실험을 할 수 있는 극초음속유동을 이용한 실험장치에 관한 것이다.

본 발명은 유동에 충격파를 발생시키는 충격파 발생부와; 상기 충격파 발생부와 연결되어, 상기 충격파 발생부로부터 유입된 유동을 극초음속으로 가속하는 노즐과; 상기 노즐과 연결되어 상기 극초음속유동이 공급되고, 상기 극초음속유동실험의 실험모델이 설치된 실험챔버와; 상기 실험챔버와 연통되는 내부 공간을 갖는 덤프 탱크를 포함하는 극초음속유동을 이용한 실험장치를 개시한다.

극초음속유동, 실험, 충격파, 압력비

Description

극초음속유동을 이용한 실험장치{Testing equipment by using hypersonic flow}

본 발명은 극초음속 유동을 이용한 실험장치로서, 보다 상세하게는 실험 모델의 실제 환경과 동일한 극초음속유동 조건을 형성하여 극초음속유동 실험을 할 수 있는 극초음속유동을 이용한 실험장치에 관한 것이다.

일반적으로 극초음속으로 비행하는 비행체나 유도무기, 극초음속유동장 내에서 작동되는 스크램제트 엔진과 같은 극초음속 추진기관 등을 설계하기 위해서는 유체역학자료가 필요하므로, 상술한 비행체나 유도무기, 극초음속 추진기관 등의 실제 유동장 환경과 동일한 조건을 모사하여 유동 실험을 하는 것은 매우 중요하다.

그런데 이러한 극초음속유동 실험을 위해 현 실정에서는 일반적인 풍동장치를 이용하고 있지만, 실제 극초음속유동장 환경과 동일한 조건을 모사하기에는 불충분하다. 또한, 일반적인 풍동장치에서 실제 극초음속유동장 조건을 만족시키기 위해서는 전기 가열이나 축열식 페블(Pebble) 등 막대한 비용이 소요되는 공기 가열장치가 필요하기 때문에, 그 규모와 비용이 너무 커 상용화하기에는 어려움이 많다. 더욱이, 상술한 실험장치를 대학 등에서 교육용으로 확보하기에는 현실적으로 불가능하다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 충격파를 이용하여 극초음속 또는 고온의 유동장을 형성함으로써 실제 극초음속 또는 고온의 유동장 조건을 충분히 모사할 수 있는 극초음속유동을 이용한 실험장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 충격파를 이용하여 극초음속 또는 고온의 유동장을 형성함으로써 실내 실험이 가능할 정도로 소형, 저가로 구현될 수 있는 극초음속유동을 이용한 실험장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 유동에 충격파를 발생시키는 충격파 발생부와; 상기 충격파 발생부와 연결되어, 상기 충격파 발생부로부터 유입된 유동을 극초음속으로 가속하는 노즐과; 상기 노즐과 연결되어 상기 극초음속유동이 공급되고, 상기 극초음속유동실험의 실험모델이 설치된 실험챔버와; 상기 실험챔버와 연통되는 내부 공간을 갖는 덤프 탱크를 포함하는 극초음속유동을 이용한 실험장치를 개시한다.

상기 충격파 발생부는, 고압의 제1유체가 든 고압실과; 상기 고압실과 연결되고, 저압의 제2유체가 든 저압실과; 상기 고압실과 상기 저압실을 차단시키거나, 상기 고압실과 상기 저압실을 연통시켜 충격파가 발생되게 하는 압력실 개폐부를 포함할 수 있다.

상기 제1유체는, 헬륨일 수 있다.

상기 제2유체는, 공기일 수 있다.

상기 고압실과 상기 저압실은 각각, 단면 크기가 일정하고; 상기 저압실의 단면 크기가 상기 고압실의 단면 크기보다 작을 수 있다.

상기 압력실 개폐부는, 상기 고압실과 상기 저압실 사이에 설치되고, 상기 고압실과 상기 저압실의 압력 차이(충격파 발생 압력비)에 의해 파열되는 압력실 격막을 포함할 수 있다.

상기 압력실 격막은, 금속 재질 또는 마일러(Mylor)재질일 수 있다.

상기 압력실 격막은, 파열 라인이 형성될 수 있다.

상기 압력실 격막의 단면 크기는, 상기 저압실의 단면 크기보다 2배 이상일 수 있다.

상기 고압실과 상기 저압실 사이에는, 상기 압력실 격막이 파열되는 상기 충격파 발생 압력비가 일정하도록, 하나 이상의 중간 압력실이 설치될 수 있다.

상기 노즐의 저압실 측 단부에는 상기 저압실과 상기 실험챔버가 선택적으로 연통되도록 실험챔버 개폐부가 설치되고; 상기 저압실은 상기 저압실의 노즐 측 단부에 위치되고, 그 단면 크기가 상기 저압실의 그 인접한 부분의 단면 크기보다 작도록 형성되어, 상기 저압실과 상기 실험챔버가 연통되기 전까지 상기 충격파가 반사되고 상기 충격파가 발생된 유동이 정체되는 정체부를 가질 수 있다.

상기 노즐는, 상기 저압실과 연결되고, 상기 저압실에서 상기 실험챔버로 갈 수록 단면 크기가 작아지는 수축부와; 상기 실험챔버와 연결되고, 상기 수축부 측 입구 단면 크기보다 상기 실험챔버 측 출구 단면 크기가 큰 확산부와; 상기 확산부와 상기 수축부를 연결하는 목부를 포함할 수 있다.

상기 노즐의 확산부는, 유동방향을 따라 복수 개로 분할되어 서로 착탈 가능할 수 있다.

상기 실험챔버의 노즐 연결부분에 착탈 가능토록 결합되고, 상기 노즐이 삽입되는 노즐 삽입부를 갖는, 노즐-챔버 연결부를 더 포함할 수 있다.

상기 실험챔버는, 상기 실험챔버의 내부가 가시화될 수 있도록 적어도 하나의 가시화 창을 가질 수 있다.

상기 실험챔버를 상기 저압실과 연통시키거나 차단시키는 실험챔버 개폐부와; 상기 실험챔버와 연결되어 상기 저압실과 차단된 상기 실험챔버 내 압력을 제어하는 실험챔버 압력제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 실험챔버 개폐부는, 상기 노즐 내에 설치되고, 상기 충격파 발생부에서 발생된 충격파에 의해 파열되는 실험챔버 격막을 포함할 수 있다.

상기 실험챔버 격막은, 금속 재질 또는 마일러(Mylor)재질일 수 있다.

상기 덤프 탱크에는, 상기 덤프 탱크의 내부와 연통되어 상기 덤프 탱크의 내압에 따라 개폐되는 안전밸브가 설치될 수 있다.

상기 덤프 탱크에는, 상기 덤프 탱크의 내부를 출입할 수 있도록 탱크 출입구가 형성되고; 상기 탱크 출입구에는 개폐 가능한 탱크 도어가 설치될 수 있다.

본 발명에 따른 극초음속유동을 이용한 실험장치는 충격파를 이용하여 극초음속유동장을 형성함으로써 실제 극초음속유동장 조건을 충분히 모사할 수 있어 실험 결과의 신뢰성이 향상될 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 극초음속유동을 이용한 실험장치는 충격파를 이용하여 극초음속 유동장을 형성함으로써 일반적인 풍동장치에 비해 실내 실험이 가능할 정도로 소형으로 구축될 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 극초음속유동을 이용한 실험장치는 충격파를 이용하여 극초음속 유동장을 형성함으로써 일반적인 풍동장치보다 제작 및 실험비용이 월등히 줄어들 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 극초음속유동을 이용한 실험장치의 구성도이고, 도 2a는 도 1에서 고압실 및 저압실을 연결하는 부분의 단면도로서, 충격파 발생 전 상태를 보여주고, 도 2b는 도 1에서 고압실 및 저압실을 연결하는 부분의 단면도로서, 충격파 발생시 상태를 보여주고, 도 3은 본 발명에 따른 극초음속유동을 이용한 실험장치 중, 압력실 격막의 정면도이고, 도 4a는 도 1에서 저압실과 노즐을 연결하는 부분의 단면도로서, 충격파 발생 전 상태를 보여주고, 도 4b는 도 1에서 저압실과 노즐을 연결하는 부분의 단면도로서, 충격파 발생시 상태를 보여주고, 도 5는 본 발명에 따른 극초음속유동을 이용한 실험장치 중, 실험챔버의 사시도이다.

본 발명에 따른 극초음속유동을 이용한 실험장치는, 극초음속 비행하는 비행체, 유도무기를 비롯하여 극초음속 추진기관(예를 들어, 스크램제트 엔진), 극초음속유동 실험을 위해 일정한 편향각을 갖는 쐐기 모델, 일정한 원주를 갖는 무딘 물체 등을 실험대상으로 하는 것으로서, 유동에 충격파를 발생시키는 충격파 발생부(10)와, 상기 충격파 발생부(10)와 연결되어 상기 충격파 발생부(10)로부터 유입된 유동을 극초음속으로 가속하는 노즐(20)와, 상기 노즐(20)와 연결되어 상기 극초음속유동이 공급되고, 상기 극초음속유동에 의한 실험이 행해지는 실험 모델이 설치된 실험챔버(30)와, 상기 실험챔버(30)와 연통되는 내부 공간을 갖는 덤프 탱크(40)를 포함할 수 있다.

이하, 상기 충격파 발생부(10)에 대하여 상세히 설명한다.

상기 충격파 발생부(10)는, 압축성유체역학에 따라, 압력비를 이용하여 유동을 형성시키되, 이 유동에 충격파가 발생될 수 있을 정도로 압력비를 형성한다.

즉, 상기 충격파 발생부(10)는, 후술할 제2유체에 대하여 상대적으로 고압인 제1유체가 든 고압실(12)과, 상기 고압실(12)과 연결되고 상기 제1유체에 대하여 상대적으로 저압인 제2유체가 든 저압실(14)과, 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14)을 차단시켰다가 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14)을 연통시켜서 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14) 간 압력비(이하, 설명의 편의를 위해 '충격파 발생 압력비'라 함)에 의해 유동이 형성되고 이 유동에 충격파가 발생되게 하는 압력실 개폐부(16)를 포함할 수 있다.

이때, 상기 충격파의 강도는 상기 제1,2유체의 종류, 상기 고압실(12), 저압 실(14) 내 압력, 상기 충격파 발생 압력비 등에 따라 달라지는 특성을 갖는다. 즉 상기 제1유체의 분자량이 작을수록, 제1유체의 온도가 높을수록, 그리고 충격파 발생 압력비가 클수록, 상기 충격파의 강도는 커진다. 이때 제1유체 및 제2유체는 실험조건에 따라서 다양하게 선택될 수 있으며 동일한 기체 또는 이종의 기체가 사용될 수 있다.

따라서, 상기 충격파 발생부(10)는, 상기 충격파의 특성을 고려하여 다음과 같이 보다 상세히 구현됨으로써, 충분한 강도의 충격파를 발생시킬 수 있다.

상기 고압실(12)은, 실험 조건 등에 따라 다양한 형상을 취할 수 있으며, 바람직한 일 예로써 상기 저압실(14)과 연통되면 상기 제1유체가 가능한 저항을 받지 않고 상기 저압실(14)로 고속으로 유동될 수 있도록 내경이 일정한 직진형 관 형상을 취할 수 있다.

이러한 고압실(12)에는 상기 제1유체를 공급받을 수 있도록 상기 제1유체가 출입하는 고압실 출입구가 형성되고, 상기 고압실 출입구를 개폐하는 고압실 밸브가 설치될 수 있다.

상기 고압실 출입구에는, 상기 고압실(12)에 상기 제1유체가 고압 상태로 저장될 수 있도록, 상기 제1유체를 공급하는 제1유체 공급부(50)가 연결될 수 있다. 상기 제1유체 공급부(50)는, 고압 상태의 상기 제1유체를 바로 상기 고압실(12)로 보낼 수도 있지만, 본 실시 예와 같이 상기 제1유체를 고압으로 가압하면서 상기 고압실(12)로 보내도록 구성됨으로써, 높은 충격파 발생 압력비가 형성되어 충분한 강도의 충격파를 얻을 수 있고, 상기 압력실 개폐부(16)가 격막으로 구현되는 경우 상기 격막이 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14) 간 압력비에 의해 스스로 파열되어 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14)이 연통되게 할 수 있다.

상기 제1유체를 가압하기 위해서는 유체를 고압으로 압축할 수 있는 압축기가 사용 가능하지만, 보다 높은 강도의 충격파를 얻기 위해 상기 제1유체가 분자량이 작은 헬륨으로 준비된 경우에는 매우 고가의 압축기를 사용해야되는 바 비교적 저비용으로 사용될 수 있는 가스 부스터가 보다 바람직하다.

또한, 상기 고압실(12)은, 상기 제1유체 공급부(50)가 결합될 수 있도록, 상기 고압실 출입구가 형성된 캡(12A)이 구성될 수 있다.

또한 상기 고압실(12)은 상기 저압실(14) 측 단부에 상기 저압실(14)과의 체결을 위해, 용이하게 제작될 수 있는 고압실 플랜지(12B)가 구성됨으로써, 상기 저압실(14)과 용이하고 견실하게 체결될 수 있다. 여기서, 상기 고압실(12)은 상기 고압실 플랜지(12B)가 구성되는 대신, 상기 저압실(14)과 콜라(collar) 타입의 체결 방법으로 체결되는 것도 가능할 뿐만 아니라, 이외에도 상기 고압실(12)은 상기 저압실(14)과 다양한 방법으로 체결될 수 있음은 물론이다.

상기 고압실 플랜지(12B)는 상기 압력실 개폐부(16)의 장착이 용이하도록 원형으로 양각 가공됨이 바람직하다. 이때, 상기 고압실 플랜지(12B)는, 후술하는 바와 같은 이점을 위해 상기 고압실(12)의 일부가 상기 저압실(14)에 삽입될 수 있도록, 상기 고압실(12)의 저압실(14) 측 끝단에서 상기 저압실(14) 반대쪽으로 일정 거리 이격된 곳에 위치되는 것이 보다 바람직하다.

상기 고압실 플랜지(12B)에는, 상기 압력실 개폐부(16)와의 기밀 유지를 위 해, 상기 고압실 플랜지(12B)와 상기 압력실 개폐부(16)에 각각 밀착될 수 있는 오링(O-ring)(12C)이 삽입되는 고압실 오링 홈(12D)이 형성될 수 있다.

다음으로, 상기 저압실(14)은, 실험 조건 등에 따라 다양한 형상을 취할 수 있으며, 바람직한 일 예로써 유동 저항이 최소화될 수 있도록 직진형 관 형상을 취할 수 있다.

이때, 상기 저압실(14)의 내경은, 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14)의 압력비에 따른 충격파의 속도를 최대로 얻을 수 있도록 상기 고압실(12)의 내경보다 작은 것이 바람직하다. 특히 상기 저압실(14)의 내경은, 상기 고압실(12)과 연결되는 선단부의 내경이 상기 저압실(14)의 다른 부분의 내경보다 작은 것이 바람직하다.

이러한 저압실(14)에는 상기 제2유체를 공급받을 수 있도록 상기 제2유체가 출입하는 저압실 출입구가 형성되고, 상기 저압실(14) 출입구를 개폐하는 고압실 밸브가 설치될 수 있다. 상기 저압실 출입구에는, 상기 제2유체를 공급하는 제2유체 탱크(52)와 연결된다.

또한, 상기 저압실(14)에는, 상기 저압실(14) 내 압력을 측정하여 발생된 충격파의 속도 정보를 얻기 위해 저압실 압력센서(60)가 설치될 수 있다. 상기 저압실 압력센서(60)는 본 실시 예와 같이 상기 저압실(14)이 길이가 긴 관 형상을 취함에 따라, 상기 저압실(14) 내 압력 정보를 보다 정확히 얻을 수 있도록, 상기 저압실(14)의 길이를 따라 복수 개 설치되는 것이 보다 바람직하다. 이때, 상기 저압실(14)은 상기 저압실 압력센서(60)가 설치되는 부분에 내구성을 위해 시편이 부가 적으로 부착될 수 있다.

또한, 상기 저압실(14)에는 상기 고압실(12) 측 단부에, 상기 고압실(12), 보다 정확하게는 고압실 플랜지(12B)와 용이하고 견실하게 체결될 수 있도록, 전방 저압실 플랜지(14A)가 구성될 수 있다. 상기 전방 저압실 플랜지(14A) 또한 상기 압력실 개폐부(16)의 장착이 용이하도록 원형으로 양각 가공되는 것이 보다 바람직하다.

나아가 상기 전방 저압실 플랜지(14A)에는, 상기 고압실(12)의 일부가 삽입되고 상기 압력실 개폐부(16)가 설치될 수 있도록 결합 홈(14B)이 형성될 수 있다. 그러면, 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14)이 보다 견실하게 결합되고, 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14) 간 기밀이 확실하게 유지될 수 있고, 상기 압력실 개폐부(16)가 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14) 사이에 견실하고 용이하게 설치될 수 있고, 후술하는 바와 같이 상기 압력실 개폐부(16)가 격막으로 구현되어 파열되는 경우 상기 파열된 압력실 개폐부(16)가 상기 저압실(14)로 빨려들어가지 않도록 상기 압력실 개폐부(16)가 지지될 수 있는 이점을 가질 수 있다.

이때, 상기 전방 저압실 플랜지(14A)에 형성된 결합 홈(14A)과 상기 저압실(14)의 내부 공간의 경계 모서리(14C)는 소정 반경으로 라운딩(rounding) 가공됨으로써, 상기 압력실 개폐부(16)를 구현하는 격막이 파열될 때 상기 경계 모서리에 의해 찢어지지 않고 부드럽게 전개될 수 있다.

상기 전방 저압실 플랜지(14A) 또한 상기 압력실 개폐부(16)와의 기밀 유지를 위해 상기 전방 저압실 플랜지(14A)와 상기 압력실 개폐부(16)에 각각 밀착될 수 있는 오링(O-ring)(14D)이 삽입되는 저압실 오링 홈(14E)이 형성될 수 있다.

또한, 상기 저압실(14)에는 상기 노즐(20) 측 단부에, 상기 노즐(20)와 용이하고 견실하게 체결될 수 있도록, 후방 저압실 플랜지(14F)가 구성될 수 있다. 상기 후방 저압실 플랜지(14F) 또한 상기 노즐(20)와의 장착이 용이하도록 원형으로 가공되는 것이 보다 바람직하다.

상기 후방 저압실 플랜지(14F)에는, 상기 노즐(20)와 보다 용이하게 견실하게 결합될 수 있도록, 상기 노즐(20)의 일부가 삽입되는 노즐 삽입 홈(14G)이 형성될 수 있다. 그리고, 상기 후방 저압실 플랜지(14F)에는, 상기 저압실(14)과 상기 노즐(20)의 기밀 유지를 위해 상기 후방 저압실 플랜지(14F)와 상기 노즐(20)에 각각 밀착될 수 있는 오링(O-ring)(14H)이 삽입되는 저압실 오링 홈(14I)이 형성될 수 있다.

다음으로, 상기 압력실 개폐부(16)는, 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14)을 차단시켰다가 연통시킬 수 있다면 일반적인 밸브를 포함하여 어떠한 방법으로 구현되어도 무방하나, 상기 제1유체가 고압이고, 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14)의 압력비가 크며, 상기 충격파가 발생되기 때문에, 밸브 등과 같은 기구적, 전기적으로 개폐 동작되는 경우에는 파손이나 오동작을 고려해야되고, 유동 저항이 발생시킬 수밖에 없고, 기구적, 전기적 제어가 요구되는 단점이 있다.

따라서, 상술한 단점을 갖지 않도록 상기 압력실 개폐부(16)는, 본 실시 예와 같이 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14)을 차단토록 설치되었다가 상기 충격파 발생 압력비에 의해 스스로 파열되어 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14)을 연통시 키는 격막 형태의 압력실 격막으로 구현됨이 보다 바람직하다. 이하, 설명의 편의를 위해 상기 압력실 개폐부를 압력실 격막이라 한다.

이러한 압력실 격막(16)은, 상술한 바와 같이 용이하고 견실하게 장착될 수 있도록, 상기 저압실의 결합 홈(14G)에 위치되어 상기 저압실(14)과 상기 고압실(12) 사이에 개재될 수 있다.

이때, 상기 압력실 격막(16)은, 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14)의 압력비에 따라 개폐 역할을 할 수 있다면 어떠한 재질로 구성되어도 무방하나, 파열시 파편이 떨어져나가지 않고 여러 조각으로 쪼개져 전개될 수 있도록 구성되는 것이 보다 바람직하다.

이를 위해서, 상기 압력실 격막(16)은, 상기 압력실 격막(16)이 상대적으로 작은 상기 충격파 발생 압력비에서 파열되도록 설계될 경우 마일러(mylor) 등과 같은 간편한 재질로 구성될 수 있고, 상기 압력실 격막(16)이 상대적으로 작은 상기 충격파 발생 압력비에서 파열되도록 설계될 경우 마일러 재질보다 내구성이 큰 알루미늄과 같은 금속 재질로 구성될 수 있다.

나아가, 상기 압력실 격막(16)은, 적어도 금속 재질인 경우에는, 파열시 용이하게 여러 조각으로 쪼개져 전개될 수 있도록, 파열 라인이 형성될 수 있다. 상기 압력실 격막(16)의 파열 라인(16A)은 본 실시 예와 같이 십자 형상뿐만 아니라 이외에도 파열 조건 등에 따라 다양한 형상을 취할 수 있음은 물론이다.

또한, 상기 압력실 격막(16)의 크기는, 상술한 바와 같이 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14) 사이에 개재됨으로써 용이하고 견실하게 장착되고, 이와 아울러 파열 전에 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14)의 압력차에 의해 상기 저압실(14)로 빨려들어가지 않도록 상기 저압실(14)의 내경의 2배 이상으로 설계되는 것이 바람직하다.

이러한 압력실 격막(16)의 재질, 두께, 파열 라인 형태/깊이 등에 따른 파열 압력 데이터는, 상기 압력실 격막(16)의 재질 선정 및 안정적인 파열을 위해, 본 발명과 동일한 구성의 격막 파열 시험기를 통해서 확보할 수 있다.

한편, 상기 저압실(14)의 노즐(20) 측 단부에는, 상기 충격파가 발생된 후 상기 실험챔버 개폐부(36)에 의해 상기 저압실(14)과 상기 실험챔버(30)가 연통되기 전까지, 상기 충격파가 반사됨과 아울러 상기 충격파가 발생된 유동이 정체됨으로써, 상기 충격파가 발생된 유동의 압력과 온도가 보다 높아질 수 있는 정체부(14J)가 형성될 수 있다. 이를 위해 상기 저압실(14)의 정체부(14J)는, 일정한 크기의 내경을 가지며, 그 내경이 상기 저압실(14)의 내경과 같거나 작도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 정체부(14J)는 충격파에 의해 고온, 고압이 된 유체가 저압실(14) 끝단에서 정체되는 곳으로 정상 유동을 노즐(20) 수축부(20A)에 유입시켜 주는 역할을 한다.

상기 저압실(14)의 정체부(14J)에는, 본 발명에 따른 실험장치의 실험 시간이 상당히 짧으므로 상기 실험챔버(30)에 원하는 극초음속유동장이 형성되는 시간을 정확히 알기 위해서는 상기 충격파 발생시 상기 정체부(14J) 내 압력 정보가 필요하므로, 이를 위해 상기 정체부(14J)의 압력을 측정하는 정체부 압력센서(62)가 설치될 수 있다. 상기 정체부 압력센서(62)는, 상기 충격파가 반사되는 면에서 최대한 가까운 위치에서 정체 압력을 측정하여 정확한 성능 파악이 가능하도록 상기 저압실(14)의 후방 저압실 플랜지(14F)에 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14) 사이에는, 상기 압력실 격막(16)이 파열되는 상기 충격파 발생 압력비가 일정하도록, 중간 압력실이 설치될 수 있다.

바람직하게는, 상기 고압실(12)과 저압실(14) 사이에 보다 안정적이고 일정한 압력비에서 격막이 파열되어 항상 동일한 세기의 충격파가 발생할 수 있도록, 하나 이상의 중간 압력실(미도시)을 더 설치하여 이중 격막 시험이 가능하도록 할 수 있다.

이하, 상기 노즐(20)에 대하여 상세히 설명한다.

상기 노즐(20)은, 상기 충격파가 발생된 유동을 극초음속으로 가속하여 마하수를 조정할 수 있다면, 어떠한 구조를 취하든 무방하며, 바람직한 일 예로써, 상기 저압실(14)과 연결되고 상기 저압실(14)에서 상기 실험챔버(30)로 갈수록 단면 크기가 점진적으로 작아지는 수축부(20A)와, 상기 실험챔버(30)와 연결되고, 상기 수축부(20A) 측 입구 단면 크기보다 상기 실험챔버(30) 측 출구 단면 크기가 큰 확산부(20C)와, 상기 확산부(20C)와 상기 수축부(20A)를 연결하는 목부(20B)를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 충격파 발생부(10)에서 충격파가 발생된 유동의 속도는 상기 수축부(20A)에서 증가되다가 상기 목부(20B)에서 극초음속이 되고, 상기 확산부(20C)에서 더욱 증가하여 극초음속이 될 수 있다.

이러한 노즐(20)은, 상기 노즐(20)에 의해 가속되는 유동의 마하수 조정이 가능토록, 조정되는 마하수에 따라 교체 가능토록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 노즐(20)은 외형이 어떠한 형상이든 무방하지만, 상술한 상기 수축부(20A) 및 목부(20B), 확산부(20C)를 갖도록 내부가 대략 원추형으로 형성되되, 설계 및 제작의 편의를 위해 원통형 외형으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 노즐(20)는, 일체형으로 구성될 수도 있지만, 후술하는 바와 같이 유동 방향을 따라 복수 개로 분할되어 서로 착탈 가능토록 결합될 수도 있다. 이때, 상기 분할형의 노즐(20)는, 설계 조건 등에 따라 다양하게 분할될 수 있는데, 바람직한 일 예로써 후술할 실험챔버 개폐부(36)가 상기 노즐(20)의 목부(20B)에 위치될 수 있도록 상기 노즐(20)의 목부(20B)에서 분할될 수 있다. 또한, 상기 노즐(20)의 확산부(20C)에서 유동의 속도를 극초음속으로 증가시키기 위해서는 상기 노즐(20)의 확산부(20C)의 면적비(즉, 상기 확산부(20C)의 입구 크기 대비 상기 확산부(20C)의 출구 크기)가 상당히 커 상기 노즐(20)의 확산부(20C)가 대형일 수밖에 없는 바, 가공 용이성 및 저가 가공을 위해 바람직하게는 상기 노즐(20)의 확산부(20C)에서 분할될 수 있다.

따라서, 상기 노즐(20)은, 본 실시 예와 같이 구조적으로, 상기 저압실(14)과 결합되고, 상기 노즐(20)의 수축부(20A) 및 상기 노즐(20)의 목부(20B)의 전방부가 형성된 제1블록(22)과, 상기 제1블록(22)과 결합되고 상기 노즐(20)의 목부(20B) 후방부와 상기 노즐(20)의 확산부(20C)의 전방부가 형성된 제2블록(24)과, 상기 제2블록(24)과 결합되고 상기 노즐(20)의 확산부(20C)의 후방부가 형성된 제3 블록(26)으로 분할될 수 있다.

이때, 상기 제1블록(22)은, 상술한 바와 같이 상기 노즐(20)이 상기 저압실(14)과 용이하고 견실하게 결합될 수 있도록, 적어도 일부가 상기 저압실(14)의 노즐 삽입 홈(14G)에 삽입되고, 상기 후방 저압실 플랜지(14F)와 결합되는 제1블록 플랜지(22A)가 구성될 수 있다. 나아가, 상기 제1블록 플랜지(22A)에는, 상기 저압실(14)과 상기 노즐(20)의 기밀 유지를 위해 오링(O-ring)(22B)이 삽입되는 오링 홈(22C)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1블록(22)에는, 상기 제2블록(24)과 견실하고 용이하게 결합됨과 아울러 후술할 실험챔버 개폐부(36)가 개재될 수 있도록, 상기 제2블록(24)의 일부가 삽입되는 제2블록 삽입 홈(22D)이 형성될 수 있다.

상기 제2블록(24)은, 상술한 바와 같이 상기 제1블록(22)의 제2블록 삽입 홈(22D)에 삽입되는 삽입부(24A)가 구성될 수 있다. 또한 상기 제2블록(24)은 상기 제3블록(26)과 용이하고 견실하게 결합될 수 있도록, 상기 제3블록(26)의 일부가 삽입되는 제3블록 삽입 홈(24B)이 형성될 수 있다.

상기 제3블록(26)은, 상술한 바와 같이 상기 제2블록(24)의 제3블록 삽입 홈(24B)에 삽입되는 삽입부(26A)가 구성될 수 있고, 상기 제2블록(24)과의 사이에 기밀 유지를 위한 오링(O-ring)(26B)이 개재될 수 있도록 오링 홈(26C)이 형성될 수 있다.

상기 제3블록(26)은, 상기 실험챔버(30)와 연결되는 끝부분이 조정된 마하수의 극초음속유동이 형성되는 곳이므로, 후술할 상기 실험챔버(30)의 가시화창(32)을 통해 보일 수 있도록, 적어도 일부가 상기 실험챔버(30)의 내부로 삽입될 수 있 다.

이러한 제1,2,3블록(22,24,26)은, 다양한 방법으로 상호 결합될 수 있으며, 바람직한 일 예로써 제2,3블록(24,26)이 볼트 등의 체결부재에 의해 상호 결합되고, 상기 상호 결합된 제2,3블록(24,26)이 제1블록(22)과 체결부재에 의해 결합될 수 있다.

이하, 상기 실험챔버(30)에 대하여 상세히 설명한다.

상기 실험챔버(30)는, 실험 조건 등에 따라 다양하게 형상화될 수 있으며, 바람직한 일 예로써 사각 덕트(Duct) 형상의 내부 중공을 가지도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 사각 덕트 형상의 실험챔버(30)는, 본 실시 예와 같이 상기 노즐(20) 및 상기 덤프탱크(40)가 모두 원형 단면으로 형성된 경우, 상기 노즐(20) 및 상기 덤프탱크(40)와 적절히 연결될 수 있도록, 상기 노즐(20)과 연결되는 노즐 연결부에 상기 노즐(20)과 결합되는 제1플랜지(30A)가 구성되고, 상기 덤프탱크(40)와 연결되는 탱크 연결부에 상기 덤프탱크(40)와 결합되는 제2플랜지(30B)가 구성될 수 있다.

이러한 실험챔버(30)는, 실험모델 장착 등의 작업을 위한 접근성이 좋고, 후술하는 바와 같이 상기 실험챔버(30)의 각 면을 가시화창(32)으로 활용하기가 수월하도록, 옆판 전체가 착탈 가능토록 구성될 수 있다.

상기 실험챔버(30)의 내부에는, 상기 실험모델을 지지할 수 있도록 받침대가 설치될 수 있다.

나아가, 상기 실험챔버(30)에는 극초음속유동 실험시, 상기 실험모델로부터 그림자 기법의 유동 가시화(Shadowgraph), PLIF(레이저 가시화의 일종) 등 다양한 실험 데이터를 얻기 위해, 상기 실험챔버(30)의 내부가 가시화될 수 있도록, 적어도 하나의 가시화창(32)이 형성될 수 있다. 상기 가시화창(32)은, 다양한 종류의 재질이 이용될 수 있는데, 이중 빛의 투과성이 좋고 고온에서 잘 견디는 쿼츠글라스(Quartzglass)로 형성되는 것이 가시화 실험을 위해 보다 바람직하다.

또한, 상기 실험챔버(30)에는, 극초음속유동 실험시, 상기 실험챔버(30) 내 압력, 온도 등 다양한 실험 데이터를 얻기 위해 센서 및 데이터 획득장치 등으로 구성된 실험장비가 설치될 수 있다.

이러한 실험챔버(30)에는, 전,후면을 제외한 네 둘레면 중 세 둘레면에 각각 상기 가시화창(32)이 형성되고, 나머지 한 면에 상기 실험장비의 연결을 위한 케이블 연결 블락이 설치될 수 있다.

한편, 상기 실험챔버(30)의 노즐 연결부는, 상기 노즐(20)과 맞춤 결합되도록 형성됨이 바람직하지만, 상술한 바와 같이 마하수 조정을 위해 상기 노즐(20)의 제3블록(26)이 교체되는 경우에는, 항상 상기 노즐(20)과 맞춤 결합될 수 없다.

따라서, 상기 실험챔버(30)의 노즐 연결부는 상기 노즐(20)의 실험챔버(30) 측 단부보다 크게 형성되고, 상기 실험챔버(30)와 상기 노즐(20)은 후술할 노즐-챔버 연결부(34)를 통해 연결됨으로써, 상기 노즐(20)의 제3블록(26)의 크기에 상관없이 상기 실험챔버(30)와 상기 노즐(20)이 서로 용이하고 견고하게 결합될 수 있다.

상기 노즐-챔버 연결부(34)는, 상기 노즐(20)의 제3블록(26)의 크기에 따라 교체 가능토록 상기 실험챔버(30)의 노즐 연결부에 착탈 가능토록 결합되고, 상기 노즐(20)이 맞춤 결합될 수 있도록 상기 노즐(20)의 제3블록(26)의 크기에 대응되게 형성되어 상기 노즐(20)이 삽입되는 노즐 삽입부(34A)를 가질 수 있다.

이러한 노즐-챔버 연결부(34)는, 기밀 유지를 위해, 상기 실험챔버(30)와의 사이에 오링이 개재될 수 있도록 상기 실험챔버(30)와 접촉되는 외면에 상기 오링이 끼워지는 오링 홈이 형성되고, 상기 노즐(20)의 제3블록(26)과의 사이에 오링이 개재될 수 있도록 상기 노즐(20) 삽입부에 상기 오링이 끼워지는 오링 홈이 형성될 수 있다.

한편, 상기 실험챔버(30)는, 상기 저압실(14)과 항상 연통될 수도 있지만, 후술할 실험챔버 개폐부(36)에 의해 충분한 강도의 충격파가 발생될 수 있도록 상기 충격파 발생 전에는 상기 저압실(14)과 차단되고 충분한 강도의 충격파가 발생되면 상기 저압실(14)과 연통되는 것이 보다 바람직하다.

상기 실험챔버 개폐부(36)는, 상기 실험챔버(30)에 설치될 수 도 있지만, 충분한 강도의 충격파가 발생될 수 있도록 상기 저압실(14) 측에 가깝게 위치되는 것이 보다 바람직하다. 따라서, 상기 실험챔버 개폐부(36)는, 본 실시 예와 같이 상기 노즐(20) 내, 보다 정확하게는 노즐(20)의 목부(20B)에 설치되는 것이, 성능면에서 유리하다.

이러한 실험챔버 개폐부(36) 또한 상술한 압력실 개폐부(16)와 동일하게 구현될 수 있는 바, 더 이상의 상세한 설명은 생략한다. 다만, 상기 실험챔버 개폐부(36)는, 상기 저압실(14) 내 충격파가 발생된 유동의 압력에 의해 적절한 시점에 서 파열될 수 있도록 매우 얇은 마일러 재질로 구성됨이 보다 바람직하다.

이와 아울러, 상기 노즐(20)부에서 확산되어 팽창되는 유동은 압력이 상당히 낮으므로, 상기 실험챔버(30)의 배압이 충분히 낮아야만 상기 저압실(14) 내 충격파가 발생된 유동이 상기 실험챔버(30)로 유동될 수 있는 바, 이를 위해 상기 실험챔버(30)와 연결되어 상기 저압실(14)과 차단된 상기 실험챔버(30) 내 압력을 제어하는 실험챔버 압력제어부(38)를 더 포함할 수 있다.

상기 실험챔버 압력제어부(38)는, 상기 실험챔버(30)와 직접 연결될 수도 있지만, 본 실시 예와 같이 상기 실험탱크(40)와 함께 상기 덤프탱크(40) 내 압력 제어가 가능토록, 상기 덤프탱크(40)와 결합됨으로써 상기 덤프탱크(40)를 통해 상기 실험챔버(30)와 연결될 수도 있다.

상기 실험챔버 압력제어부(38)는, 상기 실험챔버(30), 나아가 상기 덤프탱크(40)의 압력을 낮추어 배압이 유지되도록 압력 제어할 수 있다면, 어떠한 방법으로든 구현될 수 있으며, 바람직한 일 예로써, 진공 펌프로 구현될 수 있다.

이하, 상기 덤프탱크(40)에 대하여 상세히 설명한다.

상기 덤프탱크(40)는, 시험 전에는 배압을 유지하고, 실험 후 상기 실험챔버(30)로 유동된 제1,2유체를 받아들여 안정적으로 상압을 유지할 수 있도록, 부피 등이 적정하게 설계됨이 바람직하다.

나아가, 상기 덤프탱크(40)는 상기 덤프탱크(40)로 빨려 들어온 파편 등이 용이하게 청소될 수 있도록, 상기 덤프탱크(40)의 내부를 출입할 수 있도록 하는 탱크 출입구(40A)가 형성되고, 상기 탱크 출입구(40A)를 개폐하는 탱크 도어(42)가 설치될 수 있다.

또한, 상기 덤프탱크(40)에는, 상기 덤프탱크(40)의 내부와 연통되어 상기 덤프탱크(40)의 내압에 따라 개폐되는 적어도 하나의 안전밸브가 설치됨으로써, 상기 덤프탱크(40) 내 압력이 일정이상으로 상승하면 자동으로 상기 덤프탱크(40) 내 유체가 배기될 수 있어, 실험상 안전성이 확보될 수 있다.

한편, 상기 덤프탱크(40)와 상기 실험챔버(30)는 본 실시 예와 같이 상기 실험챔버(30) 내 가시화를 위해 분리되어 구성될 수도 있지만, 레이저 등을 이용한 가시화가 중요하지 않으면 일체형으로 구성하여도 무방하다.

나아가, 본 발명에 따른 실험장치는, 상기 압력실 개폐부(16) 및 챔버 개폐부, 노즐(20) 등의 착탈, 교체를 위해 매 시험마다 분리/체결 작업이 이루어지는데, 이때 구성요소 간 동심이 일치될 수 있도록, 본 발명에 따른 실험장치의 각 구성요소를 선형으로 가이드하는 가이드(70)를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 덤프탱크(40)는 부피가 매우 크고 무거워 이동이 어려우므로, 상기 가이드(70)는 상기 덤프탱크(40)를 제외한 나머지 구성요소들만을 가이드하는 것이 바람직하다.

이하, 극초음속유동 실험시 형성되는 압력 및 온도, 유속이 상당히 높기 때문에 시험시 안전을 고려하고, 본 발명에 따른 실험장치가 저가의 비용으로 제작되고 운용될 수 있도록, 다음과 같이 바람직한 설계치를 제시한다. 참고로, 후술할 설계치는, 수치해석이나, 이외 여러 실험 방법에 의해 얻어질 수 있다.

먼저, 상술한 바와 같이 제1,2유체의 분자량이 작을수록 충격파의 강도가 큰 바, 상기 제1유체로는 헬륨, 상기 제2유체로는 공기를 사용하는 것이 보다 바람직 하다.

상기 고압실(12)의 재질로는 최대 허용압력 900bar, 안전을 고려하여 최대 작동압력 300bar를 기준으로 하는 사용 KS규격 SCH160의 무계목 스테인리스 파이프가 바람직하다. 그리고 상기 고압실(12)은 상용규격 80A로 내경 67mm, 길이 1.5m로 설계하는 것이 바람직하다. 또한 그리고, 상기 고압실(12)의 캡(12A)에는 기밀 유지를 위해 고무 오링이 개재될 수 있도록 지름 81mm, 폭 4.1mm 깊이 2.4mm의 홈을 형성한다.

상기 저압실(14)의 재질로는 최대 허용압력 900bar, 안전을 고려하여 최대 작동압력 300bar를 기준으로 하는 사용 KS규격 SCH160의 무계목 스테인리스 파이프가 바람직하다. 그리고 상기 저압실(14)은 상용규격 50A로 내경 43.1 mm, 길이 5.25m 설계하는 것이 바람직하다.

참고로, 수치해석을 통해 시간에 따라 얻어지는 1차원적인 해를 x-t 다이어그램 방식으로 표현하여 충격파, 접촉 경계면 및 팽창파의 거동을 시간-공간 상에서 추적할 수 있도록 하였으며, 이를 통하여 상기 팽창파가 상기 고압실(12) 끝단에서 반사되어 상기 저압실(14)에 도달하기까지의 시험 가능한 시간을 예측하여, 상기 고압실(12) 및 상기 저압실(14)의 최적 길이를 설계할 수 있다. 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 상기 충격파 발생 압력비는 600, 상기 고압실(12)의 길이는 1.5m, 상기 저압실(14)의 길이는 5.25m로 상기 고압실(12)과 상기 저압실(14)의 내경 비가 1인 경우(도 6a)와 1.56인 경우(도 6b)에 대한 결과를 제시함으로써 설계의 타당성을 확인하였다.

여기서, 도 6a 및 도 6b에서 영역이 구분되는 색으로 표현된 것은 헬륨과 공기를 나타내며, 등압력선도를 함께 흰색 선들로 겹쳐 표현함으로써 구동 기체와 시험 기체의 움직임과 함께 충격파와 팽창파의 거동을 함께 비교할 수 있게 표현하였다. 이러한 방식을 택함으로써 충분한 길이의 상기 고압실(12)로 인해 반사 팽창파가 입사 충격파를 따라잡지 못하며, 주어진 제한 조건에서 최대의 시험시간이 가능하도록 설계가 이루어졌다.

상기 압력실 격막(16)은, 상술한 바와 같이 목표하는 파열 압력이 300bar로 설정된 경우, 대략 두께 3mm의 알루미늄 재질로 구성되고, 이때 파열 라인의 깊이는 대략 5~0.6mm이 바람직하다.

이때, 도 7은, 상기 압력실 격막(16)의 형상(유효 두께)과 파열 압력의 관계를 나타내는 그래프로서, 상기 압력실 격막(16)의 파열 라인은, 원추 모양 가공기구를 이용하여 단면 V 자 형태의 뾰족한 홈으로 가공될 수 있는데 이 경우 상대적으로 낮은 압력에서 파열이 발생함을 알 수 있다. 더욱이 상기 압력실 격막(16)의 파열 라인은, 단면 V 자 형태이면, 날카로운 정도가 균일하지 않아 파열 조각이 비대칭으로 발생하는 확률이 높다. 반면, 상기 압력실 격막(16)의 파열 라인은, 단면 U 자 형태로 균일하게 가공된 경우, 보다 높은 압력에서 파열된다. 따라서, 상기 압력실 격막(16)의 파열 라인은, 파열 압력에 따라 설계되는 것이 바람직하다.

상기 노즐(20)은 마하수 7의 출구 유동 조건을 만족하는 목-출구 면적비를 예측하여, 상기 노즐(20)의 목부(20B) 직경 12mm, 상기 노즐(20)의 출구 직경 150mm, 상기 노즐(20)의 확장부의 확장각은 8.5도, 상기 노즐(20)의 전체 길이는 481mm로 설계할 수 있다. 참고로, 도 8에 도시된 바와 같이, CFD-FASTRAN을 이용하여 상술한 노즐(20)의 설계치에 대해 노즐(20) 내 유동을 비점성 및 점성 유동 가정으로 각각 해석함으로써 상술한 노즐(20)의 설계치에 대하여 대략 마하수 7를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.

이외에도 상기 노즐(20)은, 상기 노즐(20)의 확산부(20C)를 교체함으로써, 최대 마하수 8까지 가능하도록 설계할 수 있다.

상기 노즐(20)의 수축부(20A)는, 상기 노즐(20)의 수축부(20A) 형상을 결정하기 위해 다양한 조건에 대하여 비정상, 비점성 CFD 시뮬레이션을 수행한 결과, 반사 충격파는 반사 면적이 줄어드는 것에 크게 영향 받지않고 수직 반사 충격파가 모두 형성되는 것을 확인하였으나, 가공상의 편의와 수직 반사 충격파 및 정체조건의 형성이 잘 이루어지는 조건을 고려하여, 상기 노즐(20)의 수축부(20A) 입구 반지름을 12mm로 하는 구면 수축 형상을 선정한다.

상기 실험챔버(30)는, 내부 규격이 300mm × 300mm × 600mm 가 확보되도록 하였고, 가시화 가능 영역은 직경 210mm의 원형으로 하였는데, 가시화를 위한 가시화창(32)은 강화유리 또는 쿼츠 재질로 형성할 수 있으며 그 두께는 20mm이다.

상기 덤프탱크(40)는, 시험 종료 후 내부 압력이 1기압을 넘지 않도록 2m³의 부피로 설계한다.

상기 가이드(70)는 상기 가이드(70)에 안내받는 모든 구성요소의 하중 조건을 고려하여 선형운동방식을 채택함으로써 선형 얼라이먼트를 보장하도록 한다.

이와 같이 설계된 본 발명의 실험장치는 작동시간을 2msec 내외로서 극초음속유동 실험용으로 충분한 성능 목표를 가질 수 있으며, 상기 실험챔버(30)에서는 PLIF와 같이 레이저를 이용한 가시화, 극초음속유동 가시화, 극초음속 비행체(스크램제트 엔진) 실험 등 다양한 극초음속유동 실험이 가능하다.

한편, 도 9는 이와 같이 구성된 극초음속 충격파 풍동의 성능을 검증하는 실험을 수행한 결과로서, 성능검증 실험으로 저압실에서 이동하는 충격파의 속도를 측정하고 정체실의 압력을 측정함으로써 시험시간을 확인하였다. 도 9는 저압실(14)에서 3개 지점, 정체실(400) 1개 지점 총 4개 지점에서 정압(Static Pressure)을 측정하여 얻어진 결과로서 점으로 표시된 것은 실험치이며 선으로 표시된 것은 이론 결과이며, 실험치가 이론 계산 조건과 비교적 잘 일치하고 있음을 확인하였다.

도 9에서 p1은 저압실의 압력, p4는 고압실의 초기압력, p5는 정체실의 압력, Us는 충격파의 이동속도(m/s), Ur은 반사충격파의 이동속도, Ms 및 Mr은 각각 충격파의 이동속도 및 반사충격파의 이동속도를 마하수로 환산한 값들을, T5는 정체실의 온도이고, T1은 저압실의 온도를 의미한다.

이하, 상기와 같이 구성되고 설계된 본 발명에 따른 극초음속유동을 이용한 실험장치의 실험과정을 살펴보면, 다음과 같다.

상기 고압실(12)에 상기 제1유체를 가압하면서 공급하고, 상기 저압실(14)에 제2유체를 공급한다. 이때, 상기 실험챔버(30) 및 상기 덤프탱크(40)는 배압이 유 지되도록 진공상태이다.

상기 고압실(12) 내 압력이 상기 압력실 격막(16)의 파열 압력까지 상승하게 되면, 상기 압력실 격막(16)이 파열되고, 이와 동시에 상기 고압실(12) 내 제1유체가 고속으로 상기 저압실(14) 내로 유동됨으로써, 충격파가 발생된다.

상기 충격파가 발생된 유동은 상기 저압실(14)의 정체부(14J)에 일시적으로 정체하게 된다. 상기 저압실(14)의 정체부(14J) 압력이 상기 챔버 격막의 파열 압력까지 상승하게 되면, 상기 파열 압력이 파열되고, 이와 동시에 상기 정체되어 있던 유동이 상기 노즐(20)을 통과하면서 극초음속으로 가속되면서 상기 실험챔버(30)로 공급된다.

따라서, 상기 실험챔버(30)에 극초음속유동이 공급됨으로써, 상기 실험챔버(30)에서 극초음속유동 실험이 행해질 수 있다.

이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 극초음속유동을 이용한 실험장치의 구성도이다.

도 2a는 도 1에서 고압실 및 저압실을 연결하는 부분의 단면도로서, 충격파 발생 전 상태를 보여준다.

도 2b는 도 1에서 고압실 및 저압실을 연결하는 부분의 단면도로서, 충격파 발생시 상태를 보여준다.

도 3은 본 발명에 따른 극초음속유동을 이용한 실험장치 중, 압력실 격막의 정면도이다.

도 4a는 도 1에서 저압실과 노즐을 연결하는 부분의 단면도로서, 충격파 발생 전 상태를 보여준다.

도 4b는 도 1에서 저압실과 노즐을 연결하는 부분의 단면도로서, 충격파 발생시 상태를 보여준다.

도 5는 본 발명에 따른 극초음속유동을 이용한 실험장치 중, 실험챔버의 사시이다.

도 6a는 본 발명에 따른 극초음속유동을 이용한 실험장치 중, 고압실과 저압실의 내경비가 1일 때, 충격파 발생시 저압실 내 유동 거동을 보여주는 도면이다.

도 6b는 본 발명에 따른 극초음속유동을 이용한 실험장치 중, 고압실과 저압실의 내경비가 1.56일 때, 충격파 발생시 저압실 내 유동 상태를 보여주는 도면이다.

도 7은 본 발명에 따른 극초음속유동을 이용한 실험장치 중, 압력실 격막의 형상에 따른 압력실 격막의 파열 압력을 보여주는 그래프이다.

도 8은 본 발명에 따른 극초음속유동을 이용한 실험장치 중, 실험시 노즐 내 유동 상태를 보여주는 도면이다.

도 9는 본 발명에 따른 극초음속유동을 이용한 실험장치의 성능 실험 결과를 보여주는 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

10; 충격파 발생부 12; 고압실

14; 저압실 16; 압력실 개폐부

20; 노즐 20A; 수축부

20B; 목부 20C; 확산부

30; 실험챔버 32; 가시화창

38; 실험챔버 압력제어부 40; 덤프탱크

Claims (20)

1. 삭제
2. 유동에 충격파를 발생시키는 충격파 발생부와, 상기 충격파 발생부와 연결되어 상기 충격파 발생부로부터 유입된 유동이 극초음속으로 가속되는 노즐과, 상기 노즐과 연결되어 상기 극초음속유동이 공급되고 상기 극초음속유동 실험을 위한 실험모델이 설치된 실험챔버와, 상기 실험챔버와 연통되는 내부 공간을 갖는 덤프 탱크를 포함하며;

   상기 충격파 발생부는 고압의 제1유체가 든 고압실과, 상기 고압실과 연결되고 저압의 제2유체가 든 저압실과, 상기 고압실과 상기 저압실을 차단시키거나 상기 고압실과 상기 저압실을 연통시켜 충격파가 발생되게 하는 압력실 개폐부를 포함하며;

   상기 압력실 개폐부는 상기 고압실과 상기 저압실 사이에 설치되고 상기 고압실과 상기 저압실의 압력 차이(충격파 발생 압력비)에 의해 파열되는 압력실 격막을 포함하는 극초음속유동을 이용한 실험장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 제1유체는, 헬륨인 극초음속유동을 이용한 실험장치.
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,

   상기 제2유체는, 공기인 극초음속유동을 이용한 실험장치.
5. 청구항 2에 있어서,

   상기 고압실과 상기 저압실은 각각, 단면 크기가 일정하고;

   상기 저압실의 단면 크기가 상기 고압실의 단면 크기보다 작은 극초음속유동을 이용한 실험장치.
6. 삭제
7. 청구항 2에 있어서,

   상기 압력실 격막은, 금속 재질 또는 마일러(Mylor)재질인 극초음속유동을 이용한 실험장치.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 압력실 격막은, 파열 라인이 형성된 극초음속유동을 이용한 실험장치.
9. 청구항 2, 청구항 3, 청구항 5, 청구항 7, 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 압력실 격막의 단면 크기는, 상기 저압실의 단면 크기보다 2배 이상인 극초음속유동을 이용한 실험장치.
10. 청구항 2, 청구항 3, 청구항 5, 청구항 7, 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 고압실과 상기 저압실 사이에는, 상기 압력실 격막이 파열되는 상기 충격파 발생 압력비가 일정하도록, 하나 이상의 중간 압력실이 설치된 극초음속유동을 이용한 실험장치.
11. 청구항 2에 있어서,

    상기 노즐의 저압실 측 단부에는 상기 저압실과 상기 실험챔버가 선택적으로 연통되도록 실험챔버 개폐부가 설치되고;

    상기 저압실은 상기 저압실의 노즐 측 단부에 위치되고, 그 단면 크기가 상기 저압실의 그 인접한 부분의 단면 크기보다 작도록 형성되어, 상기 저압실과 상기 실험챔버가 연통되기 전까지 상기 충격파가 반사되고 상기 충격파가 발생된 유동이 정체되는 정체부를 갖는 극초음속유동을 이용한 실험장치.
12. 청구항 2, 청구항 3, 청구항 5, 청구항 7, 청구항 8, 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 노즐은, 상기 저압실과 연결되고, 상기 저압실에서 상기 실험챔버로 갈수록 단면 크기가 작아지는 수축부와;

    상기 실험챔버와 연결되고, 상기 수축부 측 입구 단면 크기보다 상기 실험챔버 측 출구 단면 크기가 큰 확산부와;

    상기 확산부와 상기 수축부를 연결하는 목부를 포함하는 극초음속유동을 이용한 실험장치.
13. 청구항 12에 있어서,

    상기 노즐의 확산부는, 유동방향을 따라 복수 개로 분할되어 서로 착탈 가능한 극초음속유동을 이용한 실험장치.
14. 청구항 2, 청구항 3, 청구항 5, 청구항 7, 청구항 8, 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 실험챔버의 노즐 연결부분에 착탈 가능토록 결합되고 상기 노즐이 삽입되는 노즐 삽입부를 갖는 노즐-챔버 연결부를 더 포함하는 극초음속유동을 이용한 실험장치.
15. 청구항 2, 청구항 3, 청구항 5, 청구항 7, 청구항 8, 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 실험챔버는, 상기 실험챔버의 내부가 가시화될 수 있도록 적어도 하나의 가시화 창을 갖는 극초음속유동을 이용한 실험장치.
16. 청구항 2, 청구항 3, 청구항 5, 청구항 7, 청구항 8, 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 실험챔버를 상기 저압실과 연통시키거나 차단시키는 실험챔버 개폐부와;

    상기 실험챔버와 연결되어 상기 저압실과 차단된 상기 실험챔버 내 압력을 제어하는 실험챔버 압력제어부를 더 포함하는 극초음속유동을 이용한 실험장치.
17. 청구항 16에 있어서,

    상기 실험챔버 개폐부는, 상기 노즐 내에 설치되고, 상기 충격파 발생부에서 발생된 충격파에 의해 파열되는 실험챔버 격막을 포함하는 극초음속유동을 이용한 실험장치.
18. 청구항 17에 있어서,

    상기 실험챔버 격막은, 금속 재질 또는 마일러(Mylor)재질인 극초음속유동을 이용한 실험장치.
19. 청구항 2, 청구항 3, 청구항 5, 청구항 7, 청구항 8, 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 덤프 탱크에는, 상기 덤프 탱크의 내부와 연통되어 상기 덤프 탱크의 내압에 따라 개폐되는 안전밸브가 설치된 극초음속유동을 이용한 실험장치.
20. 청구항 2, 청구항 3, 청구항 5, 청구항 7, 청구항 8, 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 덤프 탱크에는, 상기 덤프 탱크의 내부를 출입할 수 있도록 탱크 출입구가 형성되고;

    상기 탱크 출입구에는 개폐 가능한 탱크 도어가 설치된 극초음속유동을 이용한 실험장치.

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