KR101913315B1 - 초음속 경사 충격파관 장치 - Google Patents

초음속 경사 충격파관 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음속 경사 충격파를 생성하고 이를 측정할 수 있는 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 초음속 경사 충격파관 장치는 제1압력을 갖는 제1관부와 상기 제1관부와 연결되며 상기 제1압력보다 더 작은 제2압력을 갖는 제2관부을 포함하는 압력관, 상기 압력관 내에 설치되어 상기 제1관부와 상기 제2관부를 분할하는 제1격막, 상기 제2관부의 외면에 연결 설치되며 내부 공간을 갖는 제어 챔버, 및 상기 제어 챔버와 상기 제2관부 사이에 설치되며 상기 제어 챔버와 상기 제2관부를 분리하는 제2격막을 포함한다.

Description

초음속 경사 충격파관 장치{SUPERSONIC OBLIQUE SHOCK TUBE APPARATUS}
본 발명은 초음속 충격파관 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 경사진 초음속 충격파를 생성하고 이를 측정하는 장치에 관한 것이다.
초음속으로 비행하는 비행체의 형상에 따라 다양한 각도의 충격파가 형성되며 이를 경사충격파라고 한다. 충격파 상류에서 종단 속도로 떨어지는 빗방울은 충격파를 만나 충격파 층으로 침투되며 이 과정에서 가해지는 공기역학적 힘에 의해 액적이 변형되거나 부서지는 등 급격한 변화를 겪으며 비행체에 충돌하게 된다.
초음속 환경에서는 이러한 작은 빗방울조차 비행체에 심각한 손상을 야기할 수 있다. 부서진 빗방울은 분자 단위로 쪼개져 유동장내의 분자들과 섞이고 밀도가 높아진 유동장 내부는 열적 에너지가 상승하여 열적 마모현상이 발생하게 된다. 이에 따라 빗방울의 충돌지점에는 물리적 마모현상이 초래되어 유도무기체계의 심각한 성능저하를 유발할 수 있다. 이러한 성능저하 및 개발의 실패를 방지하기 위하여 경사충격파와 빗방울 사이의 상호작용 및 열적, 물리적 에너지에 관한 데이터가 필수적으로 확보되어야 하며 이는 유도무기체계 및 초음속 비행체 개발에 있어 매우 중요하다.
초음속 환경 모사를 위한 종래의 장비는 초음속 풍동, 초고속 가스총 및 충격파 시험장비 등이 있으며 특히 저고도에서 초고속 비행체 비행 시 겪게 되는 구름 및 우천 환경 모사를 위해서 주로 가스총이나 충격파 시험장비가 활용되고 있다.
첫 번째로 축소된 시험 모델을 실제로 발사하는 방식의 가스총 시험장비를 활용할 경우 전반적인 우천환경에서의 유동모사 및 비행체에 흡수되는 충격량에 관한 연구는 가능하지만 시험모델 전방에 생성되는 약 30 ~ 50cm 충격파층의 모사가 가능하며 가스총 시험장비의 규모가 수 km 달할 것으로 예상된다. 물론 이의 제작을 위해서는 천문학적 자금이 필요하여 현실적으로 제작이 불가능할 것으로 사료된다.
두 번째로 충격파 시험장비는 초음속 유동 모사를 위해 사용되는 장비들 중 전 세계적으로 가장 보편화된 장비이며 가스총 시험장비에 비해 비교적 간단한 구조 및 시험으로 초음속 유동장 내 구름 및 우천환경의 모사가 가능하다는 장점이 있지만 오직 수직충격파만 생성 가능하여 실질적으로 구하고자 하는 경사충격파와 빗방울 사이의 상호작용에 관한 데이터의 수집이 불가능하다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 용이하게 초음속 경사 충격파를 생성하고 이를 측정할 수 있는 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 초음속 경사 충격파관 장치는 제1압력을 갖는 제1관부와 상기 제1관부와 연결되며 상기 제1압력보다 더 작은 제2압력을 갖는 제2관부을 포함하는 압력관, 상기 압력관 내에 설치되어 상기 제1관부와 상기 제2관부를 분할하는 제1격막, 상기 제2관부의 외면에 연결 설치되며 내부 공간을 갖는 제어 챔버, 및 상기 제어 챔버와 상기 제2관부 사이에 설치되며 상기 제어 챔버와 상기 제2관부를 분리하는 제2격막을 포함한다.
여기서 상기 제2관부는 상기 제어 챔버와 상기 제2관부를 연결하며 복수개의 홀이 형성된 다공성 베리어를 포함할 수 있다.
또한, 상기 다공성 베리어는 상기 제2격막과 마주하게 배치되며 상기 제2격막은 상기 다공성 베리어를 매개로 상기 제2관부와 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1관부에는 상기 제1관부로 가스를 주입하는 가스 충전 라인이 연결 설치될 수 있다.
또한, 상기 제2관부에는 대기압보다 낮은 압력을 갖는 진공 탱크가 연결 설치될 수 있다.
또한, 상기 초음속 경사 충격파관 장치는 상기 제2관부에 설치되며 액적을 상기 제2관부 내로 낙하시키는 액적 공급 부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 초음속 경사 충격파관 장치는 상기 제2관부에서 상기 액적 공급 부재와 인접하게 배치되며 투명한 소재로 이루어진 관찰 윈도우를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어 챔버에는 상기 제어 챔버 내의 압력을 제어하는 진공 펌프 라인이 연결 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 초음속 경사 충격파관 장치는 용이하게 초음속 경사 충격파를 생성하고 경사 충격파의 상태를 측정할 수 있다. 또한 초음속 경사 충격파 내의 액적의 상태를 측정하여 초음속 비행체에 가해지는 충격 및 관련 데이터를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 경사 충격파관 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 발명의 일 실시예에 따른 초음속 경사 충격파관 장치를 도시한 단면도이다.
도 3은 발명의 일 실시예에 따른 초음속 경사 충격파관 장치를 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 경사 충격파관 장치에서 경사 충격파가 발생하는 과정을 도시한 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 경사 충격파관 장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 발명의 일 실시예에 따른 초음속 경사 충격파관 장치를 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 초음속 경사 충격파관 장치(101)는 제1관부(10)와 제2관부(20)를 포함하는 압력관(50), 제어 챔버(30), 제1격막(12), 제2격막(32), 다공성 베리어(31), 진공 탱크(40), 및 액적 공급 부재(27)를 포함한다.
압력관(50)은 원형 또는 다각형상의 단면을 갖는 파이프로 이루어지며 일방향으로 길게 이어진 일자형으로 이루어질 수 있다. 압력은 하부에 배치된 지지대(15)에 의하여 바닥에서 이격 배치될 수 있다. 제1관부(10)는 대기압보다 높은 압력의 제1압력을 갖는바, 제1압력은 제1격막(12)을 파열시킬 수 있는 압력으로 이루어질 수 있다.
제1관부(10)에는 제1관부(10)에 가스를 주입하는 가스 충전 라인(16)이 연결 설치될 수 있다. 가스 충전 라인(16)에는 밸브가 설치되며 가스 충전 라인(16)을 통해서 헬륨 등의 불활성 가스가 주입될 수 있다. 제2관부(20)는 제1관부(10)와 연결 설치되며 제1관부(10)와 동일한 단면적을 갖는 관으로 이루어질 수 있다. 제1관부(10)는 제1압력보다 더 낮은 제2압력을 갖는데, 제2압력은 대기압으로 이루어질 수 있다.
제1관부(10)와 제2관부(20)는 제1격막(12)에 의하여 공간적으로 분리되는데, 제1격막(12)은 기 설정된 압력에 의하여 파열될 수 있도록 형성된다. 제1격막(12)은 재질과 두께에 의해 파열 조건의 조정이 가능하다. 제1격막(12)은 제1관부(10)와 제2관부(20)의 압력 차에 의하여 파열될 수 있다. 제1격막(12)의 후단에는 제2관부(20)의 압력을 조절하는 벤트 라인(17)이 연결 설치될 수 있다. 벤트 라인(17)을 통해서 제2관부(20)에 잔류하는 가스를 배출시킬 수 있다.
제어 챔버(30)는 제2관부(20)의 하단에 연결 설치되며, 내부 공간을 갖고 상부가 개방된 상자로 이루어진다. 제어 챔버(30)는 제3압력을 갖는데, 제3압력은 제1압력보다 낮으며, 대기압 또는 대기압보다 낮은 압력으로 이루어질 수 있다. 제어 챔버(30)에는 제어 챔버(30) 내의 압력을 제어하는 진공 펌프 라인(35)이 연결 설치될 수 있다. 진공 펌프 라인(35)에 의하여 제어 챔버(30)는 대기압보다 낮은 압력으로 유지될 수 있다.
제어 챔버(30)에는 제2관부(20)와의 사이에서 제어 챔버(30)와 제2관부(20)를 구획하는 제2격막(32)이 설치된다. 제2격막(32)은 기 설정된 압력에서 파열될 수 있도록 형성되며, 제1격막(12)이 파열되어 생성된 초음속 충격파가 제어 챔버(30)와 연결된 제2관부(20)의 부분을 지나갈 때 파열될 수 있다. 제2격막(32)이 설치되면 초음속 충격파가 제어 챔버(30)로 접근하는 동안에는 제어 챔버(30)로 가스가 유입되지 않는다. 이에 따라 제2격막(32)이 파열될 때 제어 챔버(30)로 가스가 유입되면서 수직 초음속 충격파가 경사 초음속 충격파로 변형될 수 있다.
제2관부(20)는, 제어 챔버(30)와 제2관부(20)를 연결하며 복수개의 홀이 형성된 다공성 베리어(31)를 포함한다. 다공성 베리어(31)는 제2관부(20)의 외벽을 이루며 제2격막(32)과 마주하도록 배치될 수 있다. 다공성 베리어(31)에는 복수의 홀(31a)이 형성되며 다공성 베리어(31)를 통해서 가스가 제어 챔버(30)로 유입될 수 있다. 다공성 베리어(31)가 형성되면 제2관부(20) 내의 가스가 급격하게 제어 챔버(30)로 유입되지 않고 점진적으로 유입되어 초음속 경사 충격파를 형성할 수 있다. 다공성 베리어(31)에 형성된 홀(31a)의 직경과 밀도를 조절하여 다양한 경사각을 갖는 초음속 경사 충격파를 생성할 수 있다.
제2관부(20)의 길이방향 일측 단부에는 제1관부(10)가 연결되고, 타측 단부에는 진공 탱크(40)가 연결 설치된다. 진공 탱크(40)는 내부 공간을 갖는 탱크로 이루어지며 대기압보다 낮은 압력을 갖도록 형성될 수 있다. 진공 탱크(40)는 제2관부(20)에서 전달되는 초음속 경사 충격파를 수용할 수 있도록 충분히 큰 체적을 갖는다. 또한 진공 탱크(40)에는 진공 탱크(40) 내부의 압력을 제어하는 진공 펌프 또는 벤트가 연결 설치될 수 있다. 진공 탱크(40)는 지지대(43)를 매개로 이송 레일(41) 상에 설치될 수 있다.
액적 공급 부재(27)는 제2관부(20) 내에 삽입 설치되며 제2관부(20)의 상부로 액적을 낙하시킨다. 액적 공급 부재(27)는 진공 탱크(40)와 제어 챔버(30) 사이에 위치하며 초음속 경사 충격파가 완성되는 지점보다 더 후단에 위치한다.
제2관부(20)에는 관찰 윈도우(25)가 설치되며, 관찰 윈도우(25)는 액적 공급 부재(27)와 인접하게 설치될 수 있다. 액적 공급 부재(27)는 관찰 윈도우(25)와 겹치게 설치되되 관찰 윈도우(25)의 앞쪽에 설치될 수 있다. 이에 따라 초음속 경사 충격파에 의하여 액적이 변화되는 것을 관찰 윈도우(25)를 통해서 측정할 수 있다.
이하에서는 도 3 및 도 4를 참조하여 본 실시예에 따른 초음속 경사 충격파관 장치의 작동 원리에 대해서 설명한다.
도 3은 발명의 일 실시예에 따른 초음속 경사 충격파관 장치를 도시한 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 경사 충격파관 장치에서 경사 충격파가 발생하는 과정을 도시한 구성도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 제1관부(10)에 연결 설치된 가스 충전 라인(16)에 의하여 헬륨 가스가 제1관부(10)로 공급되며 이에 따라 제1관부(10)의 압력이 상승한다. 제1관부(10)의 압력이 제1격막(12)의 파열 압력으로 상승하면 제1격막(12)이 파열되면서 제1관부(10) 내의 가스가 제2관부(20)로 이동한다.
이 과정에서 제2관부(20)에는 수직 형태의 초음속 충격파가 생성된다. 수직인 초음속 충격파가 제어 챔버(30)와 접촉하면 다공성 베리어(31)를 통해서 강한 압력이 제2격막(32)에 전달되어 제2격막(32)이 파열된다.
다만 이 과정에서 제2격막(32)은 제2관부(20)의 길이방향을 따라 순차적으로 파열될 수 있다. 제2격막(32)이 파열되면서 일부의 가스가 제어 챔버(30)로 유입되면 초음속 충격파의 하부 속도가 낮아져 초음속 수직 충격파는 상부가 하부보다 더 돌출된 초음속 경사 충격파(62)로 변형된다. 초음속 경사 충격파(62)는 제2관부(20)를 따라 진공 탱크를 향하여 이동하는데, 액적 공급 부재(27)를 이용하여 제2관부로 액적을 낙하시키면 초음속 경사 충격파(62)에 의하여 변화되는 액적의 상태를 관찰할 수 있다.
또한 다공성 베리어(31)의 구조를 변화시켜서 다양한 형태의 초음속 경사 충격파를 생성할 수 있으므로 본 실시예에 따른 초음속 경사 충격파관 장치(101)를 이용하여 초음속 비행체에 가해지는 데이터를 용이하게 확보할 수 있다. 이러한 데이터는 초고속 비행체 개발에 필수적인 데이터로서 유도 모기 및 비행체의 시험 비행에 앞서 데이터를 분석하여 초음속 비행체에 가해지는 영향을 예측할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
101: 초음속 경사 충격파관 장치 10: 제1관부
12: 제1격막 15: 지지대
16: 가스 충전 라인 17: 벤트 라인
20: 제2관부 25: 관찰 윈도우
27: 액적 공급 부재 30: 제어 챔버
31: 다공성 베리어 31a: 홀
32: 제2격막 35: 진공 펌프 라인
40: 진공 탱크 41: 이송 레일
43: 지지대 50: 압력관

Claims (7)

  1. 제1압력을 갖는 제1관부와 상기 제1관부와 연결되며 상기 제1압력보다 더 작은 제2압력을 갖는 제2관부을 포함하는 압력관;
    상기 압력관 내에 설치되어 상기 제1관부와 상기 제2관부를 분할하는 제1격막;
    상기 제2관부의 외면에 연결 설치되며 내부 공간을 갖고 상기 제2압력보다 낮은 압력으로 유지되는 제어 챔버; 및
    상기 제어 챔버에 설치되며 상기 제어 챔버와 상기 제2관부를 구획하는 제2격막;
    을 포함하며,
    상기 제2관부는 상기 제어 챔버와 상기 제2관부를 연결하며 복수개의 홀이 형성된 다공성 베리어를 포함하고,
    상기 다공성 베리어는 상기 제2격막과 마주하게 배치되며 상기 제2격막은 상기 다공성 베리어를 매개로 상기 제2관부와 연결되며,
    상기 복수개의 홀은 상기 제2관부의 길이방향을 따라 형성되어, 제2격막이 파열되는 압력의 가스가 상기 제2관부를 통과할 때 상기 가스가 순차적으로 상기 제어 챔버에 유입되는 초음속 경사 충격파관 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1관부에는 상기 제1관부로 가스를 주입하는 가스 충전 라인이 연결 설치된 초음속 경사 충격파관 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2관부에는 대기압보다 낮은 압력을 갖는 진공 탱크가 연결 설치된 초음속 경사 충격파관 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2관부에 설치되며 액적을 상기 제2관부 내로 낙하시키는 액적 공급 부재를 더 포함하는 초음속 경사 충격파관 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2관부는,
    상기 액적 공급 부재와 인접하게 배치되며 투명한 소재로 이루어진 관찰 윈도우;
    를 더 포함하는 초음속 경사 충격파관 장치.
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