KR102531144B1 - 초음속 유량 측정 장치 - Google Patents

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국방과학연구소
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Abstract

일 실시 예에 따른 초음속 유량 측정 장치는, 유동을 마주보는 전방으로 돌출 형성되는 전단 돌출부를 구비하는 하우징부; 및 상기 전단 돌출부의 전방으로 돌출되어 초고속 유동의 일부를 유입받는 레이크부와, 적어도 일부가 하우징부에 수용되어 상기 레이크부로부터 유입되는 유동을 외부의 압력 센서로 연결하는 계측 라인을 구비하는 압력 측정관을 포함할 수 있다.

Description

초음속 유량 측정 장치{SUPERSONIC FLOW MEASUREMENT APPARATUS}
이하의 설명은 초음속 유량 측정 장치에 관한 것이다.
레이크 구조를 갖는 초음속 유량 측정 장치는 유체의 전압력(total pressure), 정압력(static pressure) 또는 전온도(total temperature)를 측정하기 위한 계측 장치로서, 마하 1 이상의 초음속으로 또는 마하 5 이상의 극 초음속으로 비행하는 항공기의 엔진에 설치되어 엔진 내부를 통과하는 초고속 유동의 유량을 계측할 수 있다.
일반적으로 초음속 비행체의 추진 기관으로 사용되는 램제트/스크램제트 엔진의 경우, 노즐의 유로 면적이 흡입구의 면적보다 상대적으로 크게 설계(예를 들어 약 10배 이상)되기 때문에 유량 측정 장치를 흡입구에 설치하여 운용하는 것은 후단의 노즐에 설치하는 경우보다 상대적으로 설치에 따른 공간적인 제약이 존재하였다.
더불어, 극초음속의 유동 환경(예를 들어, 마하 5 이상)에서 운용되는 제트 엔진의 경우 흡입구의 유로 면적이 보다 협소한 구조를 가지므로, 흡입구에 유량 측정 장치를 장착할 수 있는 공간이 더욱 제한되며, 더불어, 초음속으로 유입되는 공기는 흡입구로 유입 되면서 경계층을 형성하는 동시에 충격파를 형성하기 때문에 정확한 정압을 측정하는 것이 어려운 문제점이 존재하였다.
따라서, 초음속 또는 극초음속 환경에서도 우수한 측정 정확성을 보장하는 동시에, 컴팩트한 구성과 소형의 구조 설계를 달성할 수 있는 초음속 유량 측정 장치의 개발이 요구되는 실정이다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은 초음속 유량 측정 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 초음속 유량 측정 장치는, 유동을 마주보는 전방으로 돌출 형성되는 전단 돌출부를 구비하는 하우징부; 및 상기 전단 돌출부의 전방으로 돌출되어 초고속 유동의 일부를 유입받는 레이크부와, 적어도 일부가 하우징부에 수용되어 상기 레이크부로부터 유입되는 유동을 외부의 압력 센서로 연결하는 계측 라인을 구비하는 압력 측정관을 포함할 수 있다.
상기 레이크부는, 상기 전단 돌출부로부터 전방을 향해 돌출 형성되고, 유동 방향에 수직한 외주면에 형성되어 유동의 일부를 유입받는 정압 측정 홀을 구비하는 정압 측정관; 및 상기 정압 측정관의 내부에 삽입된 상태로 상기 전단 돌출부로부터 전방을 향해 돌출 형성되고, 전방으로 개구되어 전방으로부터 유동의 일부를 유입받는 전압 측정관을 포함할 수 있다.
상기 정압 측정관 및 상기 전압 측정관의 단면의 형상은 서로 동심을 이루는 원형의 단면 형상을 가질 수 있다.
상기 전압 측정관은 상기 정압 측정관의 전단으로부터 전방으로 더 돌출 형성되고, 상기 정압 측정 홀은 상기 정압 측정관의 전단으로부터 후방으로 이격된 위치에 형성될 수 있다.
상기 레이크부는, 상기 정압 측정관의 전단 부분과 상기 정압 측정관의 전방으로 돌출하는 상기 전압 측정관의 외주면 사이를 기밀식으로 차폐하도록 연결하는 연결부를 더 포함하고, 상기 연결부는 상기 정압 측정관의 외주면과 상기 전압 측정관의 외주면 사이를 연결하는 완만한 경사면을 형성할 수 있다.
상기 정압 측정 홀은 상기 정압 측정관의 외주면 둘레를 따라서 방사상으로 이격되어 형성되는 복수의 구멍으로 형성될 수 있다.
상기 전단 돌출부는 전방으로 갈수록 유동 방향에 수직한 좌우폭이 감소하는 쐐기 형상을 갖고, 유동 방향에서 바라볼 때, 상기 정압 측정관 및 상기 전압 측정관 각각의 유로 면적은 쐐기 형상을 갖는 상기 전단 돌출부의 첨두 부분과 오버랩될 수 있다.
상기 전단 돌출부로부터 전방을 향해 돌출 형성되고, 전방으로부터 유입되는 유동의 일부를 상기 하우징부 내부로 안내하는 돌출 가이드; 및 상기 돌출 가이드로부터 유입되는 유동의 온도를 계측하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 돌출 가이드는, 상기 돌출 가이드 내부로 유입된 유동의 일부가 외부로 순환되도록, 상기 전단 돌출부의 외주면 둘레를 따라서 방사상으로 이격되어 형성되는 복수개의 순환 홀을 포함하고, 상기 돌출 가이드의 전단은 상기 정압 측정관의 상기 정압 측정 홀보다 후방에 위치할 수 있다.
상기 계측 라인은, 일측은 상기 정압 측정관에 연결되고, 타측은 정압력 측정을 위한 압력 센서에 연결되는 정압 이송관; 및 상기 정압 이송과 내부에 삽입된 상태로 일측은 상기 전압 측정관에 연결되고, 타측은 전압력 측정을 위한 압력 센서에 연결되는 전압 이송관을 포함할 수 있다.
상기 계측 라인에 설치되어 상기 정압 이송관 및 상기 전압 이송관을 각각 별도의 압력 센서로 연결되도록 분리시키는 분리 커넥터를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 초음속 유량 측정 장치는, 유동을 마주보는 전방으로 돌출 형성되는 전단 돌출부를 구비하는 하우징부; 상기 전단 돌출부의 전방으로 돌출되어 초고속 유동의 일부를 유입받는 레이크부와, 적어도 일부가 하우징부에 수용되어 상기 레이크부로부터 유입되는 유동을 상기 하우징부 외부로 전달하는 계측 라인을 구비하는 압력 측정관; 상기 전단 돌출부로부터 전방을 향해 돌출 형성되고, 전방으로부터 유입되는 유동의 일부를 상기 하우징부 내부로 안내하는 돌출 가이드와, 상기 돌출 가이드로부터 유입되는 유동의 온도를 계측하는 온도 센서를 구비하는 온도 측정부; 상기 하우징부 외부로 연결되는 상기 계측 라인에 연결되는 압력 센서부; 및 상기 온도 측정부 및 상기 압력 센서부에서 계측되는 온도 및 압력 정보에 기초하여 유량을 측정하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 레이크부는, 상기 전단 돌출부로부터 전방을 향해 돌출 형성되고, 유동 방향에 수직한 외주면에 형성되어 유동의 일부를 유입받는 정압 측정 홀을 구비하는 정압 측정관; 및 상기 정압 측정관의 내부에 삽입된 상태로 상기 전단 돌출부로부터 전방을 향해 돌출 형성되고, 전방으로 개구되어 전방으로부터 유동의 일부를 유입받는 전압 측정관을 포함할 수 있고, 상기 압력 센서부는, 상기 정압 측정관을 통해 유입되는 유동을 전달받는 정압력 계측 센서; 및 상기 전압 측정관을 통해 유입되는 유동을 전달받는 전압력 계측 센서를 포함할 수 있다.
상기 전압 측정관은 상기 정압 측정관의 전단으로부터 전방으로 더 돌출 형성되고, 상기 정압 측정 홀은 상기 정압 측정관의 전단으로부터 후방으로 이격된 위치에 형성되고, 상기 돌출 가이드의 전단은 상기 정압 측정관의 상기 정압 측정 홀보다 후방에 위치할 수 있다.
상기 계측 라인은, 일측은 상기 정압 측정관에 연결되고, 타측은 정압력 계측 센서에 연결되는 정압 이송관; 및 상기 정압 이송과 내부에 삽입된 상태로 일측은 상기 전압 측정관에 연결되고, 타측은 전압력 계측 센서에 연결되는 전압 이송관을 포함할 수 있고, 일 실시 예에 따른 초음속 유량 측정 장치는, 상기 하우징부 외부의 계측 라인에 설치되어 상기 정압 이송관 및 상기 전압 이송관을 각각 상기 정압력 계측 센서 및 상기 전압력 계측 센서로 연결되도록 분리시키는 분리 커넥터를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 정압력 계측 센서, 상기 정압력 계측 센서 및 상기 온도 센서를 통해 계측 되는 전압력, 정압력 및 온도 정보에 기초하여 유량을 계산할 수 있다.
일 실시 예에 따른 초음속 유량 측정 장치에 의하면, 전압력을 측정하는 지점과 동일한 지점에서 정압력을 각각 측정할 수 있어서, 정확한 압력을 측정할 수 있다.
일 실시 예의 초음속 유량 측정 장치에 의하면, 초음속 또는 극초음속 환경에서도 우수한 측정 정확성을 보장하는 동시에, 컴팩트한 구성과 소형의 구조 설계가 가능하여 스크램제트 엔진의 좁은 유로 면적을 갖는 흡입구에도 용이하게 설치될 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 초음속 유량 측정 장치의 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 초음속 유량 측정 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 측정 프로브의 내부 구조를 도시하는 단면도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 분리 커넥터의 내부 구조를 도시하는 단면도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 초음속 유량 측정 장치의 사시도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 초음속 유량 측정 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 측정 프로브의 내부 구조를 도시하는 단면도이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 분리 커넥터의 내부 구조를 도시하는 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 초음속 유량 측정 장치(1)는, 초음속 또는 극초고속 유동 환경에서의 유체의 전압력(total pressure), 정압력(static pressure) 및 전온도(total temperature)를 측정할 수 있다.
일 실시 예에 따른 초음속 유량 측정 장치(1)는 램제트 또는 스크램제트 엔진에 설치되어 엔진 내부에서의 유량을 측정할 수 있으며, 동일 계측 지점 상에서 전압력과, 정압력을 같이 측정하고, 전온도 역시 함께 측정할 수 있는 구조를 가짐에 따라 높은 측정 정확도를 보장할 수 있다.
일 실시 예에 따른 초음속 유량 측정 장치(1)는 초음속 또는 극초고속 유동 조건에서 운용되는 스크램제트 엔진에 설치될 수 있고, 스크램제트 엔진의 흡입구에 설치되어, 엔진으로 유입되는 유량을 측정할 수 있다.
일 실시 예에 따른 초음속 유량 측정 장치(1)는, 초고속 유동에 노출되는 하우징부(11)와, 하우징부(11)로부터 초고속 유동을 마주보는 전방 방향으로부터 초고속 유동의 일부를 유입받는 압력 측정관(12)과, 하우징부(11)로부터 초고속 유동을 마주보는 전방 방향으로부터 온도를 측정하는 온도 측정부(13)와, 압력 측정관(12)으로부터 유입된 유동의 일부를 통해 전압력을 계측하는 전압력 계측 센서(15)와, 압력 측정관(12)으로부터 유입된 유동의 일부를 통해 정압력을 계측하는 정압력 계측 센서(16)와, 온도 측정부(13)에 연결되어 전온도를 계측하는 전온도 계측부(17)와, 압력 측정관(12)의 내부 유로를 각각 전압력 계측 센서(15)와 정압력 계측 센서(16)로 분리하여 연결하는 분리 커넥터(14)와, 각각의 계측 센서(15, 16, 17)에서 계측되는 정보에 기초하여 유량을 측정하는 제어부(18)를 포함할 수 있다.
하우징부(11)는, 고온 및 고속의 유동의 측정의 위해 적어도 일부분이 유동에 노출되고, 내부 공간을 갖는 하우징형 부재일 수 있다. 하우징부(11)는 내부 공간을 통해 압력 측정관(12)의 적어도 일부를 수용하는 동시에 압력 측정관(12)의 레이크부(121)가 전방을 향해 돌출되도록 지지할 수 있다.
예를 들어 하우징부(11)는 베이스부(112)와, 베이스부(112)로부터 전방으로 돌출 형성되는 전단 돌출부(111)를 포함할 수 있다.
전단 돌출부(111)는, 하우징부(11)의 부분 중 초고속 유동을 마주보는 전방으로 갈수록 좌우 폭이 감소하는 쐐기 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 전단 돌출부(111)가 전단에서 수렴하는 첨두부를 갖는 쐐기 형상의 구조일 경우, 쐐기 형상의 각도는 12도 내지 20도 사이에서 형성될 수 있다. 다른 예로, 전단 돌출부(111)는 유선형 형상을 가질 수도 있다는 점을 밝혀둔다.
이상의 구조에 의하면, 전방으로부터 초고속 유동이 전단 돌출부(111)에 충돌할 경우 발생하는 마찰을 감소시킬 수 있고, 초고속의 유동이 전단 돌출부(111)를 통과하면서 충격파가 발생하는 정도를 완화시킬 수 있다.
압력 측정관(12)은, 전단 돌출부(111)로부터 유입되는 초고속의 유동을 전달받고, 이를 하우징부(11) 외부의 계측부(15, 16)로 전달할 수 있다. 예를 들어, 압력 측정관(12)은 압력 측정관(12)의 전방으로 돌출 형성되는 레이크부(121)와, 레이크부(121)로부터 하우징부(11)의 내부로 연장된 이후 유동 방향에 수직한 방향으로 절곡되어 하우징부(11) 외부로 돌출되어 정압력 계측 센서(16) 및 전압력 계측 센서(15)에 연결되는 계측 라인(122)을 포함할 수 있다.
레이크부(121)는 전단 돌출부(111)부터 전방을 향해 돌출되어 전방으로부터 유입되는 초고속 유동의 일부를 유입받을 수 있다.
예를 들어, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 레이크부(121)는 초고속 유동 방향에 수직한 방향을 따라서 서로 설정된 간격으로 이격되는 복수개의 구성을 가질 수 있다.
레이크부(121)는 정압을 측정하기 위한 통로를 형성하는 정압 측정관(1211)과, 정압 측정관(1211)의 내부에 삽입되어 개별적인 통로를 형성하는 전압 측정관(1212)과, 정압 측정관(1211)의 전단부에서 정압 측정관(1211)의 외주면을 차폐하도록 감싸는 연결부(1213)를 포함할 수 있다.
정압 측정관(1211)은 전단 돌출부(111)부터 전방을 향해 돌출되어 외부로 노출되는 원형 단면의 관 형상의 부재이다. 예를 들어, 정압 측정관(1211)은 하우징부(11)의 내부로부터 전단 돌출부(111)의 전단 부분을 관통하여 돌출될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 초고속 유동의 유동 방향에서 볼 때, 정압 측정관(1211)의 유로 면적은 전단 돌출부(111)의 첨두 부분과 오버랩될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 정압 측정관(1211) 내부에 전압 측정관(1212)이 삽입되어 있기 때문에, 정압 측정관(1211)을 통해 이송되는 유체는 정압 측정관(1211)의 내주면과 전압 측정관(1212)의 외주면 사이에서 형성되는 환형 단면의 통로를 따라서 이송될 수 있다.
예를 들어, 정압 측정관(1211)은 전방으로 돌출된 단부로부터 설정 간격만큼 후방으로 이격된 외주면의 부분에서 외부와 연통되는 정압 측정 홀(12111)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 정압 측정 홀(12111)이 정압 측정관(1211)의 전단으로부터 후방을 향해 이격되어 있는 거리의 크기는 정압 측정관(1211)의 직경 크기의 약 5배 이상일 수 있다.
정압 측정 홀(12111)은 정압 측정관(1211)의 외주면을 따라서 방사상으로 이격되어 형성되는 복수개의 구멍으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 정압 측정 홀(12111)은 정압 측정관(1211)의 외주면을 따라서 방사상으로 90도의 각도 간격을 따라 이격되어 형성되는 4 개의 구성을 포함할 수 있다.
정압 측정관(1211)의 내부 통로는 정압 측정 홀(12111)을 제외하고는 외부에 연통되지 않으며, 예를 들어, 정압 측정관(1211)의 내부 통로의 전단 부분은 전압 측정관(1212)과 연결부(1213)를 통해 차폐될 수 있다.
예를 들어, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 레이크부(121)가 복수개로 이격되어 설치되는 경우, 복수개의 레이크부(121)를 비롯하여 전단 돌출부(111)를 통과하는 초고속 유동에 의해 발생하는 충격파가 정압 측정 홀(12111)에 영향을 미치지 못하도록, 복수개의 레이크부(121), 즉, 복수개의 정압 측정관(1211)들은 서로 설정된 간격 이상 이격되어 배치될 수 있다.
예를 들어, 복수개의 정압 측정관(1211)이 서로 이격되는 간격의 크기는 정압 측정 홀(12111)의 직경 크기의 약 5배 이상일 수 있다.
전압 측정관(1212)은 전압 측정관(1212)의 내부 통로에 삽입된 상태로 전단 돌출부(111)부터 전방을 향해 돌출 형성되는 원형 단면의 관 형상의 부재이다. 전압 측정관(1212)의 직경은 정압 측정관(1211)의 직경보다 작을 수 있다.
예를 들어, 전압 측정관(1212) 및 정압 측정관(1211) 각각의 원형 단면의 형상은 서로 같은 중심을 갖는 동심원 형상을 이룰 수 있다.
전압 측정관(1212)의 직경이 정압 측정관(1211)의 직경보다 작게 형성됨으로써, 정압 측정관(1211)의 전방으로 노출되는 전압 측정관(1212)의 전단에서 초고속 유동에 의해 충격파 또는 팽창파가 발생하는 경향을 감소시킬 수 있다.
전압 측정관(1212)이 전단 돌출부(111)로부터 돌출된 거리는 정압 측정관(1211)이 전단 돌출부(111)로부터 돌출된 거리보다 길 수 있다. 즉, 전압 측정관(1212)은 정압 측정관(1211)의 전단부로부터 전방으로 더 돌출되는 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 전압 측정관(1212)이 전단 돌출부(111)로부터 돌출되는 거리는 전압 측정관(1212)의 직경 크기의 약 3배 이상일 수 있다.
예를 들어, 전압 측정관(1212)은, 정압 측정관(1211)과 마찬가지로 하우징부(11)의 내부로부터 전단 돌출부(111)의 전단 부분을 관통하여 돌출될 수 있고, 초고속 유동의 방향에서 볼 때, 전압 측정관(1212)의 유로 면적은 전단 돌출부(111)의 첨두 부분과 오버랩될 수 있다.
예를 들어, 전압 측정관(1212)은 전방으로 돌출된 단부 부분에서 내부 통로가 전방을 향해 개구되는 전압 측정 홀(12121)을 포함할 수 있다.
전압 측정 홀(12121)은 전압 측정관(1212)의 전단에서 초고속 유동을 마주보도록 연통될 수 있고, 이를 통해 전방으로부터 유입되는 초고속 유동의 일부는 유동 방향을 따라서 전압 측정관(1212)에 유입되어 후방으로 이송될 수 있다.
이상과 같이 하나의 레이크부(121)에 정압 측정관(1211)과 전압 측정관(1212)이 일체로 형성되는 구조에 의하면, 초고속 유동이 지나가는 동일한 지점에서 정압력과 전압력을 동시에 측정하여 정확한 정압력 또는 전압력을 측정 및 보정할 수 있고, 나아가 정확한 유량의 값을 계산하는 것이 가능할 수 있다.
더불어, 전압 측정관(1212)이 정압 측정관(1211)에 삽입되어 있는 구조에 의하면, 각각의 측정관이 개별적으로 돌출 형성되는 구조와 비교할 때, 유동에 노출되는 관의 개수를 절반으로 줄일 수 있는 동시에, 하우징부(11) 역시 컴팩트하고 소형의 설계가 가능한 이점을 달성할 수 있다.
연결부(1213)는 정압 측정관(1211)의 전단 부분과 그로부터 돌출되는 전압 측정관(1212) 사이를 연결하는 부분으로서, 정압 측정관(1211)의 내부 통로를 전방으로부터 차폐하는 동시에 전방으로 돌출되는 전압 측정관(1212)의 돌출 부분을 지지할 수 있다.
예를 들어, 연결부(1213)는 정압 측정관(1211)의 외주면과 전압 측정관(1212)의 외주면 사이를 연결하는 완만한 경사면을 형성할 수 다. 예를 들어 연결부(1213)의 경사면은 테이퍼 형상을 가지거나 정압 측정관(1211)의 중심 축을 기준으로 안쪽 또는 바깥쪽으로 만곡된 라운드 형상을 가질 수 있다.
연결부(1213)의 구조에 의하면, 초고속 유동이 전압 측정관(1212)의 전단 부분을 지나서 정압 측정관(1211)의 전단으로 이동하는 과정에서 유동 마찰을 완화시킬 수 있다.
계측 라인(122)은, 레이크부(121)로부터 후방으로 연결되어 유입된 유체를 유량을 측정하기 위한 계측부(15, 16)로 이송시키는 관형 부재일 수 있다.
예를 들어, 계측 라인(122)은 레이크부(121)의 정압 측정관(1211) 및 전압 측정관(1212) 각각의 내부 통로에 연통하는 정압 이송관(1221)과 전압 이송관(1222)을 포함할 수 있다.
정압 이송관(1221)의 일측은 정압 측정관(1211)에 연결되고, 타측은 정압력 계측 센서(16)에 연결될 수 있다. 전압 이송관(1222)의 일측은 전압 측정관(1212)에 연결되고, 타측은 전압력 계측 센서(15)에 연결될 수 있다.
정압 이송관(1221) 및 전압 이송관(1222)은 레이크부(121)와 마찬가지로 정압 이송관(1221) 내부 통로를 따라서 전압 이송관(1222)이 삽입되어 있는 이중 배관의 구조를 가질 수 있고, 각각의 정압 이송관(1221) 및 전압 이송관(1222)은 서로 연통되지 않는 독립적인 내부 통로 경로를 유지할 수 있다.
예를 들어, 계측 라인(122)의 일단은 하우징부(11)의 내부에서 전방의 레이크부(121)에 연결된 상태로 후방으로 연장된 이후, 하우징부(11) 내부에서 유동 방향에 수직한 방향으로 절곡되어 하우징부(11)로부터 외부로 돌출될 수 있고, 하우징부(11)로부터 돌출되는 계측 라인(122)의 타단은 정압 측정관(1211) 또는 전압 측정관(1212)으로 연결될 수 있다.
레이크부(121)가 복수개의 구성으로 배치될 경우, 계측 라인(122) 역시 동일한 복수개의 구성을 가짐으로써, 각각의 레이크부(121)에 대응하게 연결되어 레이크부(121) 각각에서 유입되는 유동을 개별적으로 이송할 수 있다.
예를 들어, 계측 라인(122)은, 하우징부(11) 내부에서 연장되는 제 1 계측 라인(122a)과, 하우징부(11)의 외부로 돌출되어 압력 센서부(15, 16)에 연결되는 제 2 계측 라인(122b)으로 구분될 수 있다.
다만, 이러한 구분은 구성의 이해 및 설명의 편의를 위해 계측 라인(122)을 구간에 따라 달리 지칭하는 것일 뿐, 제 1 계측 라인(122a)과 제 2 계측 라인(122b)은 동일한 이중 배관의 형태를 갖고 일체로 연결되는 구조를 가질수 있다는 점을 밝혀둔다. 나아가 압력 측정관(12)은 레이크부(121), 제 1 계측 라인(122a) 및 제 2 계측 라인(122b) 모두 정압력 계측용 통로 내부에 전압력 계측용 통로가 삽입된 상태로 연속적으로 이어져서 연장되는 일체의 이중 배관의 구성으로 이루어지더라도 무방하다는 점을 밝혀둔다.
이상의 구조에 의하면, 레이크부(121)의 정압 측정관(1211)에 유입되는 유체는, 계측 라인(122)의 정압 이송관(1221)을 따라 유동하여 정압력 계측 센서(16)로 이송될 수 있고, 레이크부(121)의 전압 측정관(1212)에 유입되는 유체는 계측 라인(122)의 전압 이송관(1222)을 따라 유동하여 전압력 계측 센서(15)로 이송될 수 있다.
온도 측정부(13)는, 하우징부(11)의 전방으로부터 유입되는 초고속 유동의 온도를 측정할 수 있다.
예를 들어, 온도 측정부(13)는 전단 돌출부(111)로부터 전방으로 돌출 형성되는 돌출 가이드(132)와, 온도를 측정하는 온도 센서(131)를 포함할 수 있다.
돌출 가이드(132)는 전단 돌출부(111)부터 전방을 향해 돌출되는 원형 단면을 갖는 관형 부재일 수 있다. 돌출 가이드(132)는 초고속 유동의 온도를 측정하기 위해 전방으로부터 유동의 일부를 유입받을 수 있다.
돌출 가이드(132)는 초고속 유동 방향에 수직한 방향을 따라서 레이크부(121)에 설정된 간격으로 이격되어 설치될 수 있다.
예를 들어, 도 1 내지 도 3과 같이 돌출 가이드(132)는 복수개의 레이크부들(121)과 같이 유동 방향에 수직한 방향을 따라서 이격되는 일렬의 배치 구조를 형성할 수 있다.
돌출 가이드(132)가 전단 돌출부(111)로부터 돌출되는 거리는 레이크부(121)가 전단 돌출부(111)로부터 돌출된 거리보다 작을 수 있다. 예를 들어, 돌출 가이드(132)의 전단 부분은 전압 측정관(1212)의 전압 측정 홀(12121) 보다 후방에 위치할 수 있다. 예를 들어, 돌출 가이드(132)의 전단 부분은, 전압 측정 홀(1212) 보다 후방에 위치하는 정압 측정관(1211)의 전단보다 더 후방에 위치할 수 있다.
이상의 구조에 의하면, 초고속 유동이 돌출 가이드(132)를 지나면서 발생하는 충격파가 전압 측정 홀(12121)에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 돌출 가이드(132)의 전단 부분은 정압 측정관(1211)의 정압 측정 홀(12111)보다 후방에 위치할 수 있다.
이상의 구조에 의하면, 초고속 유동이 돌출 가이드(132)의 전단을 지나면서 발생하는 충격파가 정압 측정 홀(12111)에 영향을 미치는 현상을 방지할 수 있다.
예를 들어, 돌출 가이드(132)는 전단 돌출부(111)의 외부로 돌출되는 외주면의 부분에 외부로 연통되는 순환 홀(1321)이 형성될 수 있다.
순환 홀(1321)은 돌출 가이드(132) 내부로 유입되는 유동이 정체되는 현상을 방지하기 위해, 돌출 가이드(132) 내부로 유입되는 유동의 일부가 외부로 순환되도록 할 수 있다.
예를 들어, 순환 홀(1321)은 돌출 가이드(132)의 외주면을 따라서 방사상으로 이격되어 형성되는 복수개의 구성을 가질 수 있다.
온도 센서(131)는 돌출 가이드(132)를 통해 유입되는 유동의 온도를 계측하기 위한 열전대일 수 있다.
예를 들어, 온도 센서(131)는 돌출 가이드(132)를 통해 유입되는 유동에 노출되도록 설치되는 측정 단부(1311)와, 측정 단부(1311)에서 접점을 형성하고 측정 단부(1311)가 노출되는 온도에 기초하여 기전력을 형성하는 연결 도선(1312)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 측정 단부(1311)는 초고속 유동에 직접적으로 노출되지 않도록 돌출 가이드(132) 내부에 설치될 수 있다. 예를 들어, 측정 단부(1311)는 돌출 가이드(132)의 부분 중 하우징부(11)의 내부 공간과 오버랩되는 부분에 설치되어 초고속의 유동 및 그로부터 발생하는 충격파로부터 받는 영향을 줄여 줄 수 있다.
다른 예로, 측정 단부(1311)는 하우징부(11)의 내부 공간에 설치되어 돌출 가이드(132)를 통해 하우징부(11) 내부로 유입되는 유동의 온도를 측정할 수 있다.
측정 단부(1311)로부터 연결되는 연결 도선(1312)은 하우징부(11) 외부로 돌출되어 온도 계측부(17)에 연결될 수 있다.
전압력 계측 센서(15)는, 레이크부(121)의 전압 측정관(1212)으로부터 유입되고 계측 라인(122)의 전압 이송관(1222)을 통해 이송되는 유체의 압력을 계측하는 압력 센서일 수 있다.
정압력 계측 센서(16)는, 레이크부(121)의 정압 측정관(1211)으로부터 유입되고 계측 라인(122)의 정압 이송관(1221)을 통해 이송되는 유체의 압력을 계측하는 압력 센서일 수 있다.
전압력 계측 센서(15) 및 정압력 계측 센서(16)는, 압력 측정관(12)의 개수와 동일한 개수의 구성으로 형성되어 각각의 압력 측정관(12)에 연결될 수 있다.
다시 말하면, 전압력 계측 센서(15)는 및 정압력 계측 센서(16) 각각은, 전단 돌출부(111)에서 돌출 형성되는 레이크부(121)의 개수와 동일한 개수의 구성으로 형성되어, 레이크부(121) 각각의 정압 측정관(1211) 및 전압 측정관(1212)별로 유입되는 유체의 압력을 계측할 수 있다.
예를 들어, 전압력 계측 센서(15)와 정압력 계측 센서(16)를 묶어 "압력 센서부(15, 16)"라 할 수 있다.
다른 예로, 전압력 계측 센서(15) 및 정압력 계측 센서(16)는 정압 이송관(1221) 및 전압 이송관(1222)이 연결되는 하나의 차압계의 구성으로 대체될 수도 있다는 점을 밝혀둔다.
온도 계측부(17)는 온도 센서(131)의 연결 도선(1312)에 연결되어 측정 단부(1311)에서의 온도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 온도 계측부(17)는 측정 단부(1311)에 노출되는 온도에 따라 연결 도선(1312)에 형성되는 기전력에 기초하여 초고속 유동의 온도를 측정할 수 있다.
분리 커넥터(14)는, 이중 배관의 구조를 갖는 계측 라인(122)의 정압 이송관(1221)과 전압 이송관(1222) 각각을 별도의 포트를 통해 분기시켜 각각을 전압력 계측 센서(15) 및 정압력 계측 센서(16)에 연결시킬 수 있다.
예를 들어, 분리 커넥터(14)는 계측 라인(122)에 연결되어 일측에서 정압 이송관(1221)에 연통된 상태로 돌출되어 정압력 계측 센서(16)로 연결되는 제 1 분기관(141)과, 타측에서 전압 이송관(1222)에 연통된 상태로 외부로 돌출되어 전압력 계측 센서(15)로 연결되는 제 2 분기관(142)을 포함할 수 있다.
제어부(18)는 전압력 계측 센서(15) 및 정압력 계측 센서(16)를 통해 계측되는 정보에 기초하여 레이크부(121)를 통과하는 초고속 유동의 전압력과 정압력을 측정할 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 레이크부(121)가 복수개로 이격된 배열 구조를 가질 경우, 제어부(18)는 각각의 레이크부(121) 별로 해당 레이크부(121)를 통과하는 초고속 유동의 전압력과 정압력을 개별적으로 측정할 수 있다.
제어부(18)는 온도 계측부(17)를 통해 계측되는 정보에 기초하여 초고속 유동의 전온도를 측정할 수 있다.
다른 예로, 제어부(18)는 온도 계측부(17)의 구성없이 온도 센서(131)의 연결 도선(1312)에 직접적으로 연결되어 제어부(18)에서 직접 온도를 계측하는 구성도 가능하다는 점을 밝혀둔다.
제어부(18)는 레이크부(121) 및 온도 센서(131)를 통해 측정한 전압력, 정압력 및 전온도를 통해 아래의 수학식 1과 같이 초고속 유동의 유량을 계산할 수 있다.
Figure 112020142870457-pat00001
(m: 유량, A: 측정 유로 면적, Pt: 전압력, Tt: 전온도, M: 마하수)
일 실시 예에 따른 초음속 유량 측정 장치(1)에 의하면, 스크램제트 엔진과 같이 엔진의 전단에서 발생하는 경계층의 영향을 비롯하여 충격파에 노출되는 유동 환경에서도 정확한 정압력의 측정이 가능하다.
일 실시 예에 따른 초음속 유량 측정 장치(1)에 의하면, 전압력 및 정압력의 측정과 동시에 전온도의 측정이 가능하여, 보다 정확한 유량의 측정이 가능하다.
일 실시 예에 따른 초음속 유량 측정 장치(1)에 의하면, 소형 및 컴팩트한 구조 설계가 가능하여 스크램제트 엔진 중 유로 면적이 상대적으로 작은 흡입구에 설치되기 용이한 이점을 갖으며, 더불어 초고속의 유동 또는 엔진 내부에서 발생하는 충격파에 노출되더라도, 종래의 레이크 구조를 갖는 측정 장치에 비해 받는 영향을 상대적으로 감소시킬 수 있으며, 측정 지점에서 충격파가 발생하는 정도를 비롯한 유동에 미치는 영향 역시 감소시킬 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (16)

  1. 유동을 마주보는 전방으로 돌출 형성되는 전단 돌출부를 구비하는 하우징부; 및
    상기 전단 돌출부의 전방으로 돌출되어 초고속 유동의 일부를 유입받는 레이크부와, 적어도 일부가 하우징부에 수용되어 상기 레이크부로부터 유입되는 유동을 외부의 압력 센서로 연결하는 계측 라인을 구비하는 압력 측정관을 포함하고,
    상기 레이크부는,
    상기 전단 돌출부로부터 전방을 향해 돌출 형성되고, 유동 방향에 수직한 외주면에 형성되어 유동의 일부를 유입받는 정압 측정 홀을 구비하는 정압 측정관; 및
    상기 정압 측정관의 내부에 삽입된 상태로 상기 전단 돌출부로부터 전방을 향해 돌출 형성되고, 전방으로 개구되어 전방으로부터 유동의 일부를 유입받는 전압 측정관을 포함하는 초음속 유량 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 정압 측정관 및 상기 전압 측정관의 단면의 형상은 서로 동심을 이루는 원형의 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 초음속 유량 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전압 측정관은 상기 정압 측정관의 전단으로부터 전방으로 더 돌출 형성되고,
    상기 정압 측정 홀은 상기 정압 측정관의 전단으로부터 후방으로 이격된 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 초음속 유량 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 레이크부는,
    상기 정압 측정관의 전단 부분과 상기 정압 측정관의 전방으로 돌출하는 상기 전압 측정관의 외주면 사이를 기밀식으로 차폐하도록 연결하는 연결부를 더 포함하고,
    상기 연결부는 상기 정압 측정관의 외주면과 상기 전압 측정관의 외주면 사이를 연결하는 완만한 경사면을 형성하는 것을 특징으로 하는 초음속 유량 측정 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 정압 측정 홀은 상기 정압 측정관의 외주면 둘레를 따라서 방사상으로 이격되어 형성되는 복수의 구멍으로 형성되는 초음속 유량 측정 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 전단 돌출부는 전방으로 갈수록 유동 방향에 수직한 좌우폭이 감소하는 쐐기 형상을 갖고,
    유동 방향에서 바라볼 때, 상기 정압 측정관 및 상기 전압 측정관 각각의 유로 면적은 쐐기 형상을 갖는 상기 전단 돌출부의 첨두 부분과 오버랩되는 것을 특징으로 하는 초음속 유량 측정 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 전단 돌출부로부터 전방을 향해 돌출 형성되고, 전방으로부터 유입되는 유동의 일부를 상기 하우징부 내부로 안내하는 돌출 가이드; 및
    상기 돌출 가이드로부터 유입되는 유동의 온도를 계측하는 온도 센서를 더 포함하는 초음속 유량 측정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 돌출 가이드는,
    상기 돌출 가이드 내부로 유입된 유동의 일부가 외부로 순환되도록, 상기 전단 돌출부의 외주면 둘레를 따라서 방사상으로 이격되어 형성되는 복수개의 순환 홀을 포함하고,
    상기 돌출 가이드의 전단은 상기 정압 측정관의 상기 정압 측정 홀보다 후방에 위치하는 것을 특징으로 하는 초음속 유량 측정 장치.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 계측 라인은,
    일측은 상기 정압 측정관에 연결되고, 타측은 정압력 측정을 위한 압력 센서에 연결되는 정압 이송관; 및
    상기 정압 이송과 내부에 삽입된 상태로 일측은 상기 전압 측정관에 연결되고, 타측은 전압력 측정을 위한 압력 센서에 연결되는 전압 이송관을 포함하는 초음속 유량 측정 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 계측 라인에 설치되어 상기 정압 이송관 및 상기 전압 이송관을 각각 별도의 압력 센서로 연결되도록 분리시키는 분리 커넥터를 더 포함하는 초음속 유량 측정 장치.
  12. 유동을 마주보는 전방으로 돌출 형성되는 전단 돌출부를 구비하는 하우징부;
    상기 전단 돌출부의 전방으로 돌출되어 초고속 유동의 일부를 유입받는 레이크부와, 적어도 일부가 하우징부에 수용되어 상기 레이크부로부터 유입되는 유동을 상기 하우징부 외부로 전달하는 계측 라인을 구비하는 압력 측정관;
    상기 전단 돌출부로부터 전방을 향해 돌출 형성되고, 전방으로부터 유입되는 유동의 일부를 상기 하우징부 내부로 안내하는 돌출 가이드와, 상기 돌출 가이드로부터 유입되는 유동의 온도를 계측하는 온도 센서를 구비하는 온도 측정부;
    상기 하우징부 외부로 연결되는 상기 계측 라인에 연결되는 압력 센서부; 및
    상기 온도 측정부 및 상기 압력 센서부에서 계측되는 온도 및 압력 정보에 기초하여 유량을 측정하는 제어부를 포함하고,
    상기 레이크부는,
    상기 전단 돌출부로부터 전방을 향해 돌출 형성되고, 유동 방향에 수직한 외주면에 형성되어 유동의 일부를 유입받는 정압 측정 홀을 구비하는 정압 측정관; 및
    상기 정압 측정관의 내부에 삽입된 상태로 상기 전단 돌출부로부터 전방을 향해 돌출 형성되고, 전방으로 개구되어 전방으로부터 유동의 일부를 유입받는 전압 측정관을 포함하고,
    상기 압력 센서부는,
    상기 정압 측정관을 통해 유입되는 유동을 전달받는 정압력 계측 센서; 및
    상기 전압 측정관을 통해 유입되는 유동을 전달받는 전압력 계측 센서를 포함하는 초음속 유량 측정 장치.
  13. 삭제
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 전압 측정관은 상기 정압 측정관의 전단으로부터 전방으로 더 돌출 형성되고,
    상기 정압 측정 홀은 상기 정압 측정관의 전단으로부터 후방으로 이격된 위치에 형성되고,
    상기 돌출 가이드의 전단은 상기 정압 측정관의 상기 정압 측정 홀보다 후방에 위치하는 것을 특징으로 하는 초음속 유량 측정 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 계측 라인은,
    일측은 상기 정압 측정관에 연결되고, 타측은 정압력 계측 센서에 연결되는 정압 이송관; 및
    상기 정압 이송과 내부에 삽입된 상태로 일측은 상기 전압 측정관에 연결되고, 타측은 전압력 계측 센서에 연결되는 전압 이송관을 포함하고,
    상기 초음속 유량 측정 장치는,
    상기 하우징부 외부의 계측 라인에 설치되어 상기 정압 이송관 및 상기 전압 이송관을 각각 상기 정압력 계측 센서 및 상기 전압력 계측 센서로 연결되도록 분리시키는 분리 커넥터를 더 포함하는 초음속 유량 측정 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 정압력 계측 센서, 상기 정압력 계측 센서 및 상기 온도 센서를 통해 계측 되는 전압력, 정압력 및 온도 정보에 기초하여 유량을 계산하는 것을 특징으로 하는 초음속 유량 측정 장치.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106780765A (zh) * 2017-02-17 2017-05-31 中国科学技术大学 一种超声速内流流场三维定量重构方法
KR101972130B1 (ko) * 2018-09-21 2019-04-24 국방과학연구소 초음속 흡입구의 공기 질량 유량 측정 장치 및 방법

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