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기준형상 흡입구는 마하 6을 목표로 설계된 혼합 압축형 흡입구로 외부 압축 2회, 내부 압축 2회를 거쳐 일정 면적 격리부로 유입되는 형상을 취한다[6]. 경계층 배출을 위한 다공 홀은 기준형상 흡입구의 세 번째 램프와 격리부(바디 측)에 총 198개를 배치하였다. 다공 홀은 모델 중앙선(Centerline)을 중심으로 횡간 9열로 구성되었다. 세 번째 램프에는 종간 6열, 격리부에는 종간 16열로 구성 배치하였다. 종간 간격은 10 mm로 같다. 경계층 배출 홀 하단에는 배출 챔버를 3기로 구획, 장착하고 시험 변수(경계층 배출 플레이트)를 교체할 때 분리하여 재설치할 수 있도록 하였다. 챔버 하단에는 1인치 배관이 장착될 수 있도록 마감처리 하였고 경계층 배출 밸브는 시험 모델 외부에 설치한다.

이렇게 경계층 배출 홀을 세 번째 램프와 격리부에 배치하면 기존 중앙선 위치에서 측정했던 벽면 정압력을 측정할 수 없다. 따라서 Fig. 1과 같이 두 번째 램프의 최후방에 1개소(ib8), 격리부 후방에 장착되는 레이크 부에 레이크 프로브에서 발생하는 충격파의 영향에서 자유로운 위치에 2개소(ib26l, ib26r)모델 중앙선에서 좌/우 20 mm 위치) 그리고 측벽(side wall)에 4개의 벽면 정압력 측정홀을 추가하여 이를 보완하였다. 측벽 정압력 측정홀은 모두 카울 벽에서 10 mm 떨어진 곳에 설치하였으나, 유로 방향으로 등 간격 배치되지 않았다. 각 측정 홀의 위치 선정은 경계층 배출 챔버와 연관하여 설정하였다. 앞의 2개소(sw1, sw2)는 3개로 구획된 경계층 배출 챔버 중 첫 번째 챔버 길이 3분할 점에, 뒤의 2개소(sw3, sw4)는 두 번째와 세 번째 챔버의 중앙에 위치한다.

Fig. 1 
Wall static pressure locations of the test model [Side view].

본 연구에서 시험 변수는 다공도(경계층 배출 홀의 지름)와 밀집도(횡간 간격)로 하였다. 경계층 배출 홀의 지름은 1.0 mm, 1.5 mm, 2.0 mm로, 횡간 간격은 10 mm와 5 mm로 선정하였다. Fig. 2는 횡간 간격 10 mm를 적용한 경계층 배출 플레이트의 중앙선을 중심으로 절반을 나타낸 형상이며, Fig. 3은 횡간 간격 5 mm의 경계층 배출 플레이트이다. 총 6가지 형상에 대하여 배압 조정 장치 이동으로 연소기 압력 상승을 구현하고, 경계층 배출을 해당 형상들에 대하여 수행했을 때 흡입구의 성능이 어떻게 변화하는지를 파악하는 시험이 시행되었다.

Fig. 2 
Boundary bleed plates [span-wise 10 mm].

Fig. 3 
Boundary bleed plates [span-wise 5 mm].

총 6가지 형상의 성능 평가는 기준형상 흡입구가 시험된 한국항공우주연구원의 스크램제트 엔진 시험설비의 마하 5 조건에서 수행되었다[7]. 기준형상 흡입구를 시험한 이래로 경계층 배출 시험을 위하여 시험설비와 치구가 추가 및 보완되었다. 추가된 것은 시험설비의 디퓨저 광학 창으로 램프와 카울에서 발생하는 충격파의 가시화를 위함이며 Fig. 4는 유동 진행 방향의 좌측에 설치된 창이다. 또한 흡입구 배압 조정 장치의 안정적인 운용을 위하여 기존에 배압 조정 장치 후방에 설치되어 있던 모터 제어부를 Fig. 5와 같이 디퓨저 하단으로 이동 설치하고 각 축을 체인으로 연결하도록 하였다.

Fig. 4 
Schlieren visualization window in diffuser.

Fig. 5 
Back pressure control system modification.

기준형상 흡입구의 배압 조정 장치 시험은 플러그가 최후방 +33.7 mm에서 블록에 닿기 직전인 -14.4 mm까지 2 mm/s로 이동하면서 수행되었다[6]. 해당 결과를 분석한 결과 격리부 출구의 정압력이 상승하기 시작한 시점은 +6.4 mm(출구 유로 높이 1.44 H(H:격리부 높이))였으며, 순차적으로 oblique shock train, normal shock train으로 전환되면서 흡입구 불시동, 최종적으로 설비 불시동까지 간 시점은 -3.3 mm(0.88 H) 였다. 기존 기준형상 흡입구 시험에서 배압 조정 장치의 이동 시간은 약 24초로 스크램제트 엔진 시험설비의 시험 시간(30초) 내에서 구동할 수 있는 시간이다. 그러나 경계층 배출 시험에서는 이동 시점을 +23.7 mm(2.47 H)에서 -3.3 mm까지로 단축하여 경계층 배출로 인한 영향을 보는 것에 중점을 두기로 하였다. 경계층 배출부는 시험부 내 디퓨저 하단에 위치하며 해당 위치는 시험이 수행되는 동안 20 kPa 정도를 유지한다. 이는 이젝터 기동으로 시험부 내가 저압을 유지하기 때문으로 비행 환경에 부합되는 환경을 조성할 수 있다.

배압 조정 장치의 시작 지점이 앞으로 당겨지면 격리부 출구에 조성되는 배압이 달라지기 때문에 경계층 배출을 적용한 흡입구와 기존에 수행한 기준형상 흡입구의 시험 조건이 상이하게 되며 직접적으로 성능을 비교 분석할 수 없다. 따라서 달라진 격리부 출구 배압 조건에서의 기준형상 흡입구의 성능을 획득하기 위하여 경계층 배출을 적용하지 않은 Fig. 6과 같은 플레이트를 제작하였다.

Fig. 6 
Baseline plate(No bleed hole).

먼저 경계층 배출을 적용하지 않은 기준형상 흡입구의 벽면 정압력 분포를 Fig. 7에 나타내었다. 그래프에서 x축은 모델 전단에서부터 길이 방향 거리를 나타낸 것이다. y축은 측정된 벽면 정압력을 시험설비 공급 전압력(약 1.8 MPa)으로 무차원화한 값이다. 그래프에는 벽면 정압력 홀이 흡입구의 어디에 위치하는지를 파악할 수 있도록 위치 정보를 함께 적었다. 그래프에서 측벽의 압력 분포가 시험 초반부인 +23.7 mm에서 다소 높게 분포되었다가 +13.7 mm에서 안정화되는 현상이 관측되었다. 이는 램프에서 발생하는 충격파와 팽창파의 영향이 즉각적으로 나타나는 바디 측과 다르게 측벽은 유입되는 유동 방향과 평행하게 설치되어 충격파가 발생하지 않기 때문이다. 더하여 측벽에 있는 측정 홀은 카울 벽으로부터 10 mm 떨어진 유로 중앙에 위치하기 때문에 바디 측과 카울 측 벽면에 중첩되는 충격파와 팽창파의 영향을 직접적으로 받지 않아 기존 기준형상 흡입구 격리부의 바디 측에서 관측된 oblique shock train 분포를 관측할 수 없었다. 이러한 복합적인 요인으로 인해 측벽에서 압력이 안정화되는데 상대적으로 시간이 소요되는 것으로 판단된다. 반면 유로 내의 평균적인 유속이 초음속에서 천음속-아음속으로 낮아질 경우(배압 조정장치의 위치가 +3.7 mm, -1.3 mm 로 내부로 들어갈 경우 후방부터 압력이 상승되는 경향을 볼 수 있음)에는 측벽에서의 압력 상승을 잘 나타내 주는 경향도 관측할 수 있었다.

Fig. 7 
Normalized wall static pressure of the intake according to the back pressure controller position baseline.

경계층 배출을 적용하지 않은 기준형상 흡입구의 경우 +3.7 mm에서 격리부 출구의 압력이 상승하고, -1.3 mm에서 흡입구 불시동에 이르는 것을 정압력 분포로 확인할 수 있었다.

Fig. 8은 경계층 배출 플레이트의 변화 및 배압 조정 장치의 이동에 따른 벽면 정압력 분포를 전압력으로 무차원화 한 그래프를 정리한 것으로 배압 조정 장치의 위치가 기준형상 흡입구와 같은 위치에서 데이터를 추출한 값을 나타내었다.

Fig. 8 
Normalized wall static pressure of the intake according to the back pressure controller position.

Fig. 8의 (a)부터 (c)는 횡간 폭이 10 mm 일 때의 그래프로 3개의 그래프가 비슷한 경향을 보이고 있음을 확인할 수 있다. 배압 조정 장치가 시험체에 가장 가까워져서 배압이 높게 조성되는 위치인 -3.3 mm까지 흡입구가 시동을 유지하고 있음을 확인할 수 있으며, 이는 경계층 배출 홀의 횡간 폭을 격리부와 램프에 균등하게 배분하면 경계층 배출을 적용하지 않은 기준형상 흡입구보다 성능이 개선되었다는 것을 의미한다.

Fig. 8의 (d)부터 (f)는 횡간 폭을 5 mm로 하여 중앙선에 집중했을 때의 성능을 나타내는 그래프로 균등하게 배분했을 때보다 성능이 좋지 않음을 확인할 수 있다. 지름 1 mm, 폭 5 mm에서는 -2.3 mm에서 두 번째 램프의 압력이 상승한 것을 볼 수 있으며 -2.3 mm와 -3.3 mm의 값이 거의 같은 것을 관측할 수 있다. 지름 1.5 mm, 폭 5 mm도 마찬가지로 -2.3 mm에서 압력 분포가 상승함을 확인할 수 있으나 지름 1 mm, 폭 5 mm에 비하여 완전한 불시동까지 가는 시기가 늦춰지는 경향을 볼 수 있다.

본 데이터들은 수집된 데이터를 0.5초간 평균 낸 데이터이며, 실시간 측정값 기준으로 지름 1 mm, 폭 5 mm와 지름 1.5 mm, 폭 5 mm 형상의 흡입구 불시동시 배압 조정 장치의 위치는 각각 -2.04 mm와 -2.8 mm 였다(Table 1 참조). 경계층 배출 홀의 폭 5 mm로 배치된 형상 중에서 배압 조정 장치의 위치가 가장 안쪽까지 들어갔을 때도 흡입구 시동을 유지하고 있는 형상은 지름 2 mm로 경계층 배출 유량이 3가지 지름 중 가장 크기 때문에 시동을 유지할 수 있었던 것으로 판단된다. 경계층 배출 유량은 경계층 배출 유로 출구에 설치한 벤투리로 측정하였으며, 배출 예상 유량에 따라 벤투리를 경계층 배출 지름 1 mm 형상은 2인치, 지름 1.5 mm 형상은 2.5인치, 지름 2 mm 형상은 3인치로 측정하였다. 경계층 배출 유량은 지름 1 mm(배압 조정 장치 위치 +13.7 mm 기준)의 경우 폭 10 mm는 7.63 g/s(흡입구 유량의 0.9%), 5 mm는 8.43 g/s(흡입구 유량의 1.0%)로 측정되었다. 중앙부에 밀집했을 때 경계층 배출 유량은 많아지는데 이는 연구 대상인 흡입구의 전단이 티스푼 형태로 되어있어 유로가 중앙부에 밀집되기 때문이다. 본 시험을 통하여 많은 유량을 배출하는 것보다는 균등하게 배분하여 배출하거나 격리부 내부에서 압력 상승으로 인한 재순환 영역이 발생할 것으로 예측되는 측벽에 이를 배치하는 것이 흡입구의 성능 증진에 바람직한 것으로 생각된다.

같은 시험 조건을 가했을 때 기준형상 흡입구와 경계층 배출 플레이트별 흡입구의 시동 영역이 어떠한지를 정리한 결과를 Table 1에 나타내었다. 경계층 배출시 기준형상 흡입구의 시동 영역을 배압비 3.79에서 최대 6.82(지름 2 mm, 폭 10 mm)까지 확장할 수 있다는 것을 알 수 있다. 배압 조정 장치 이동 최종 위치인 -3.3 mm까지 시동을 유지한 형상은 총 4가지였으며, 가장 큰 배압비 성능을 보인 형상은 지름 2 mm(폭 10 mm)이나 경계층 배출 유량이 과대하여(약 23-25 g/s) 연소기로 유입되는 공기 유량에서 손해를 볼 것이다. 지름 1 mm 형상과 1.5 mm 형상은 배압비에서 유사한 성능을 보이나 경계층 배출 유량이 적은 지름 1 mm가 더 유리할 것이다. 따라서 경계층 배출을 실제로 적용하면 해당 형상 중에서 고른다면 지름 1 mm가 적절할 것으로 판단된다. 또한 앞서 언급한 데로 배출 유량을 많이 가져가는 것 보다는 균등하게 배출 홀을 배분하거나 경계층 및 재순환 영역이 발달할 것으로 판단된 곳에 집중하는 것이 더 유리할 것이다.

격리부 출구에 장착된 레이크로 획득된 데이터로 형상별 배압 조정 장치의 위치에서의 전압력 회복률을 Table 2에 정리하였다. 본 Table에서 +23.7 mm 위치는 제외하였는데 이는 본 시점이 설비가 막 시동이 되고 배압 조정 장치가 이동하기 시작되기 때문에 흡입구가 완전히 안정화된 상태는 아니기 때문이다. 기준형상 흡입구에서 흡입구가 시동이 된 상태는 +13.7 mm과 +3.7 mm로 이를 본 절에서는 기준형상 흡입구 시동 영역, -1.3 mm 이하는 시동 한계 영역으로 명명하겠다. 흡입구 시동 영역에서 좋은 전압력 회복률 성능을 보인 형상은 지름 1 mm(폭 10 mm)로 기준형상 흡입구 대비 전압력 회복률 개선율은 11.4%(배압 조정 장치 위치 +13.7 mm 기준) 향상되었음을 확인하였다. 시동 한계 영역에서 좋은 성능을 보인 것은 지름 1.5 mm(폭 10 mm)로 기준형상 흡입구 대비 최대 14.5%(배압 조정 장치 위치 -1.3 mm 기준)의 개선을 보임을 알 수 있었다.

Table 3의 격리부 출구 마하수는 레이크로 측정된 피토 압력과 정압력으로 계산된 값을 평균한 데이터이다[7]. 흡입구 시동 영역에서도 경계층 배출을 적용하면 마하수 성능이 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 마찬가지로 경계층 배출 홀을 고르게 배분한 형상이 좋은 성능을 보였으며, 지름 1 mm(폭 10 mm)가 가장 좋은 성능을 보였다. 기준형상 흡입구는 시동 한계 영역에서 아음속이 되지만 경계층 배출을 적용하면 일부 형상을 제외하고는 초음속을 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.