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소형 고온 아크-제트 풍동 장비 구축 및 초기 성능 평가에 관한 연구 = A Study on the Configuration and Initial Performance Evaluation of Small-Scaled High-Temperature Arc-Jet Wind Tunnel Facility
본 연구에서는 열 보호 시스템 성능 평가를 위한 소형 고온 아크-제트 풍동 장비(30 kW급)를 구축하였고성능 평가를 위해 유동 특성 측정 및 분석을 수행하였다. 구축된 소형 아크-제트 장비는 휼스형(Huels-type) 아크 발생기를 이용하였고, 노즐 출구 직경 28 mm의 초음속 노즐로 구축되었다. 본 장비의 유동 특성 측정 실험은 시험 기체인 질소의 질량유량 1.03 g/s, 공급 전류 85 A 조건 하에 수행되었으며, 아크 기둥의 압력과 직경 10 mm의 원기둥 형상의 피토관과 가든 게이지를 이용하여 피토 압력과 정체점 열유속을 측정하였다. 본유동 특성 측정 실험에서 아크 기둥 압력, 피토 압력과 열유속은 각각 32.6 kPa, 4.39 kPa, 1.99 MW/m2 로 측정되었다. 본 측정 데이터로부터 예측된 질량평균 엔탈피와 중심부 엔탈피는 각각 3.22 MJ/kg과 10.9 MJ/kg로나타났으며, 노즐 출구 유동은 250 Pa, 920 K의 정압력과 온도를 갖는 마하 3.7 유동으로 예측되었다. 본 소형 장비의 성능 예측 결과를 해외 대형 아크-제트 풍동 장비들의 운용 범위와 비교를 통해 본 장비를 이용하여 대형 장비의 시험 가능 영역의 일부를 모사할 수 있음을 확인하였다
더보기The present study built a small-scaled, high-temperature arc-jet wind tunnel facility (30 kW-class) for thermal protection system evaluation. Flow properties were measured and estimated to evaluate the facility’s performance. The constructed facility utilizes a Huels-type arc generator with a supersonic nozzle with an exit diameter of 28 mm. The facility’s performance evaluation was performed at the 1.03 g/s of supplied test gas’s mass flow rate and 85 A of input current. An arc column pressure, a pitot pressure, and a stagnation heat flux are measured using cylinder-shaped probes with a diameter of 10 mm, and they were 32.6 kPa, 4.39 kPa, and 1.99 MW/m2 , respectively. Based on the measurements, the mass-averaged and centerline enthalpies were estimated as 3.22 MJ/kg and 10.9 MJ/kg, respectively, and the estimated static pressure, temperature, and Mach number at the nozzle exit were 250 Pa, 920 K, and 3.7, respectively. The estimated parameters were compared with large-scaled arc-jet wind tunnel facilities, showing that the present small-scaled facility could simulate a portion of large-scaled facilities’ operational envelope
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