▲ 계명대 기계공학과 김익현 교수                    ▲ 호세인자데(Hoseinzade) 석사연구원 1저자

- 극초음속 유동의 표면 냉각에 필요한 다공성 매질의 유전 알고리즘 기반 최적화 연구, 초고속 비행체의 표면 열전달 제어 및 냉각 시스템으로의 적용 기대

계명대학교 기계공학과 김익현 교수 연구팀이 극초음속 유동에서 표면 냉각에 필요한 다공성 매질의 최적화에 관한 연구를 발표했다. 이 연구는 세계적으로 권위 있는 학술단체인 미국물리학협회(American Institute of Physics)에서 발간하는 국제학술지 Physics of Fluids (ISSN:1089-7666, FLUIDS & PLASMA 분야 JCR 상위 3.7%) 논문지에 “Multiobjective optimization of porous medium for efficient transpiration cooling of hypersonic vehicles using genetic algorithm (극초음속 비행체의 효율적인 분출냉각을 위한 다공성 매질의 유전 알고리즘 기반 다목적 최적화)”라는 제목으로 7월 10일자 온라인판에 게재됐다.

극초음속 비행체는 공기역학적 가열로 인해 매우 높은 표면 열 유속에 노출되며 이는 비행체의 임무 수행에 치명적인 영향을 미치게 된다. 극초음속 비행체의 성공적인 임무 수행을 위해서는 극한 환경으로부터 비행체를 보호할 수 있는 표면 냉각 기술이 필연적으로 요구된다. 분출냉각은 극한 환경에서 운용되는 극초음속 비행체에 널리 적용되고 있으며, 다공성 매질을 통해 냉각 가스를 경계층 내부로 주입하는 능동 냉각 방식의 일종이다.

본 연구에서는 극초음속 비행체에 적용되는 분출냉각에 필요한 다공성 매질의 길이, 두께 및 기공률이 표면 열 냉각 효율, 냉각 가스의 소비량, 무게, 제작 비용에 미치는 영향을 다목적 최적화 유전 알고리즘과 전산 유체역학 시뮬레이션을 통합하여 분석하였다. 김익현 교수는“이번 연구 결과는, 유동의 특성과 다공성 매질의 특성을 복합적으로 고려하여 극초음속 비행체의 효율적인 분출냉각을 위한 설계 변수들을 최적화하는 프로세스를 제시했다는 점에서 공학적인 의미가 크고 재사용 무인 우주 비행체, 가스 터빈, 액체 로켓 엔진 등의 표면 냉각 시스템 개발에도 활용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 계명대학교 기계공학과의 호세인자데(Hoseinzade) 석사연구원이 1저자로 참여하고 김익현 교수의 지도를 받아 수행되었으며, 한국연구재단의 우수신진연구사업의 지원을 받아 수행됐다.