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펄스 데토네이션 엔진

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목차

1. 개요

펄스 데토네이션 엔진(PDE)은 주기적인 폭발, 즉 데토네이션 파를 생성하여 추진력을 얻는 엔진이다. 일반 제트 엔진과 달리 초음속 폭발 연소를 통해 작동하며, 밸브 개방, 흡기, 밸브 폐쇄, 점화 및 폭발, 데토네이션 파 전파 및 방출 단계를 반복한다. PDE는 가스터빈 엔진보다 높은 열효율을 보이며, 정지 상태에서도 시동이 가능하다는 장점이 있다. 2008년 펄스 데토네이션 엔진을 장착한 항공기의 첫 비행이 이루어졌으며, JAXA는 2021년 심우주 탐사용 데토네이션 엔진 우주 비행 실증 실험에 성공했다. PDE는 우주 비행에도 활용될 수 있지만, DDT 달성, 소음 및 진동 완화 등의 문제점을 해결해야 한다.

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펄스 데토네이션 엔진
개요
유형로켓 엔진
작동 방식폭굉파를 이용한 연소
관련 기술펄스 폭굉 엔진
회전 폭굉 엔진
상세 정보
특징연료와 산화제의 폭굉을 이용해 추력을 발생
이론적으로 높은 효율
작동 방식연소실 내에서 연료와 산화제를 혼합 후 점화
폭굉파를 발생시켜 급격한 압력 및 온도 상승 유도
팽창 노즐을 통해 고속의 배기가스를 분출하여 추력 발생
장점높은 이론적 효율
간단한 구조
다양한 연료 사용 가능성
단점폭굉파 제어의 어려움
높은 소음
진동 문제
적용 분야로켓 추진 시스템
미사일 추진 시스템
항공기 엔진
관련 연구
연구 동향폭굉파 안정화 및 제어 기술
엔진 효율 향상
다양한 연료 적용 연구
주요 연구 기관항공우주연구개발기구(JAXA)
대학 및 연구 기관
참고 문헌
학술 논문K. Kailasanath, "Review of Propulsion Applications of Detonation Waves," AIAA Journal, September 2000
G.D. Roy et al., "Pulse detonation propulsion: challenges, current status, and future perspective," Progress in Energy and Combustion Science, January 2004
笠原次郎, "パルスデトネーションエンジン開発の現状," 日本燃焼学会誌, 2013
기타 자료松岡健 et al., "S-520-31号機によるデトネーションエンジン実験の進捗状況：回転デトネーションエンジン,"
주의 사항

2. 작동

펄스 데토네이션 엔진은 주기적인 폭발로 데토네이션 파(Detonation Wave)를 생성한다. 작동 주기는 일반적으로 조절 가능하며, 각 주기는 다음과 같은 순서로 반복된다.[28]

# 밸브 개방

# 흡기

# 밸브 폐쇄

# 점화, 폭발

# 데토네이션 파 전파 및 방출

일반적인 제트 추진 기관이나 로켓 추진 기관은 연료와 산소, 혹은 산화물 간의 빠른, 아음속의 연소로 인해 발생하는 디플래그레이션(deflagration)에 의한 반작용으로 추진되지만, PDE는 초음속의 빠른 속도로 진행되는 `격렬한 연소`에 의해 발생하는 데토네이션 파의 반작용으로 추진된다.

PDE의 기본적인 작동 방식은 펄스 제트 엔진과 유사하다. 펄스 제트 엔진에서는 공기가 연료와 혼합되어 가연성 혼합물을 생성한 다음 개방된 챔버에서 점화된다. 그 결과 연소로 혼합물의 압력이 약 100기압(10 MPa)으로 크게 증가하며,[8] 이는 노즐을 통해 팽창하여 추력을 발생시킨다.

혼합물이 뒤로 배출되어 항공기를 앞으로 밀어내도록 하기 위해 일련의 셔터가 엔진 전면을 막는 데 사용된다. 흡입구를 신중하게 조정하여 셔터가 적절한 시점에 닫히도록 하여 공기가 엔진을 통해 한 방향으로만 이동하도록 한다.

모든 일반 제트 엔진과 대부분의 로켓 엔진은 연료의 ''폭연'', 즉 빠르지만 음속보다 낮은 연소를 통해 작동한다. 펄스 데토네이션 엔진은 초음속 ''폭굉'' 연소를 통해 작동하는 제트 엔진을 만들기 위해 현재 활발히 개발 중인 개념이다. 연소가 매우 빠르게 일어나기 때문에, 혼합물(연료/공기 혼합물)은 이 과정에서 팽창할 시간이 없어 거의 일정 부피 하에서 발생한다. 일정 부피 연소는 가스터빈과 같은 개방 사이클 설계보다 더 효율적이므로 연비가 향상된다.

연소 과정이 매우 빠르기 때문에 기계식 셔터를 필요한 성능으로 배치하기가 어렵다. 대신, PDE는 일반적으로 일련의 밸브를 사용하여 프로세스 시간을 신중하게 조절한다.

연소 과정에서 데토네이션(충격파를 동반한 연소 = 폭굉)으로 진행되기 때문에, 기존의 정압 연소를 이용한 가스터빈 엔진에 비해 높은 이론 열효율이 예상된다[15][16].[스크램제트 엔진과는 달리, 정지 상태에서부터 엔진을 시동할 수 있다.

기존의 가스터빈 엔진의 연소기를 펄스 데토네이션 엔진으로 대체함으로써 터빈 구동이 가능하며, 여러 데토네이션 튜브의 위상을 어긋나게 하여 운전함으로써 노즐 또는 터빈 입구에서의 흐름 맥동을 평활화할 수 있다[15][17]。

3. 역사

PDE는 1940년부터 추진 시스템으로 고려되어 왔다.[3]

2008년 이전의 초기 연구 및 실험에 대해서는 '초기 연구 및 실험' 섹션을, 2008년 최초의 PDE 비행 성공에 대해서는 '세계 최초 비행 성공 (2008)' 섹션을 참조하면 된다. 2008년 이후 일본의 PDE 연구에 대해서는 '일본의 추가 연구' 섹션을, PD 에어로스페이스의 PDE 개발에 대해서는 '민간 기업의 개발' 섹션을, 그리고 DARPA의 Blackswift 프로젝트에 대해서는 'DARPA의 Blackswift 프로젝트 (2008)' 섹션을 각각 참조하면 된다.

3. 1. 초기 연구 및 실험

오랜 기간 이론 구축과 실험이 계속되어 왔다.

  • 2004년 3월 17일, 쓰쿠바 대학에서 펄스 데토네이션 로켓 시스템 시험이 실시되었다.
  • 2006년 7월 28일, 펄스 데토네이션 로켓 '토도로키'의 활주 시험이 실시되었다[18].

3. 2. 세계 최초 비행 성공 (2008)

2008년 1월 31일 펄스 데토네이션 엔진으로 구동되는 개조된 Rutan Long-EZ의 비행 중 사진


2008년 1월 31일, 미국 공군 연구소는 캘리포니아주 모하비 사막에 있는 모하비 공항 및 우주 기지에서 Long-EZ에 펄스 데토네이션 엔진(PDE)을 탑재한 시험기의 첫 비행을 실시했다.[4][19] 이 프로젝트는 공군 연구소와 Innovative Scientific Solutions, Inc.가 개발했다. 비행에 사용된 항공기는 "Borealis"라는 이름으로 대대적으로 개조된 Scaled Composites Long-EZ였다.[5]

이 엔진은 80 Hz 주파수로 펄스 폭발을 생성하는 4개의 튜브로 구성되어 최대 약 90.72kg의 추력을 발생시켰다. 최근 몇 년 동안 여러 연료가 엔진 개발자에 의해 고려되고 테스트되었지만, 이 비행에는 정제된 옥탄이 사용되었다. 작은 로켓 시스템이 Long-EZ의 이륙을 도왔지만, PDE는 약 약 30.48m 고도에서 10초 동안 자체 동력으로 작동했다. 비행은 저속으로 진행되었는데, PDE 엔진 개념의 매력은 고속에 더 있지만, 이 시연은 PDE가 195-200 dB 폭발파로 인한 구조적 문제를 겪지 않고 항공기 프레임에 통합될 수 있음을 보여주었다. 개조된 Long-EZ에 대한 추가 비행은 계획되지 않았지만, 이 성공으로 PDE 연구에 대한 더 많은 자금이 유치될 가능성이 높아졌다. 해당 기체는 국립 미국 공군 박물관에 전시되어 있다.[6][20]

3. 3. 일본의 추가 연구

연료와 산화제를 모두 탑재하는 경우 펄스 데토네이션 엔진은 대기 조건에 영향을 받지 않으므로 우주 비행에 사용할 수 있다. 2021년 7월 26일 (UTC), 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)는 S-520 사운딩 로켓 비행에서 펄스 데토네이션 로켓 엔진의 우주 시험에 성공했다.[9] 로켓의 상단은 주 엔진으로 회전 데토네이션 엔진(RDE)을 사용했으며, S자형 펄스 데토네이션 엔진은 주 엔진 연소 후 단의 회전을 멈추는 데 사용되었다. PDE는 비행 중 총 14 사이클 동안 세 번 작동했다.[10]

오랜 기간 이론 구축과 실험이 계속되어 왔다.

  • 2004년 3월 17일, 쓰쿠바 대학에서 펄스 데토네이션 로켓 시스템 시험이 실시되었다.
  • 2006년 7월 28일, 펄스 데토네이션 로켓 '토도로키'의 활주 시험이 실시되었다.[18]
  • 2013년 10월 20일, 나고야 대학, 쓰쿠바 대학, JAXA 등의 연구 그룹이 펄스 데토네이션 로켓 엔진에 의한 첫 비행 실증에 성공했다.[21]
  • PD 에어로스페이스가 우주선에 탑재할 펄스 데토네이션 엔진의 개발을 진행하고 있다.[22][23]
  • 2021년 7월 27일, JAXA는 관측 로켓 S-520-31호 기체에 의한 심우주 탐사용 데토네이션 엔진 우주 비행 실증 실험에 세계 최초로 성공했다.[24][25] 펄스 데토네이션 엔진과 회전 데토네이션 엔진의 실험이 이루어졌다.

3. 4. 민간 기업의 개발

PD 에어로스페이스가 우주선에 탑재할 펄스 데토네이션 엔진의 개발을 진행하고 있다.[22][23]

3. 5. DARPA의 Blackswift 프로젝트 (2008)

2008년 6월, 미국의 방위고등연구계획국(DARPA)은 PDE 기술을 사용하여 최대 마하 6의 속도에 도달하도록 설계된 Blackswift를 공개했으나,[7] 2008년 10월에 프로젝트가 취소되었다.

4. 장점 및 활용

가스터빈 엔진에 비해 높은 이론 열효율이 예상된다[15][16]. 스크램제트 엔진과는 달리, 정지 상태에서부터 엔진을 시동할 수 있다.

데토네이션(충격파를 동반한 연소 = 폭굉)으로 진행되기 때문에 이러한 장점을 가진다. 기존의 가스터빈 엔진의 연소기를 펄스 데토네이션 엔진으로 대체함으로써 터빈 구동이 가능하며, 여러 데토네이션 튜브의 위상을 어긋나게 하여 운전함으로써 노즐 또는 터빈 입구에서의 흐름 맥동을 평활화할 수 있다[15][17].

연료와 산화제를 모두 탑재하는 경우 대기 조건에 영향을 받지 않으므로 우주 비행에 사용할 수 있다. 2021년 7월 26일 (UTC), 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)는 S-520 사운딩 로켓 비행에서 펄스 데토네이션 로켓 엔진의 우주 시험에 성공했다.[9]

대부분 PDE 연구는 군사적인 성격을 띠고 있는데, 이 엔진은 현재의 모든 대공 방어 시스템의 사정거리 밖에서 비행할 수 있을 만큼 높이 날면서 SR-71보다 훨씬 더 긴 사거리를 제공하는 차세대 고속, 장거리 정찰기를 개발하는 데 사용될 수 있기 때문이다.

5. 문제점

펄스 데토네이션 엔진의 주요 문제점은 DDT(Deflagration to Detonation Transition, 폭연에서 폭굉으로의 전이)를 달성하기 위한 튜브 길이 문제이다. 실용성을 위해서는 튜브 길이를 줄여야 하지만, 튜브에 U자형 굽힘을 추가하면 폭굉파가 소멸되므로 이는 어렵다. 또한, 엔진 작동으로 인한 심한 진동과 소음(종종 착암기 소리와 비슷하다고 묘사됨)도 해결해야 할 과제이다.[28]

참조

[1] 논문 Review of Propulsion Applications of Detonation Waves https://arc.aiaa.org[...] 2000-09
[2] 논문 Pulse detonation propulsion: challenges, current status, and future perspective https://www.scienced[...] 2004-01
[3] 간행물 Reaction Propulsion by Intermittent Detonative Combustion German Ministry of Supply, Volkenrode Translation 1940
[4] 뉴스 Pulse Power: Pulse Detonation Engine-powered Flight Demonstration Marks Milestone in Mojave 2008
[5] 문서 Borealis display poster text at Museum of USAF
[6] 뉴스 Pulse Detonation Engine Flies Into History http://www.af.mil/Ne[...] Air Force Print News Today 2008-05-16
[7] 뉴스 Explosive Engine Key to Hypersonic Plane https://www.wired.co[...] Condé Nast Publications 2008-06-24
[8] 인터뷰 Pulse Detonation Engines http://www.publicadd[...] Innovative Scientific Solutions Incorporated PDE program under contract to the United States Air Force Research Laboratory 2007-04-14
[9] 뉴스 Japan successfully tests rocket engine propelled by shock waves https://room.eu.com/[...] 2021-07-28
[10] 논문 Flight Demonstration of Pulse Detonation Engine Using Sounding Rocket S-520-31 in Space https://www.research[...] 2023
[11] 논문 パルスデトネーションエンジン開発の現状 https://doi.org/10.2[...] 日本燃焼学会
[12] 논문 Delineation of the intimate details of the backbone conformation of pyridine nucleotide coenzymes in aqueous solution https://pubmed.ncbi.[...] 1975-10-27
[13] 문서 広島大学におけるパルスデトネーション研究の戦略と現状 http://home.hiroshim[...]
[14] 논문 S-520-31号機によるデトネーションエンジン実験の進捗状況：回転デトネーションエンジン https://jaxa.repo.ni[...] 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所(JAXA)(ISAS)
[15] 문서 デトネーションを利用した新しい内燃機関 http://home.hiroshim[...]
[16] 문서 プロパン-空気混合気を用いたパルスデトネーションタービンエンジンの作動実験 http://home.hiroshim[...]
[17] 학위논문 2気筒パルスデトネーション燃焼器によるガスタービンエンジンの性能特性 http://id.nii.ac.jp/[...] 2009-05
[18] 연구실 筑波大学 大学院システム情報工学研究科 構造エネルギー工学専攻 笠原研究室 http://www.prop.nuae[...]
[19] 웹사이트 Borealis PDE https://www.scaled.c[...] スケールド・コンポジッツ 2019-10-26
[20] 웹사이트 Scaled Composites Long-EZ "Borealis" https://www.national[...] 国立アメリカ空軍博物館 2016-01-26
[21] 웹사이트 パルスデトネーションロケットエンジンの世界初の飛行実証に成功 http://www.nagoya-u.[...] 名古屋大学 2013-10-21
[22] 뉴스 誰もが宇宙旅行に行ける時代を http://kigyoka.com/n[...]
[23] 뉴스 ＰＤエアロスペース、有人宇宙機を本格開発(日刊工業新聞) http://www.nikkan.co[...]
[24] 기관발표 観測ロケットS-520-31号機　打上げ結果について 2021年（令和3年）7月27日 https://www.jaxa.jp/[...] 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
[25] 웹사이트 観測ロケットS-520-31号機による深宇宙探査用デトネーションエンジン宇宙実証実験に成功 https://www.isas.jax[...] 2021-08-20
[26] 논문 Review of Propulsion Applications of Detonation Waves 2000
[27] 논문 Pulse Detonation Propulsion: Challenges, Current Status, and Future Perspective 2004
[28] 서적 항공우주학개론


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