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계명대 기계공학과 김익현 교수 연구팀의 극초음속 분출냉각 시스템 설계 연구 결과가 기계공학 분야 국제 저명 학술지 Applied Thermal Engineering (ISSN:1873-5606, ENGINEERING, MECHANICAL 분야 JCR 상위 5.2%)에 “Numerical investigations of transpiration cooling of N2-He binary mixture in hypersonic laminar flow (극초음속 유동에서 질소-헬륨 이원 혼합기체의 분출냉각에 관한 수치적 연구)”라는 제목으로 오는 6월호에 게재가 확정됐다. (DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.125827) 극초음속 비행체는 음속의 5배 이상 속도로 비행하며 극한의 공기열역학 환경에 노출된다. 이에 따라 비행체 표면 온도가 급격히 상승하게 되며, 이를 방지하기 위한 효과적인 열보호 시스템이 필수적이다. 그중에서도 분출냉각 기술이 널리 사용된다. 전통적인 분출냉각 기술은 헬륨을 냉각제로 사용하여 비행체 표면의 경계층 내부로 주입함으로써 열을 흡수하고 방출한다. 냉각제를 경계층 내부에 투입하면 표면과 인접한 유동의 열전달이 억제되어 냉각 효율이 향상되지만, 헬륨은 밀도가 낮아 동일한 냉각 성능을 유지하려면 많은 양의 냉각제가 필요하다. 그 결과 저장 부피가 크게 증가하며, 이는 극초음속 비행체 설계 시 공간 및 중량 최적화에 상당한 부담을 초래하는 요인으로 작용한다. 김익현 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 헬륨과 질소를 혼합한 이원 냉각가스를 활용하는 방안을 제시했다. 이상 기체 혼합 모델을 기반으로 한 수치해석 결과, 헬륨 8%와 질소 92%로 구성된 혼합가스가 효과적인 열냉각 성능을 제공하면서도 냉각제 저장 부피를 크게 줄일 수 있음이 확인됐다. 혼합가스의 최적 비율을 설정함으로써 냉각제의 밀도를 낮추고 열용량을 증가시켜 표면 열보호 성능을 향상시키는 동시에 저장 공간 문제를 해결할 수 있다는 점이 이번 연구의 핵심이다. 김익현 교수는 "극초음속 비행체의 효율적인 열보호를 위해 기존의 단일 냉각제 시스템보다 성능과 실용성이 뛰어난 새로운 냉각 방안을 제시한 연구"라며 "향후 극초음속 유동 환경 뿐만 아니라, 다양한 공학적 냉각 적용 가능성에 대해서도 심층적인 연구를 진행할 계획"이라고 밝혔다. 이번 연구는 계명대 충격파 및 기체역학 실험실 소속 호세인자데(Hoseinzade) 석사연구원이 제1저자로 참여했으며, 김익현 교수의 지도를 받아 진행됐다. 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
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