150kW 아크 히터의 내부 복사 열전달 해석을 위한 DOM의 검증 및 적용

Abstract

1950년대 이후로, 인간은 우주를 개발하고 탐험하기 위한 많은 노력을 기울여왔다. 선진국에서는 우주 개발을 위한 많은 자금과 인력을 투입해 왔고, 아폴로 프로젝트와 같은 행성 재진입 미션 성공 등의 많은 성과를 달성하였다. 지구 및 행성 재진입을 수행하는 우주선들은 극고온에 노출되는데, 우주선들은 이 극한의 환경으로부터 본체를 보호하기 위하여 열보호구조체(Thermal Protection System, TPS)를 장착한다. 이러한 특수한 목적 때문에, TPS는 필연적으로 극고온의 환경에서 실험이 이루어져야 하는데, 직접 실험하는 것은 비용과 시간적인 측면에서 문제를 야기시킨다. 그러므로 직접 실험하는 대신 아크히터라는 특수한 장치에서 TPS에 대한 지상실험을 진행하게 된다. 본 연구에서는 150kW Huels형 아크히터에서의 유동 수치해석에 필요한 복사 열전달 계산을 중점적으로 다루었다. 아크히터에 대한 수치해석에는 일반적으로 ARCFLO4 코드가 사용되는데, ARCFLO4 코드에 포함된 기존의 복사 모델 대신, 구분종좌법(Discrete Ordinate Method, DOM)을 적용하여 복사 열전달을 정확하게 계산하고자 하였다. ARCFLO4 코드에 존재하는 기존의 복사 모델은 해석 대상이 무한한 원기둥 형상이며, 축 방향으로 온도가 일정하다는 가정이 포함되어 있다. 하지만 이번 연구의 해석 대상인 KAIST 보유의 150kW 아크 히터의 경우, 극고온이 형성되는 컨스트릭터 부분의 길이가 매우 짧은 구조로, 위의 가정은 적합하지 않다. 이 가정을 극복하기 위하여 축대칭 원기둥 형상에 적합한 DOM을 개발하였고, 참고 문헌과의 비교를 통하여 검증을 수행한 후, 최종적으로 ARCFLO4 코드에 적용하여 수치 해석을 수행하였다. 최종적으로 아크 히터의 효율 계산에서 실제 실험값과 기존의 복사 모델 사이에 발생했던 12%의 오차는, DOM으로 인해 7% 내외로 낮춰졌으며 이것은 DOM에 의한 복사 모델로 인한 결과가 실제 현상과 보다 가깝다는 것을 의미한다.