This paper describes numerical efforts to investigate combustion characteristics of HyShot scramjet combustor, where gaseous hydrogen is transversely injected into a supersonic cross flow. The corresponding altitude, angle of attack, and equivalence ratio are 35-23 km, $0^{\circ}$, and 0.426 respectively. Two-dimensional simulation reasonably predicts combustor inner pressure distribution and reveals periodic combustion characteristics of HyShot scramjet combustor. Altitude effects are also investigated and the strength of flow instability and subsonic boundary layer thickness affect the combustion efficiency according to altitudes. Frequency analyses provide the flow instability effects on the turbulent combustion in HyShot scramjet combustor.
This paper describes numerical efforts to investigate combustion characteristics of HyShot scramjet combustor, where gaseous hydrogen is transversely injected into a supersonic cross flow. The corresponding altitude, angle of attack, and equivalence ratio are 35-23 km, $0^{\circ}$, and 0.426 respectively. Two-dimensional simulation reasonably predicts combustor inner pressure distribution and reveals periodic combustion characteristics of HyShot scramjet combustor. Altitude effects are also investigated and the strength of flow instability and subsonic boundary layer thickness affect the combustion efficiency according to altitudes. Frequency analyses provide the flow instability effects on the turbulent combustion in HyShot scramjet combustor.
HyShot 스크램제트 엔진의 연소 특성을 살펴보기 위해 수치해석을 수행하였다. 고도, 받음각, 당량비는 각각 28km, $0^{\circ}$, 0.426으로 주어졌다. $H_2$ 및 OH 질량 분율로부터 분사기 상류 재순환 영역의 화염지지기구 역할 및 주된 연소가 카울로부터 15cm 후방에서 시작됨을 알 수 있었다. 2차원 해석은 HyShot 스크램제트 엔진의 연소기 내부 압력을 비교적 잘 모사하고 있으며, 또한 주기적 연소 특성을 보여준다.
극초음속 스크램제트 흡입구의 설계는 다양한 공기열역학적인 현상을 수반한다. 이러한 현상은 무딘 앞전효과, 경계층 발달 문제, 천이, 점성/비점성 결합, 충격파 상호작용, 충격파 경계층 상호작용 및 유동 형상 등을 포함한다. 한정된 마하수와 고도 영역 내에서 운용되기 위해 설계되는 흡입구에서는 이러한 현상들 중 몇 가지 현상에 대한 이해가 요구된다. 본 연구에서는 HyShot 비행시험에서 발생할 수 있는 고도와 받음각 극단에서의 흡입구 성능을 연구하기 위해 몇 가지 중요한 유동 현상(점성 현상, 경계층 박리, 연소기 입구 유동 형상)들이 논의 될 것이다.
극초음속 비행체 개발 연구의 일환으로 소형 발사체나 과학로켓을 이용한 여러 비행 시험 프로그램이 진행되었다. 국제 협력으로 진행된 호주의 HyShot 프로그램은 과학로켓을 이용한 대표적인 스크램제트 엔진 비행시험 프로그램이며, 이후 다양한 탑재체에 대한 유사한 극초음속 비행 시험 프로그램들이 진행되었다. 미국에서는 DARPA와 AFRL 및 ONR이 각각 Falcon HTV-2, X-51A 및 HyFly의 프로그램을 수행하였으며, 호주와 국제협력으로 HyCAUSE, HIFiRE 비행시험 프로그램을 수행하였다. 그 밖에도 프랑스는 X-51A과 유사한 LEA 프로그램을 진행하고 있으며, 러시아 및 중국, 인도는 극초음속 방위 체계 개발을 목표로 비행시험을 진행하고 있는 것으로 보인다. 본 논문에서는 향후 국내에서 유사 프로그램을 수행할 시 참고할 수 있도록, 이들 프로그램의 목표 및 기술 요소와 경과 및 프로그램 사이의 관계 등을 정리하였다.
호주의 HyShot Center와의 공동연구를 통한 모델 스크램제트 엔진의 지상시험 수행을 위해 홉입구의 설계를 수행하였다. 본 흡입구는 연소기로 고온, 저속의 유동을 공급하는 방향으로 설계되었으며 Korkegi 관계식에 따라 충격파 결집구간을 분리함으로써 유동 박리현상을 차단하였다. 또한 Kantrowitz 관계식에 근거하여 자발시동이 가능하도록 흡입구 측면의 트임구간을 설정하였다.
At the University of Queensland (UQ), research into the performance of high-speed (in excess of 7000km/hr) air-breathing engines in the form of supersonic combustion ramjets (or scramjets) has been made for almost 20 years. This has been possible because the T3 and T4 shock tunnels, located at the ANU and UQ, respectively can simulate these conditions. However, like all facilities, there are differences between the flow generated in these facilities and that, which occurs in flight. The correlation between the two has not been determined for these facilities, or indeed for any shock tunnel performing supersonic combustion experiments. The aim of the HyShot flight program is to obtain this correlation by undertaking a sounding rocket program based at Woomera in South Australia. The seminar will discuss new approach taken by the UQ researches in developing this cost effective flight program, as well as the triumphs and disappointments which have been encountered so far in completing this somewhat ambitious program.
Model Scramjet engine is tested with T4 free-piston shock tunnel at University of Queensland, Australia. Basically, test condition is fixed as Mach 7.6 at 31 km altitude. With this condition, variation effects of fuel equivalence ratio, cavity, cowl setting and angle of attack were investigated. In the results, supersonic combustion was observed with low and middle fuel equivalence ratio. At high equivalence ratio, thermal choking was occurred due to the intensive reaction. Cavity and W-shape cowl showed early ignition and enhanced mixing respectively.
Kim, Hye-Sung;Kim, Kui-Soon;Oh, Se-Jong;Choi, Jeong-Yeol;Yang, Won-Seok
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제16권4호
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pp.529-536
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2015
Various R&D programs for rocket-based combined cycle (RBCC) engines have progressed worldwide for the space development and the defense applications. As a way toward indigenous domestic RBCC program, a preliminary design of flight test conditions was studied in this study for a sub-scale RBCC engine using a sounding rocket. Launch and flight profiles were calculated for several booster options and compared with that of HyShot II program. The result shows that the Korea Sounding Rocket-II (KSR-II) is a proper candidate to perform the flight test available in Korea. The recommend flight test conditions with KSR-II are Mach 6.0 with a test vehicle of 230 kg and Mach 7.4 with 50 kg. Present study will soon be followed by a design of sub-scale RBCC for a flight test using a sounding rocket.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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