Ramjet Engine (램제트 엔진)

Ramjet Engine을 이해하기 위해서는 우선 shock wave에 대해서 알아야한다.

어떤 물체가 음속보다 빠르게 이동을 할 때, 위 사진과 같이 sound wave가 콘 형태로 발생하게 된다. 여기서 200nm 두께의 고온, 고압의 영역이 만들어지는데, 이 부분을 shock wave라고 부른다.

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물체가 이동하면서 공기를 밀어내면 압력 파면을 만들어내는데, 이 압력파는 음속으로 이동하게 된다. 따라서 물체가 음속보다 빠르게 이동하게 되면 빨간색 영역에 있는 입자들은 움직이는 물체가 만들어내는 disturbance에 대한 정보를 알 수 없다. 하지만 초록색 영역에 있는 입자들은 disturbance가 이전의 정보로 부터 만들어져 있다. 초록색과 빨간색 영역의 입자들이 순간적으로 상호작용하는 순간, 그 영역에서 shock wave가 발생된다.

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Ramjet engine은 위 사진과 같이 비교적 단순한 구조를 가진다. Diffuser Section에서는 들어오는 공기의 온도와 압력을 높이는 역할을 한다. Ramejt engine은 supersonic (초음속)의 상황에서만 작동하는데, 과학자들은 이를 이용해서 shock wave를 통해 diffuser 압력을 높인다.

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Ramjet engine이 초음속으로 이동하게 되면 겉면을 따라서 shock wave가 발생하게 된다. 각각의 지점에서 발생하는 무한한 개수의 shock wave를 합쳐서 보면 위 사진과 같은 모습이 된다.

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즉, 자연스럽게 발생되는 shock wave를 통해서 공기의 압력과 온도가 올라가게 되는데, 이를 Ram effect라고 부른다.

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이렇게 만들어진 고온, 고압의 공기는 주로 수소를 연료로 하는 cumbustion chamber에서 연소되면서 온도와 속도가 더욱 증가한다.

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여기서 jet의 속도를 더욱 빠르게 하기 위해서 위 사진과 같은 converging-diverging nozzle도 사용된다.

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따라서 이러한 단순한 구조를 통해서 매우 높은 압력의 boost를 만들어낼 수 있다.

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하지만 cumbustion pressure가 한계를 넘어가게 되면 shock front가 blown out 되고, 위 사진처럼 공기가 역류하게 된다. 이런 문제가 ramjet의 속도를 1.2mach로 제한한다.

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이러한 문제는 ramjet engine 앞에 공기역학적으로 설계된 inner body를 설치해서 해결한다. 이를 통해서 초음속의 상태일 때 olbique shock wave (경사충격파)가 만들어지는데, 이 충격파는 오른쪽 사진과 같이 tube에서 여러번 꺾이면서 normal shock wave가 된다.

이러한 구조에서는 역류가 발생하지 않기 때문에 1.2 mach 이상의 속도를 낼 수 있게 된다.

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Ramjet 에서 흐르는 공기의 속도는 매우 빠르기 때문에 연료와의 mixing이 2 ~ 5ms 만에 일어난다. 따라서 연료를 완전히 섞고 연소가 계속해서 잘 일어날 수 있도록 frame holder가 사용된다.

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Ramjet은 일반적으로 Mach 3 ~ Mach 6의 범위에서 가장 효율적이다.

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출처: https://www.youtube.com/watch?v=kHSJiO_Fvvw&list=WL&index=9&ab_channel=Lesics