우주용 내열재료 삭마시험용 플라즈마 풍동의 운전 특성

홍봉근(Bong Guen Hong) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.12

우주용 내열재료 삭마 시험을 위한 초음속 고엔탈피 플라즈마 풍동이 전북대학교 고온플라즈마응용 연구센터에 구축되었다. 구축이 완료된 플라즈마 풍동은 0.4㎿ 및 2.4㎿급 플라즈마 풍동이며 본 논문에서는 2가지 형태의 플라즈마 풍동의 운전 특성을 확인하였다. 0.4㎿급 플라즈마 풍동의 경우 공기 아르곤 혼합기체 16 g/s를 이용하여 13 MJ/㎏의 엔탈피를 갖는 유체를 마하3 속도로 안정적으로 가속시키는 것을 확인하였고 2.4㎿급 플라즈마 풍동의 경우 공기 아르곤 혼합기체 60 g/s를 이용하여 20 MJ/㎏의 엔탈피를 갖는 유체를 마하5의 속도로 가속 가능한 것이 확인되어 향후 우주용 내열재료 시험 및 열 방어 구조 설계를 위한 토대가 마련되었다. Supersonic high enthalpy plasma wind tunnel has been constructed at Chonbuk National University(CBNU). The facilities are 1 set of 2.4 ㎿ class wind tunnel and 1 set of 2.4 ㎿ calss wind tunnel. The segmented arc plasma torch was employed as a plasma source, and it can produce a supersonic high enthalpy flow with enthalpy above 13 MJ/㎏ at a velocity of Mach No. 3 and with enthalpy above 20 MJ/㎏ at a velocity of Mach No. 5.

고주파 열플라즈마 토치를 이용한 Ni 금속 입자의 나노화 공정에 대한 전산해석 연구

남준석,홍봉근,서준호,Nam, Jun Seok,Hong, Bong-Guen,Seo, Jun-Ho 한국전기전자재료학회 2013 전기전자재료학회논문지 Vol.26 No.5

Numerical analysis on RF (Radio-Frequency) thermal plasma treatment of micro-sized Ni metal was carried out to understand the synthesis mechanism of nano-sized Ni powder by RF thermal plasma. For this purpose, the behaviors of Ni metal particles injected into RF plasma torch were investigated according to their diameters ($1{\sim}100{\mu}m$), RF input power (6 ~ 12 kW) and the flow rates of carrier gases (2 and 5 slpm). From the numerical results, it is predicted firstly that the velocities of carrier gases need to be minimized because the strong injection of carrier gas can cool down the central column of RF thermal plasma significantly, which is used as a main path for RF thermal plasma treatment of micro-sized Ni metal. In addition, the residence time of the injected particles in the high temperature region of RF thermal plasma is found to be also reduced in proportion to the flow rate of the carrier gas In spite of these effects of carrier gas velocities, however, calculation results show that a Ni metal particle even with the diameter of $100{\mu}m$ can be completely evaporated at relatively low power level of 10 kW during its flight of RF thermal plasma torch (< 10 ms) due to the relatively low melting point and high thermal conductivity. Based on these observations, nano-sized Ni metal powders are expected to be produced efficiently by a simple treatment of micro-sized Ni metal using RF thermal plasmas.

핵융합로부품 시험을 위한 고열부하 시험시설 KoHLT-1 구축

배영덕,김석권,이동원,신희윤,홍봉근,Bae, Young-Dug,Kim, Suk-Kwon,Lee, Dong-Won,Shin, Hee-Yun,Hong, Bong-Guen 한국진공학회 2009 Applied Science and Convergence Technology Vol.18 No.4

A high heat flux test facility using a graphite heating panel was constructed and is presently in operation at Korea Atomic Energy Research Institute, which is called KoHLT-1. Its major purpose is to carry out a thermal cycle test to verify the integrity of a HIP (hot isostatic pressing) bonded Be mockups which were fabricated for developing HIP joining technology to bond different metals, i.e., Be-to-CuCrZr and CuCrZr-to-SS316L, for the ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) first wall. The KoHLT-1 consists of a graphite heating panel, a box-type test chamber with water-cooling jackets, an electrical DC power supply, a water-cooling system, an evacuation system, an He gas system, and some diagnostics, which are equipped in an authorized laboratory with a special ventilation system for the Be treatment. The graphite heater is placed between two mockups, and the gap distance between the heater and the mockup is adjusted to $2{\sim}3\;mm$. We designed and fabricated several graphite heating panels to have various heating areas depending on the tested mockups, and to have the electrical resistances of $0.2{\sim}0.5$ ohms during high temperature operation. The heater is connected to an electrical DC power supply of 100 V/400 A. The heat flux is easily controlled by the pre-programmed control system which consists of a personal computer and a multi function module. The heat fluxes on the two mockups are deduced from the flow rate and the coolant inlet/out temperatures by a calorimetric method. We have carried out the thermal cycle tests of various Be mockups, and the reliability of the KoHLT-1 for long time operation at a high heat flux was verified, and its broad applicability is promising. 본 한국원자력연구원에서는 국제열핵융합실험로(ITER)의 일차벽을 개발하기 위해 그라파이트 히터를 이용한 고열부하 시험시설 KoHLT-1(Korea Heat Load Test facility-1)을 구축하였으며, 현재 정상적으로 가동되고 있다. KoHLT-1의 주목적은 Be-CuCrZr-SS의 이종 금속이 HIP 방법에 의해 접합된 ITER 일차벽 mockup의 접합 건전성을 확인하는데 있다. KoHLT-1은 판형 그라파이트 히터, 냉각 jacket이 부착된 상자형 시험용기, 직류 전원, 냉각계통, He 기체 공급계통과 각종 진단계통으로 구성되어 있으며, 이 모든 시설은 Be 처리가 가능한 특수 정화계통이 설치된 실험실에 설치되었다. 그라파이트 히터는 두개의 시험 대상물 사이에 설치되며, 시험대상물과의 거리는 $2{\sim}3\;mm$이다. 시험 대상물의 크기와 요구되는 열유속에 따라 여러 가지의 그라파이트 히터를 설계, 제작하였으며, 전기 저항은 고온 운전 중에 $0.2{\sim}0.5{\Omega}$이 되도록 하였다. 히터는 100V/400 A의 직류전원에 연결되어 있으며, PC와 multi function module로 구성된 전류 조정계통에 의해 미리 프로그램되어 있는 패턴으로 전류를 자동 조절하게 된다. 두 시험대상물에 인가되는 열유속은 calorimetry법에 의해 냉각수의 입, 출구 온도와 유량을 측정하여 얻게 된다. 여러 가지 형태의 ITER 일차벽 Be mockups에 대해 고열부하 시험을 수행하였으며, 시험을 통하여 KoHLT-1 고열부하 시험 시설의 성능이 확인되었고, 24시간 이상의 연속 운전에 있어서도 그 신뢰성이 입증되었다.

0.4 MW급 플라즈마 풍동을 이용한 우주용 내열재료의 삭마 시험

오필용(Philyong Oh),최정철(Jung Chul Choi),문세연(Se Youn Moon),홍봉근(Bong Guen Hong) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.5

우주비행체의 지구 재진입시 고엔탈피 압축성 유동에 의한 공력 마찰로 인해 비행체는 표면으로부터 10 MW/㎡ 이상의 열유속이 발생한다. 이로 인한 우주용 내열재료의 평가가 필요하며, 열차폐체는 비행시험에 사용 되기전 지상에서의 성능시험이 필수적으로 요구된다. 고엔탈피 플라즈마 풍동은 초음속 비행과 우주 비행체의 지구 재진입 조건 등 극한 환경의 모사가 가능하므로 열차폐체 평가 및 고온재료의 성능시험에 적용할 수 있다. 고온삭마 재료 중 탄소섬유강화 복합재 [4-5] 는 강한 산화 저항성과 높은 열기계적 성능이 우수해 우주용 내열재료로 사용된다. 극한 공력가열에 노출되는 우주용 내열재료의 평가를 위해 전북대학교 고온플라즈마응용연구센터에 구축된 0.4 MW급 분절형 아크 히터 플라즈마 토치를 이용하여 내열 삭마시험을 하였다. 분절형 아크 히터 풍동은 초음속의 고온 플라즈마 유동을 통해 내열재료의 삭마 거동을 살펴보았으며, 시편의 노출 시간, 표면 온도, 표면 침식율, 질량 감소율 등을 관찰하였다. 아크 플라즈마 풍동의 열유속은 5 ~ 10 MW/㎡ , 속도는 마하 3의 조건에서 실험하였다. Space vehicles reentering the earth"s atmosphere at high speed face a high enthalpy supersonic plasma flow induced by aerodynamic heating of the vehicle"s surface [1-3], which can transfer a heat flux above 10 W/m2 to a vehicle"s surface, necessitating the development of reliable thermal protection systems (TPS). A segmented arc plasma torch was designed to produce a supersonic plasma flow with enthalpy above 13 MJ/kg at a velocity of Mach 3. With flow rate of the gas in 16 g/s and the 195 input current in, we investigate evaluation of Heat Shield Materials for Aerospace Applications using a 0.4 MW class segmented arc plasma.

플라즈마 풍동 시설용 분절형 아크 플라즈마 토치의 이론적 설계변수 해석

서준호(Jun-Ho Seo),최수석(Sooseok Choi),최성만(Seongman Choi),홍봉근(Bong-Guen Hong) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회지 Vol.15 No.4

0.4 ㎿ 급 분절형 아크 히터를 이용한 초음속 플라즈마 풍동 특성 실험

김민호(Min-Ho Kim),이미연(Mi-Yeon Lee),김정수(Jeong- Soo Kim),최채홍(Chea-Hong Choi),서준호(Jun-Ho Seo),문세연(Se-Yeon Moon),홍봉근(Bong-Guen Hong) 한국항공우주학회 2013 韓國航空宇宙學會誌 Vol.41 No.9

0.4 ㎿ 급 분절형 아크 히터를 장착한 전북대학교 플라즈마 풍동의 초음속 유동 특성실험을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 실험에 사용된 분절형 아크 히터와 초음속 노즐은 16.3 g/s 의 질량유량에 대해 전극 당 150 A, 전체 300 A의 입력전류 조건으로 운전되었으며, 운전 결과 350 kW의 입력전력과 약 51.4 %의 열효율이 계측되었다. 이 때, 아크히터 내 고엔탈피 플라즈마의 내부압력은 약 4 bar 로 측정되었으며, 이를 초음속 노즐을 통해 압력 45 mbar로 유지되는 진공쳄버 내로 팽창시킴으로써, 전체 엔탈피 11 MJ/㎏을 가진 초음속 플라즈마 유동을 얻을 수 있었다. 전체 엔탈피 측정과 함께, 생성된 초음속 플라즈마 유동에 대해 원뿔각 30°를 가진 원뿔 탐침을 삽입하여 경사 충격파와 이루는 각을 측정하였으며, 이 측정값들로부터, 발생된 초음속 플라즈마의 온도와 마하 수는 각각 약 2,950 K 및 약 3.7에 이를 것으로 예상되었다. Experimental analyses on a supersonic plasma wind tunnel of CBNU (Chonbuk National University) were carried out. In these experiments, a segmented arc heater was employed as a plasma source and operated at the gas flow rates of 16.3 g/s and the total currents of 300 A. The input power reached ~350 ㎾ with the torch efficiency of 51.4 %, which is defined as the ratio of total exit enthalpy to the input power. The pressure of plasma gas in the arc heater was measured up to 4 bar while it was down to ~45 mbar in a vacuum chamber through a Laval nozzle. During this conversion process, the generated supersonic plasma was expected to have a total enthalpy of ~11 MJ/㎏ from the measured input power and torch efficiency. In addition to the measurement of total enthalpy, a cone type probe was inserted into the supersonic plasma flow in order to estimate the angle between shock layer and surface of the probe. From these measurements, the temperature and the Mach number of the supersonic plasma were predicted as ~2,950 K and ~3.7, respectively.

전북대학교 0.4MW급 초음속 플라즈마 열풍동 장비에 대한 성능 분석

김민호(Min-Ho Kim),서준호(Jun-Ho Seo),문세연(Se-Yeon Moon),최재홍(Chea-Hong Choi),이미연(Mi-Yeon Lee),김정수(Jeong- Soo Kim),홍봉근(Bong-Guen Hong) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

0.4MW급 초음속 플라즈마 풍동 시험 장비가 전북대학교에 구축되었다. 구축된 플라즈마 풍동 시험장비는 대기권 밖에서 지구로 진입하는 비행체의 모사 기법 개발과 열차폐체 실험에 활용될 계획이다. 본 연구에서는 플라즈마 풍동 시험 장비에서 발생되는 초음속 플라즈마에 대한 열유동장, 열유속, 비엔탈피 등과 같은 특성측정 실험을 수행하고 그 결과를 보고한다. 이를 위해, Gardon 게이지, 엔탈피 탐침 시스템, 고속카메라, IR-카메라, 광학분광게 등 다양한 종류의 진단기구들을 사용하여, 구축된 플라즈마 풍동의 전형적인 입력전력, 토치내 압력, 챔버내 압력 운전 범위와 노즐 형상에 대해 플라즈마 특성을 측정하였다. 0.4 MW Class supersonic plasma wind tunnel is constructed in CBNU (Chonbuk national university). The constructed plasma wind tunnel will be used for TPS (thermal protection system) test and simulation model development of the re-entry vehicles into the earth outside the atmosphere. In this paper, we report the performance of the constructed plasma wind tunnel in terms of arc heater characteristics, plasma flow fields, heat flux, specific enthalpy etc. For this purpose, a variety of diagnostic tools, such as, Gardon gage, enthalpy probe system, high speed camera, IR-camera, spectrometer, and so on, was used to characterize the generated supersonic plasma flow at typical operation conditions of input power, torch pressure, chamber pressure, and nozzle dimension.

초음속 플라즈마 유동에 대한 정상 열유속 탐침 및 엔탈피 탐침 측정

서준호(Jun-Ho Seo),김민호(Min-Ho Kim),문세연(Se-Yeon Moon),이미연(Mi-Yeon Lee),최채홍(Chea-Hong Choi),김정수(Jeong- Soo Kim),홍봉근(Bong-Guen Hong) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

전북대학교에서 구축한 플라즈마 풍동에서 0.4 MW 급 아크히터로부터 나오는 초음속 플라즈마에 대해, Gradon gage 열유속 탐침 및 엔탈피 탐침 측정실험을 수행하고 그 결과를 비교하였다. 측정 실험은 0.35 MW의 출력과 30 Torr 의 쳄버압력 조건하에서 마하 수 3의 초음속 노즐을 장착하여 수행되었으며, 그 결과 노즐로부터 145 mm 떨어지 지점에서, 7.62 MW/㎡ 열 유속과 16.12 MJ/kg의 비엔탈피를 측정하였다. 또한, 열 유속 및 비엔탈피 측정값 들이 초음속 플라즈마 충격파와 탐침 첨두부 사이에 형성되는 열경계층 유동에 의해 결정되는 것임을 감안하여, 경계층 방정식으로부터 유동된 간단한 비엔탈피-열유속 관계식으로부터, 발생된 플라즈마 유동의 마하 수를 예측하였다. 이들 결과로부터, 구축된 플라즈마 아크 히터 및 풍동시설은, 출력 증대와 쳄버 압력 강하를 통해, 더 높은 비엔탈피와 마하수를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. Stationary heat flux (Gardon gage) and enthalpy probe measurements were carried out to characterize the supersonic plasma flow of 0.4 MW class plasma wind tunnel constructed at CBNU. For this purpose, supersonic plasma was generated by arc heater equipped with Laval nozzle of Ma=3 at the operation conditions of 0.35 MW and 30 Torr. From the measurement experiments, we can obtain the heat flux of 7.62 MW/㎡ and the specific enthalpy of 16.12 MJ/kg at the position of z=135 mm from the nozzle. In addition, Mach number of the supersonic plasma flow was also estimated using a simple relationship between the heat flux and specific enthalpy, which is based on the boundary layer theory, and then, it is expected that higher Mach number and specific enthalpy can be achieved at higher input power and lower chamber pressure.

전북대학교 소재공정용 60kW 및 200kW ICP(RF) 플라즈마 발생 장치 구축 현황

이미연(Mi-Yeon lee),김정수(jeong-Soo Kim),서준호(jun-Ho Seo),최성만(Seong-man Choi),홍봉근(Bong-guen Hong) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11