플라즈마 제트엔진?

플라즈마 제트엔진?


Ft = mv +(pe -pa)Ae

추력 = 가스질량 × 가스 팽창 속도 + (노즐 출구 압력 - 노즐 외부 압력) × 노즐 출구 면적 이므로

기존 터보 팬 제트 엔진 보다 가스 질량과 가스 팽창 속도 그리고 노즐 출구 압력이 더 높기만 하면 사실상 상용화에 큰 문제는 없다.

압축된 공기에 연료 소량을 기폭시킨 가스의 팽창 속도나 노즐 출구 압력에 비해서

압축된 공기 전체를 플라즈마화 할 경우 전체 팽창 속도와 노즐 출구 압력면에서 월등한 추력을 얻을 수 있으며

나머지 추력은 바이패스 에어로 얻으면 된다.

이미지 출처
https://ericlab.tistory.com/m/114

추력 공식 출처
https://sei-and-the-world.tistory.com/25


연구 과제

연소가스의 액체 에서 기화된 가스의 질량이 압축공기 질량과 같은 경우

플라즈마 제트 엔진에 필요한 온도는 순수 열팽창 으로 인한 압축공기 질량이 기존 제트엔진에 추가되는 연료의 연소가스 질량보다 부족함을 감안하여 보다 높은 온도가 필요한데 샤를의 법칙상 기체의 열팽창은 가솔린 연소에 의한 액체 - 기체 기화보다 현저히 부피 팽창률이 떨어지게 된다
(가스 배출 속도와 가스 질량의 차이가 발생)

그렇다고 플라즈마 그 자체를 팬 제트엔진의 날개에 직접 부딪히게 할 수는 없으므로 특수한 조건 하나가 더 있어야 플라즈마 제트 엔진 이론이 현실성을 가질 수 있다.

압축공기를 플라즈마 발생장치로 유입시키는 배관을 모래시계형태로 제작 후 모래시계의 가장 좁 은 부위를 지나자 마자 전체 가스를 플라즈마화 한다.

여기까지는 그냥 플라즈마 절단기다.

그 내부에 냉각을 위한 물을 뿌리면 어떻게 될까?

물은 기화시 1700배의 부피 팽창률을 가진다.
압축 공기 전체를 플라즈마화 한 후 바로 그 플라즈마에 냉각수를 일정비율 분사하는 것

(아마 엔진이 터지겠지?)

그렇다고 플라즈마만 가지고 충분한 추진력을 얻을 수 있을까? ....

냉각되어 기체로 환원되는 순간 아무리 온도가 높아도 폭발적 추진력을 얻는것은 불가능하다

플라즈마 상태 그대로 분사할 경우는 도저히 ...
이 경우 블레이드가 무사할 수가 없다

그냥 로켓 추진체를 만들고 싶어도 노즐이 무사하지 못 할 지경이고 .....

온도차만 만들어 내고 물분사로 냉각하고 기화된 수증기의 부피 팽창으로 터빈을 돌려 회전력을 얻을 수 있을까?

....
가솔린 만큼의 중량대비 기화 팽창률을 물이 생성 할 수 있을까?

차라리 에탄올 엔진이 더 나을 지경 ....

결국 엔진부를 매우 저압으로 유지하는 방법 이외에는 다른 방법이 없는데
그 경우 성공한다 해도 노즐 외부 압력 때문에 역시 추진력이 부족하다

순수한 압축공기를 어떻게 폭발을 시키면
가솔린 연소가스 팽창률 만큼의 부피 팽창(가스 배출 속도를)을 플라즈마 제트엔진에 부여할 수 있는가?

난제다.

결국 엔진부 압력을 대단히 높여야 한다
그러면서도 압축 공기는 완전히 팽창해야하고
기존 엔진과 같은 온도로 배 이상 빠른 속도로(압력차가 만들어낼 속도차) 로 부족한 가스 질량분 만큼의 추력을 생산해야 한다.

연소가스에 의한 부피 팽창률 만큼의 전체 가스 질량의 부족분을 높은 가스 압력과 배출 속도로 대체하는 것이다.

즉 엔진 연소부 내부의 압력을 기존 엔진 보다 최소 두배에서 네배 높게 유지하면서도
(기존 항공기 엔진부보다 두배에서 네배 높은 압력이 플라즈마 제트엔진의 엔진부 내부에 필요하다.)

그러면서도 엔진부의 압축 공기는 완전히 팽창하여 1 기압시의 부피(팽창속도)를 유지해야 플라즈마 제트엔진의 현실화가 가능하다.

그러면서도 온도는 1300도 아래로 내려가야 한다.

즉 높은 압력으로 높은 팽창속도를 만들어내어야 한다.

어떻게 하면 엔진부 내압을 높일수 있을까?
(플라즈마만 가지고서는 불가능하다.)

엔진부 내부의 플라즈마 상태를 일정시간 유지하다 노즐 분사 직전 냉각 시킨다 해도 결국 그 공기가 그 공기 온도가 떨어지면 다시 팽창속도는 제자리 걸음이 된다. 압력도 다시 낮아진다.

높은 온도를 견뎌낼 블레이드가 없거나
다른 방법으로 엔진 내압을 두배 이상 높이지 않는 한 현실화되기 어렵다.

엔진부 내부의 디자인을 바꾸는 것은 좋은 방법이 될 수 있다.

원통형이 아니라
갈수록 좁아지는 형태의 원추형 엔진부가 있을 수 있다 (Combustion 부 디자인 변경)

될수 있으면 부드러운 곡선의 형태를 띄어야 하는데 볼록한 형태 말고 오목한 형태의 원추형 엔진부라면

같은 온도 조건에서 압력이 높아지는 계기가 될 수 있으며

플라즈마는 거기에 팽창된 공기를 강제로 밀어넣는 기폭제 역할을 수행할 수 있다.

즉 최초 열팽창시의 온도가 플라즈마쪽이 연소가스보다 더 높은 온도라는 사실을 이용하는 것이다.

완전히 팽창된 가스가 노즐로 향하는 엔진부 전체 부피를 기존 엔진부 절반 이하로 디자인 할 경우

결국 원추형으로 부피 용적이 1/2 이하인 엔진 내에서 노즐부 온도가 기존 엔진과 같은 1300도일 때 플라즈마의 높은 온도에 강제로 밀려난 가스 팽창 속도가 노즐부에서 기존 항공기 엔진 노즐부 가스 팽창속도의 두배 이상 빨라져서(가스 팽창 속도차를 얻음으로) 기존의 연소가스 질량분(손실된 가스 질량분) 만큼의 추진력을 얻을 가능성이 있다.

즉

노즐 출구 온도는 동일한데
최초 폭발 온도가 매우 높은 경우
엔진 내부 용적이 좁아도
가스는 완전히 팽창한 뒤에 노즐을 통과하는것이 가능할 수가 있다.

즉 엔진 내부에서 점화부와 노즐부에 매우 큰 온도의 차이를 만들어서

그 높은 온도의 차이로 압력의 차이를 발생시키고
점화부의 높은 압력을 바탕으로 노즐부 온도 1300도씨 에서 가스 배출 속도를 두배 이상 빠르게 함으로써 전체 배기 가스 질량 손실분을 만회한다는 것이다.

이 때 좁아지는 곡선 원추형 엔진부 디자인은 공학적으로 엔진부 내압을 기존 항공기 엔진부의 두배 이상 높은 내압을 유지하는데 큰 도움을 줄 수 있고 최종적으로 노즐부 배기 가스 속도를 높일 수가 있다.

매우 정밀한 전체 과정의 섬세한 제어가 요구된다.

(점화부에서부터 노즐부 까지 전체 플라즈마 제트의 온도를 정밀 제어하고 점화부와 노즐부 온도 차이를 극도로 크게 만들어서 전체 플라즈마 제트의 속도를 극도로 높이고 플라즈마 제트의 압력 역시 증가시키는 것이다. 그리고 1300도씨 온도로 노즐 외부 블레이드에 부딛혀 주 회전날개 회전 동력을 지속적으로 얻고 추력도 얻는 것이다.)

(중요한건 노즐을 통과하는 가스가 초음속인 경우 블레이드 쪽에서 엔진 실속을 발생 시킬 수 있다)
(너무 높은 온도 때문에 그 쪽 블레이드를 임펠러 형식으로 바꾸기도 곤란하다.)
(온도를 떨어트려도 안된다.....)
(블레이드를 좀 멀리 떨어트리는 방식이라면 추력을 손실없이 얻어낼 수 있을까?)

어차피 후륜쪽 블레이드는 주 회전날개부의 충분한 회전 속도만 얻어낼 수 있으면 되기는 하는데 ....

(자료 검색 과정중 이미 중국에서 플라즈마 제트 엔진을 개발했다는 기사가 있던데 .....)

그들은 어떻게 이 난제를 해결했을까?

(만약 1300도씨 이하의 온도를 유지하는 차가운 저온 플라즈마 상태를 노즐 출구 배기 시점까지 유지할 수 있다면 적어도 부피 팽창 면에서는 충분하지만 그것이 블레이드에 충분한 저항을 발생시켜줄 수 있을까? 즉 실제 저온 플라즈마가 주 회전 날개의 지속적인 회전 동력을 얻기 위한 추력으로 환원될 수 있을것인가가 관건 )

(노즐 출구 면적 변화는 추력을 감소시킬 우려가 있다.)

(이온화된 플라즈마에 기폭제 첨가는 절대 금물이다. - 어떤 종류의 기폭제 이던 절대 불가다. -)

(전혀 절대 화학 반응을 일으키지 않을 수 있는 소량의 첨가제가 필요하다.)

(액화 헬륨 또는 액화 네온 같은 ......)
(극소량 만으로도 기화 팽창 부피 자체가 차원이 다른 첨가제)

(그러면서도 절대 화학 반응을 일으키지 않는 안전한 첨가제)

(용도는 오직 단 하나 "충분한 질량과 부피의 기화 팽창")

실제로도 네온은 플라즈마와 접촉이 발생해도 지극히 안정된 상태를 유지한다
(누구나 집집마다 보유하고 있는 형광등이 그 증거다.)

극소량의 액화 네온이나 액화 헬륨이 실제 첨가제로 사용되면 기폭(기화 팽창 효율) 효율이 대단히 큰 폭으로 상승한다.
(환경영향평가 필요)

기폭효율 증가를 위하여 첨가할 위 첨가제를 향후 어떤 방식으로 회수할 것인가
(실행은 간단하지만 그 뒷처리는 절대 간단치 않은)

(사실 네온은 전체 실제 연간 사용량 면에서 별도의 환경영향평가 연구가 필요하기야 할테지만 - 전체 사용량이 워낙 큰 폭으로 증가해야 하므로 - 그러나 아직은 안전하고 )

(헬륨은 아예 사람이 헬륨 그 자체를 들이 마셔도 인체에는 무해하지만 대기중 구성성분 변화가 초래할 환경적 영향이 관건이다.)

혹은 그 어떤 첨가제 없이 플라즈마 기폭 만으로 엔진을 만들어 낼 것인가
(실행 그 자체가 대단히 어려운 그러나 실행 되면 모든 난제의 해결)


원 아이디어 창시자인 본인 입장에서 최종적으로 상기 플라즈마 제트 엔진에 극소량의 액화 네온의 첨가는 큰 문제가 없을듯 하다

지구 중력이 헬륨이나 네온을 붙잡아둘 만큼 강하지 않기 때문에 저절로 우주공간으로 방출될 기체들이며 헬륨보다는 네온이 기체상태에서 밀도가 낮은 만큼 또한 플라즈마와의 접촉에서 가장 안정적인 물질이 바로 네온이니 만큼 극소량의 액화 네온의 첨가는 차세대 플라즈마 터보 팬 제트 엔진에 사용될 첨가제로 쓰기에 큰 문제가 없을것으로 추측된다

네온

https://m.100.daum.net/encyclopedia/view/b03n4024a

헬륨

https://m.100.daum.net/encyclopedia/view/b25h0792a


사실 기화 효율은 조금 떨어지더라도
엔진 블레이드가 충분한 공기저항효과를 얻으려면 항공기 운항 단가가 조금 올라가더라도 액화 헬륨 쪽이 훨씬 훌륭한 선택이 될 것이다.

밀도가 떨어지면 그만큼 많은 첨가제가 필요한 것이 네온 이므로 그값이 그값이거나 더 비쌀 수 있다.

자아 ~~~ 액화 헬륨 Plasma Torch On ~~~~!!!!!
Fire ~~~~~~~~~ !!!!!!!!!!!!

Liquefied Helium Plasma Torch On!!!
Fire ~~~~ !!!!!!!!

여담 이지만 액화 헬륨 가스 1 통의 가격은 같은 무게의 가솔린에 비하여 큰 차이가 없을 것이다.

그러나 발휘할 수 있는 폭발적인 힘은 몇배는 더 강할 것이다.









*어째서 왜 !
네온보다 헬륨인가?

일단

첫 번째

기화 효율과 항공기 엔진 블레이드가 실제로 필요로 하는 공기 저항 둘 다를 가장 쉽게 충족 할 수 있다.

두 번째

지금 현재의 시점 에서의 헬륨 생산은 전적으로 화석 에너지 발굴 현장에서 마찬가지로 발굴하는 원소 이지만 향후 핵융합 원자로 가동 가능한 2040년 이후에는 지구상에서 헬륨보다 더 흔하고 값싼 원소가 없을 전망이다

마지막 세 번째

헬륨은 방출과 동시에 자동으로 지구 대기권 밖으로 탈출가능한 유일한 원소이며

본래 우주공간 전체에서 가장 첫 번째로 만들어진 물질이자 또한 가장 흔한 물질이다.

즉

지구 내 그리고 우주 양쪽 모두에 가장 친환경적인 물질이며 인체에도 실제로 완전히 무해한 무공해 물질이다.

즉 친환경 에너지 사업추진 이라는 본래 수행과제에 가장 적합하다.

그 어디에서도 그 어떤 사고나 결격사유가 없는 거의 유일한 해법이다.

*WANNING

재미로 헬륨가스를 마시다가 사람이 죽는 경우가 실제로 있는데

사인은 산소를 함께 마시는걸 잊어서 발생하는 질식사다.

헬륨 자체에는 아무런 독성이 없지만
지나친 다량 흡입은 일산화탄소 중독과 마찬가지로 산소 호흡을 저해할 위험성 정도는 존재 하므로 파티시 주의를 당부드린다.

*필자의 작은 소견으로는 향후 당분간 혹은 앞으로 계속 지속적으로

헬륨 아르곤 또는 네온을 추가로 혼합한 액화 혼합가스가 항공용 차세대 플라즈마 터보 팬 제트 엔 진의 주력 추진용 첨가제로 매우 널리 사용될 것으로 추측 된다.

아르곤 또는 아르곤과 네온
양자 모두 초고온 상태의 플라즈마와 극 고에너지의 전기 아크로 인한 에너지 방류를 극도로 안정시킬 수 있다.

이 두가지 액화 혼합가스가 액화 상태로 플라즈마 엔진부에 최초 플라즈마 발생 그 직전의 시점에 그 이전에 엔진이 압축한 압축공기에 혼합 첨가되면 플라즈마 발생과 동시에 초 고효율의 기화 효율을 얻음과 동시에

플라즈마 발생에 사용될 고전류 흐름 그리고 플라즈마 그 자체 둘 모두를 매우 안정화된 흐름으로 유도할 수 있다

(헬륨에 아르곤만 첨가해도 무방하지만 아크 방전으로 인한 플라즈마 안정에는 사실 네온만한 대체 물질이 없다.)

결국 헬륨과 아르곤을 주축으로 극소량의 네온 첨가가 최상의 효율과 안정성 두마리 토끼를 모두 잡을 수 있다.

*EGT
Engine Generate Temperature
(Engine Generation temperature?)
(엔진이 발생시킨 최종 온도 ....)

아무튼 최종 배기 가스 온도는
기존 가솔린 기폭 엔진에서는 1300도씨가 가장 고효율 이었다.

그러나 플라즈마 터보 팬 제트 엔진에 기화 첨가물 및 냉각제로 액화 헬륨 아르곤 네온의 혼합 첨가물이 실제로 활용될 때

최상의 효율을 얻기 위한 EGT 는 소폭 바뀔 가능성도 있지만 필자 소견으로는 상기 혼합 기체의 밀도가 지구 대기와 유사하고 질량이 조금 가볍다는 면에서 기존의 가솔린 기화 연소 가스와 실제 질량과 밀도면에서 큰 차이가 없다면

샤를의 법칙에 의거하여

EGT는 1300도로 고정되는 것이 가장 효율적이다.













자료를 읽어보니 중국 우한대의 실험은 단순히 플라즈마 불꽃이 철 구슬을 밀어낸 수준이고

(사실 그게 대단한 것이다 철구슬을 깨트리지 않고 그냥 밀어내기만 하는것에 성공한 바로 그것이 항공기용 엔진에 필요한 전부다.)

다만 플라즈마 자체가 온도가 낮은 경우 연소가스로 인한 총 배출 가스 중량분 만큼의 에너지를 확보하기가 곤란 할 수 있다.
(점화시 온도와 배출구 온도의 매우 큰 차이가 반드시 필요하다.)

(개인적으로 철구슬을 깨트리지 않고 단순히 밀어내기만 하는데 성공했다는 측면에서 이쪽이 베를린공과대학 연구물보다 항공기용 엔진 개발에 더 적합해 보인다.)

(다만 충분한 추력을 발생시키기 위해 오로지 압축 공기만 사용될 경우 바이패스 에어 감소 및 전체 엔진 추력 감소와 운항속도 감소로 이어진다.)

(기화효율이 충분할 수가 없기 때문이다.)

https://phys.org/news/2020-05-fossil-fuel-free-jet-propulsion-air.html

베를린 공과대학에서 만들어 낸 것은 단순 로켓 추진체로 보인다....

다만 마하 58의 속도라면 내부에 사람이 탑승했을경우 58G 의 중력 가속도를 견뎌낼 수 있는 초인 이나 특수화물만이 탑승 가능하다 ....

지구 중력의 58배를 버텨내어야 한다 .....

http://www.greened.kr/news/articleView.html?idxno=30596