플라즈마 제트엔진 추가 연구 노트 (대략적 설계 조건) - 본문 집필 마침

플라즈마 제트엔진 추가 연구 노트 (대략적 설계 조건) - 본문 집필 마침


필자가 실수로 노트 작성 전 헬륨 전체 매장량을 확인하지 않고 써 내려간 연구노트이나

아래 연구 내용은 필자의 소견으로는 거의 가장 이상적인 순수 전기 추진체의 설계 요건이다.
(보완 대체 설계 조건 별도 작성 완료되어 있음)
(천만 다행히도 대기중 아르곤 함유량이나 네온 함유량이 지금까지 인류가 소모하고 배출한 이산화 탄소 총 량보다 더 많다....)
(대기중 함량은 네온이 6배 더 많고 아르곤은 5,000배 더 많다.)
(대기중 아르곤 함량은 1.5% 네온은 0.0018%)
(대기중 전체 이산화탄소 농도는 300ppm - 0.0003%)
(인류가 사용하여 대기로 희석된 전체 이산화 탄소량은 ppm 단위 변화량 이다.)

(즉 천만 다행히도 아르곤과 네온 모두 생산단가 절감만 있으면 항공기 엔진 기화 촉진제로 대량 소모에 전혀 지장이 초래되지 않는다.)
(단가가 관건이다.)

(대기중에서 추출 후 사용 / 사용시 상태변화 0 / 사용후 대기로 재 환원)

다만 기존 게시글 내용과 연계되는 내용이기 때문에 직전 게시물 내용을 모를 경우 왜 노즐 출구 배기속도가 지나치게 빨라질 수 있는지 조금 아리송할 수가 있는데 그 부분은 이 글 바로 아래 직전 게시물 내용의 참조를 바란다.

헬륨의 매장량이 충분하기만 했어도 아래 설계만으로도 사실 다른 항공기용 터보 팬 제트엔진을 굳이 설계할 필요는 없었다.

알곤은 액화산소 생산중 비교적 저렴한 가격에 얻어지고 사용후 대기로 환원되며 다시 액화산소 생산과정을 통해 무한 순환 재사용이 가능한 자원이고

이는 네온도 마찬가지다

그런데 헬륨 그 단 하나만 그것이 안된다
전량 지구 대기권 밖으로 탈출하기 때문에 매장량이 고갈되면 더이상 사용이 불가능하다

따라서 다른 액화 비활성 기체 군 중에 헬륨을 대체할 물질이 없어 사실상 아래 설계는 사실 상업적 이용가치는 전혀 없다.
(액화 헬륨 분사방식의 엔진 설계 조건에 한하여)

그러나 실물을 제작하여 실제 운용하는 데에는 전혀 차질이 없는 설계 조건이다.

그러나 아래 설계가 실제로 더이상 상업적 이용이 불가하다 할 지라도

필자의 직전 게시물 설계조건 만으로도
저속 터보 팬 제트 엔진과 마하 1.5 내외의 초음속 램 제트엔진 개발에 큰 차질은 없다.

직전 설계가 두가지 방향으로 분화가 가능한 기본 설계 였으며
(램 제트엔진은 터보 팬 제트엔진의 공기 흡입부가 팬을 지나는 경로와 아닌 경로 두 가지 경로를 선택하는 것이 가능한 엔진인 경우다.)
(초반 추진력으로 일단 음속을 돌파하지 못하면 램 제트 효과가 발생하지 않으며 엔진 후륜 블레이드 없이 초반에 강력한 팬의 회전으로 압축 공기를 얻어 노즐 출구 배기 속도를 초음속으로 올려버린뒤 음속 돌파 후에는 팬가동을 정지하고 램 제트 흡입구로 공기도입관을 변경하는것이 램 제트 엔진의 기본 설계이며 필자의 기본 설계는 그 두가지 모두에 적용된다)

(별도의 애프터 버너 사용 없이 출구 배기 가스 속도가 음속을 돌파할 수 있기 때문에 같은 엔진으로 터보 팬과 초음속 램제트 모두를 제작할 수 있다.)

(플라즈마 점화부 온도와 엔진 노즐 배기구의 큰 온도차 유도 및 유선형 원추형 COMBUSTION 부 디자인으로 내부 플라즈마 제트의 흐름의 속도와 압력의 제어)

다만 여객 운송사업에 활용될 엔진이 두가지로 분화되면 상시 정비 과정에 매우 큰 지장이 초래되고
무엇보다 초음속 운항은 승객들에게 매우 큰 지장을 초래하기에 아래 설계 작업을 진행해 본 것다.

(추가적인 보완 설계 요건을 별도 정리 하였다.)





어차피 진공속에서 순수 네온이나 순수 알곤 만으로 이루어진 공간속에 아크 방전이나 플라즈마 발생을 일으키는 것은 아니기 때문에

먼저 플라즈마 발생 후

어느정도 냉각된 플라즈마 제트 속에
순수 액화 천연 헬륨을 극소량 분무하여 기화효율을 얻는 방식이 더 효과적일 수 있다.
(네온으로 대체 하여도 큰 제작 및 운영 그 자체에 지장이 초래되는 것은 아니지만 추력과 효율이 감소하게 된다는 것이 아래 본문 내용이며 세부 항목별로 설계와 제작이 충분히 가능한 수준까지 기술적 완성도를 끌어올려 보았다.)

(초반 본문 작성중 내포되어 있던 매력이 사라진 것이 흠 이지만 .....)

다만 전기 아크 발생장치에 사용되는 알곤은 일반 대기 중에서 고 에너지 아크와 밀접 하여도 안전하며 처음부터 사용의 목적이 아크 발생 장치가 공기중의 산소와 만나 급격히 산화되는 것을 막고 장치를 보호하기 위한 목적인 만큼

플라즈마 발생 직전에는 알곤과 네온을 혼합 분무하여 플라즈마 발생장치와 COMBUSTION 부 전체 그리고 노즐과 후륜 엔진 블레이드 전체를 발생시켜야 할 강력한 플라즈마 제트로 부터 충분히 안전하게 보호할 수 있도록하고
(플라즈마 발생 직전 엔진 코어 에어의 질량 만큼 필요할 것이다.)

(우한 공대 연구진은 이 대신 순수 마이크로 웨이브 즉 극초단파 기술로 장시간 플라즈마 토치를 가동시킬 수 있는 기술을 개발 하였는데 바로 그 부분이 필자가 그 기술력을 높이 평가하게된 배경이다.)

플라즈마 토치는 거의 대부분 노즐이 소모품이다.
장시간 토치 가동이야 어느회사 제품이건 다 가능 하지만 사용 중간 중간 노즐을 교환해야 하는데

비행 시간은 최대 16시간 이상도 존재한다.
(기존 터보 팬 제트엔진의 최대 순항속도로도 그 정도 장거리 노선이 존재 한다.)
(기존 항공기보다 운항 속도가 느릴경우 탑승객은 여행 피로 때문에 도저히 중간 기착이 불가피하며)
(이는 총 여행 소요시간의 문제이기 때문에 중간에 항공편을 바꾸어 탈 수 있는 사안이 아니다.)

(장거리 노선의 경우 경유비행이 불가능하여 중간 기착시 반드시 숙박 시설에서 1박을 해야한다는 것이고 승객 입장에서는 총 여행 경비가 폭증하는 결과로 이어진다.)

(심지어 대륙간 횡단 비행시에는 중간 기착지도 없다.... 남극이나 북극 말고는 .....)

따라서 플라즈마 제트 엔진은 반드시 그 기폭 효율을 증가시켜서 충분한 기화효율을 얻어 내야 하는 필요성이 존재할 뿐만 아니라
(속도가 50% 줄어들면 16 시간 노선이 36시간으로 늘어나는 것이다.)

무엇보다 그 긴 시간 동안 플라즈마 발생 장치의 노즐을 최대한 안전하게 보호할 수 있어야 하며

가능하다면 플라즈마 발생장치의 노즐이 반 영구적 사용이 반드시 가능한 설계를 확보해야 한다.

따라서 다시 말하지만

플라즈마 발생 직전에는 알곤과 네온을 혼합 분무하여 플라즈마 발생장치와 COMBUSTION 부 전체 그리고 노즐과 후륜 엔진 블레이드 전체를 엔진 플라즈마 발생장치가 반드시 발생시켜야 할 강력한 플라즈마 제트로 부터 충분히 안전하게 보호할 수 있도록 설계 해야 하고
(플라즈마 발생 직전 엔진 코어 에어의 질량 만큼 필요할 것이다.)

여기서 네온은 극소량만 첨가하며 알곤 사용량을 높이는 것이 관건이다.

둘다 엔진 플라즈마 발생장치와 엔진 보호가 주 목적이며
따라서 분사 위치도 그 부위여야 한다.
그 부위를 통과하는 압축공기보다 많기만 하면 된다.

(노즐이 플라즈마 제트 속에서 산소와 접촉하면 반드시 산화가 발생하는 것을 도저히 피할 수가 없는 것이며 따라서 플라즈마 노즐은 반드시 산소와는 절대적으로 차단된 상태를 가동시간 전체에 걸쳐서 강력한 보호막 유지로 실현해야 하는 것이다.)

따라서 플라즈마 발생 장치가 항상 네온 알곤 혼합기체의 보호속에 있도록 분사해야 하는데

코어에어의 속도가 워낙 빠르고 질량이 막대하므로 네온 알곤 혼합기체는 반드시 액화 상태로 플라즈마 점화 위치 직전의 위치에서 많은양을 한꺼번에 분무하여 순간적으로 그 부위를 통과하는 코어 에어의 흐름을 효과적으로 원천 차단하는 것을 목적으로 하되

실제 플라즈마 발생 장치는 반드시 기체상태의 네온 알곤 혼합기체의 보호속에 있어야 한다.

소량의 산소가 그 부위를 흐르더라도 장치가 산화되는 일은 막을수 있을 만큼의 충분한 보호막을 형성하는것이 혼합기체 분무의 목적이다.

(실제로는 절대적으로 산소접근을 차단할 수 있어야 한다.)

(산소 접근을 최대한 차단할 경우 가느다란 필라멘트조차도 진짜 고온 플라즈마 속에서 반 영구적 사용이 실제로 가능하다.)

우한 공대 연구진이 개발한 마이크로 웨이브 플라즈마 점화방식의 이점은 하나 더 있다

기존의 제논을 이용한 플라즈마는 토치가 반드시 압축 공기와 접촉한 상태라야 그 압축공기를 플라즈마화 하는것이 가능했지만

우한공대 연구진의 마이크로 웨이브 토치는
토치가 압축공기 흐름과는 완전히 차단되어 있더라도 일정공간 전체를 한꺼번에 플라즈마화 할 수가 있다.

(거기서 그 목적으로 그런 토치를 만들었다는것이 아니라 구성 원리가 그렇게 하는것이 가능한 원리라는 뜻이다.)
(플라즈마의 점화에 마이크로 웨이브를 사용하면 발생장치에서 조금 먼거리까지 충분한 에너지 전달이 가능하기 때문이다.)

사실 그정도 만으로도 어느정도 기화 효율은 얻을 수 있고 특히 알곤은 무거운 원소라서 충분한 배기가스 질량은 확보가 되는데

무겁기만 하고 기화효율이 낮으면 없는 것 보다는 낫겠지만 충분치가 않다.

다만 네온은 최초 기화속도가 워낙 빠른점을 활용하여 실제 보호막을 가동할 알곤을 분사하기 전 위치에서 코어에어의 흐름을 차단할 목적으로 가장 먼저 극소량만 액화 상태로 분사 하고

그 뒤 무거운 알곤을 역시 액화 상태로 분사하여 기화시키면

플라즈마 발생 장치는 거의 완벽한 보호막 속에서 산소의 접근을 확실하게 차단 받을 수 있다.

(이중 보호막을 가동하는 설계인 것이다.)

그 두 기체는 딱 그 정도만 액화 분사하고
그 정도면 COMBUSTION 부 전체와 배기 노즐 그리고 후륜 엔진 블레이드 전체를 충분히 보호할 수 있다.

(사실 우한공대 연구진이 시연에 사용한 플라즈마 토치와 튜브는 실제 항공기 엔진 코어의 COMBUSTION 부의 연소환경과는 많은 부분이 다르다 실제 COMBUSTION 부는 발생할 플라즈마제트 전체와의 접촉을 도저히 피할 수가 없다. COMBUSTION 부 모든 접촉면에 플라즈마제트가 접촉하게 된다.)

(이부분은 이온화된 플라즈마 제트 특성상 전자기 차폐로 밀접 접촉만큼은 반드시 피하는 방법 이외에 다른 설계수단이 존재하지 않는다.)

(강한 자기장으로 밀어내어 복사열 전달을 막는것이다.)

(네온 알곤 혼합기체는 그 자기장에 거의 영향받기 어려우므로 빈 공간에 보호층 형성도 가능하다.)

(결국 네온 알곤 혼합기체는 플라즈마 토치 점화 직전 위치 그리고 플라즈마 제트 흐름을 따라서 COMBUSTION 부 내벽을 보호할 수 있는 위치 두 곳에서 분무가 이루어지면 완벽한 보호설계가 적어도 물리적으로 대략적 가능한 설계의 방향이다. 그러나 실제 실행은 그야말로 고도의 최첨단 기술력이 요구될 것이다.)

(COMBUSTION 부 보호막 목적으로는 순수 네온 분사가 유체 흐름 속도의 월등함이 매우 큰 강점으로 작용할 것이므로 -분사와 동시 기화 팽창속도가 가장 빠르므로 -오로지 네온만 분사하여 자기장 차폐로 진공에 가까운 층을 빠른 속도로 흐르게 하면 중심부 플라즈마 제트 온도가 충분히 높은 온도 (10,000도씨 이상 20,000도씨 이하 초고온 상태)를 유지할 수 있는 설계상의 충분한 발판이 된다.)

*이 부분 정정 기화 팽창 속도가 가장 빠른 것은 헬륨 이지만 헬륨은 도저히 상기 설계 목적으로 활용 하기에는 지나치게 가볍고 밀도가 낮아서 도저히 헬륨 으로는 상기 설계 구조에서 충분한 차폐 효과를 기대하기 어렵다.

(어차피 네온은 밀도가 낮아서 블레이드 공기저항 발생에 큰 의미는 없으나 대신 너무 빠른 속도는 엔진 실속 우려가 존재하는데 최종적으로 하나의 노즐에서 모든 유체가 만나게 되므로 크게 우려할 만한 수준은 아니다.)

*이부분도 정정 네온 쪽이 충분한 밀도를 가지고 있기 때문에 블레이드 공기 저항력을 얻기가 수월한 편이다. 다만 기폭효율이 다소 떨어진다.





그리고 그 뒤

그러니까 플라즈마 발생 장치가 안전한 보호 속에서 모든 압축 공기 (코어 에어)와 액화 분사된 알곤 및 네온까지 플라즈마제트로 바꾸어 주면 강력한 기폭 작용으로 형성된 플라즈마 제트의 흐름 속으로 그 기폭 효과를 폭발시킬 (폭발적인 기폭으로 바꾸어줄)액화 헬륨을 최종 분사한다.

즉 액화 헬륨은 플라즈마 제트 발생 직후
냉각이 진행되기 직전 또는 냉각이 진행되기 시작한 직후

전체 플라즈마 제트 흐름이 가장 안정화된 시점에 해당하는 COMBUSTION 부 중간부터 노즐 입구 근처 사이에 분사하여 기폭효율을 최대로 높인다.

이정도면 코어부 추력이 사실상 기존 터보 팬 제트엔진을 상당히 초과하게 되는 설계이므로 바이패스 에어 비율을 9 : 1 까지 높일 수 있을 전망이다.

*그러나 여기에 헬륨 사용이 불가능한 경우 알곤은 오로지 노즐보호에 필요한 양만 사용되어야 하고 네온 분사에 의한 기폭 효율에 모든것을 기대야 하는데 애석하게도 가솔린 기화 연소가스에 비하여 밀도가 높다. 즉 기화효율이 떨어진다.

*즉 헬륨 대신 액화 네온을 마지막 기폭제로 쓰는 것이다.
(당연히 시험삼아 헬륨을 사용하는 엔진도 비행기 몇대 분량쯤 만들어도 큰 지장은 없다...)
(상용화 될 수가 없을 뿐 .....)
(네온은 상용화가 가능은 한데 전체 운항시 소요되는 운임 단가가 크게 상승할 수 있다.)

*다만 EGT 가 기존 항공기 터보 팬 제트엔진과 동일할 때 플라즈마 점화 온도는 기존 터보 팬 제트엔진보다 높기 때문에 그 큰 온도차가 충분한 출구 압력을 형성할 수는 없다.

즉 상기 설계에서 사실상 꼭 반드시 액화 헬륨 분사가 필수적으로 필요한 것은 아니다.
(헬륨 대신 액화 네온을 보다 더 적은 양을 분사 해도 가격대와 환경에 끼치는 큰 영향만 없다면 상용화에 큰 지장은 없겠지만 말처럼 쉬운일은 아니다.)

그러나 온도차에 의한 압력차는 배기 가스 압력 뿐만 아니라 속도도 증가시키게 된다.

따라서 터보 팬 제트엔진을 제작하려면 플라즈마 점화 온도가 지나치게 높아서는 안되며
결국 9 : 1의 바이패스비 실현은 거의 불가능하고
기존 터보 팬 제트엔진에 비해서 높은 바이패스비가 탄생하기는 어렵다.

요건은

떨어지는 기화 효율을 온도차에 의한 압력차가 만드는 속도 차로 바꿀 경우 기존 터보 팬 제트엔진에 근접 하거나 다소 능가하는 추력을 얻을 수 있다.
(꼭 헬륨이 사용되지 않더라도 네온과 알곤이면 사실 충분한 것이다.)
(플라즈마 자체의 점화 온도가 매우 높기 때문에
COMBUSTION 부 내의 토치부와 노즐부 온도차 만으로도 엄청난 압력차로 인한 충분한 배기 가스 질량과 속도를 얻을수 있다.)

관건은 실제 대량 생산과 소모 그리고 단가이다.

EGT 는 1300도를 유지한다.
(네온과 헬륨이 아무리 가벼워도 알곤이 대기보다 무겁기 때문이다.)

EGT 가 높아질수도 있는데 그러면 후륜 엔진 블레이드가 보호되기 어려우므로 그 부분이 설계상 최대의 난제가 될 것으로 예상된다.

(알곤 소모량이 많아지면 기화효율을 높이다가 EGT 가 높아질수가 있는데 그걸 막아야 한다.)

(최대한 가솔린 연소가스의 액체 기화 효율에 근접해야 하는 것이다.)

(결국 알곤 소모량의 황금비를 찾아야 하는데 그러면서도 엔진 코어부와 HOT SECTION 전체를 완벽한 보호속에 두어야 하기 때문이다.)

(네온을 첨가하지 않을 방법이 없다.)

베를린 공대 연구진의 연구 결과는 초음속 비행이 목적인 모든 군사 및 민간 비행체의 추진체를 전기추진체로 교체할 수 있는 연구이다

램제트 압축효과로 비행할 것이 예상된다.

(거의 대부분 군사목적으로 활용될 것으로 예상된다.)

여담 이지만 민간 항공기의 초음속 비행은
될 수 있으면 마하 2를 지나치게 초과하지 않아야 할 필요성이 있다.

비행기를 타보면 알겠지만
최고 순항속도 도달까지 승객들이 견뎌야 하는 중력가속도 하나만 생각하자

승객들은 9G를 버티어낼 훈련을 받은 파일럿이 아니다.

고도로 훈련된 파일럿이라 해도 블랙 아웃 현상은 신체에 치명적이다.

여객기가 고도의 회피기동을 해야 할 이유같은 것은 없지 않겠나?

난기류와 만나면 어찌할 것인가?

경로가 바뀔 때마다 승객들은 굉장한 불편에 시달려야 하며 신체가 약한 노약자나 환자들에게는 극히 치명적일 수 있다.

초음속 여객기의 시대가 올 수도 있으나 아마 .....

여객 운송 사업은 필수 불가결하게 터보 팬 제트엔진이 앞으로도 매우 오랜시간을 지배하게 될 것이다.

(지금도 초음속 여객기를 못 만들어서 운항하지 않는것은 아니다. 보잉도 GE 도 에어버스도 초음속 여객기는 그냥 안 만드는 것이다.)






첨가제 없이 순수하게 압축 공기의 기폭만으로는
기화효율의 부족현상으로 인하여 추력이 부족해 지거나 지나치게 빠른 노즐출구 속도가 엔진 실속을 발생시키게 된다.
(압축 공기만 사용할 경우 위에 설명한 온도차에 의한 압력차에 추가적으로 곡면 구조의 원추형 COMBUSTION 부 디자인을 통하여 전체 유제흐름의 압력과 속도를 대폭 증가시켜야 최종 운동에너지가 기존 터보 팬 제트엔진 만큼 출력 되는데 그 과정에서 출구 배기가스 속도가 음속을 돌파하게 된다.)

(그러지 않고 기존 디자인 대로 COMBUSTION 부를 제작할 경우 온도차로 인한 빠른 속도에도 불구하고 최종적으로 전체 배기가스 질량차가 노즐 출구에 압력차를 형성하게 되어 실제 엔진 크기대비 추력 효율이 기존 터보 팬 제트엔진에 크게 못미치는 효율을 얻을 수밖에 없다.)

결국 첨가제를 쓰지 않으려면 마하 1.5내외의 초음속 비행으로 램제트에어를 활용해야 한다.

관건은 헬륨의 매장량

다행히 알곤이나 네온은 지속적 수급에 아무런 지장이 없는데 헬륨은 ......

헬륨 없이는 터보 팬 제트엔진에 사용 가능한 수준의 충분한 기화효율을 달성하기가 제법 어렵다 ....
(*첨가제가 전혀 쓰이지 않는 경우를 말한다.)

불가능은 아닌데 경제성이 불가능이나 다름 없다.

네온 역시 사실 헬륨 만큼은 아니어도 대량 사용은 꽤나 어려워보인다.

(가솔린 대체가 불가능 .....)


결국 실제 엔진 상용화를 위해서는 정말로 순수하게 전기 추진체로써 플라즈마 기폭만을 활용해야 하기 때문에

도저히 장거리 노선 만큼은 램제트 에어를 활용한 초음속 여객기의 제작 말고는 도저히 답이 없다.

대륙간 장거리 노선과 근거리 노선을 나누어
근거리 노선은 터보 팬 플라즈마로
장거리 노선은 램 제트를 활용한 초음속 여객기로 나누는 수밖에 없다.

(근거리 노선 초음속 비행은 불가다)
불가능이 아니라 절대 불허다.
지상에 끼치는 폐혜가 지나치게 크다