극초음속 비행체는 음속의 5배 이상으로 비행하며 극심한 공기역학적 가열에 노출된다. 이를 방지하기 위한 대표적인 열보호 기술인 분출냉각(Transpiration Cooling)은 다공성 소재를 통해 냉각가스를 비행체 표면에 분출시켜 열전달을 억제하는 방식이다. 그러나 냉각 성능을 높이기 위해 냉각제 분출량을 증가시키면 주변 유동의 교란과 충격파 유동의 강도가 증가할 수 있어, 냉각 효율과 공기역학적 안정성을 동시에 확보하는 것이 중요한 기술적 과제로 남아 있다.
 

  김익현 교수 연구팀은 기존 연구에서 질소-헬륨 혼합 냉각제를 활용한 저장 부피 절감 가능성을 제시한 데 이어, 이번 연구에서는 냉각 성능과 공기역학적 손실 사이의 상충관계를 규명하는 데 초점을 맞췄다. 마하 7의 극초음속 유동 환경에서 혼합비와 분출 조건에 따른 열유동 특성을 분석하고, 파레토(Pareto) 기반 다목적 분석을 통해 두 성능을 균형 있게 확보할 수 있는 설계 조건을 도출했다.
 

  연구 결과, 질소 85%와 헬륨 15%의 혼합 냉각가스가 분출비율 0.0818%에서 평균 열냉각 효율 61.8%와 냉각막 형성 효율 56.1%를 확보하면서 공기역학적 손실을 효과적으로 억제하는 것으로 나타났다. 특히 냉각제 분출량을 단순히 늘리지 않고 혼합비를 조절하는 것만으로 열보호 성능과 유동 안정성 사이의 균형을 확보할 수 있음을 확인했다. 이는 극초음속 비행체의 고효율 열보호 시스템 설계를 위한 새로운 방향을 제시한 성과다.
 

  김익현 교수는 “기존 연구가 혼합 냉각제를 통한 냉각 효율 향상과 저장 공간 절감에 초점을 맞췄다면, 이번 연구는 냉각 성능과 공기역학적 안정성을 동시에 고려한 설계 기준을 제시했다는 점에서 차별성이 있다”며 “향후 실험적 검증과 최적화 연구를 통해 실제 극초음속 비행체에 적용할 수 있는 고성능 열보호 기술로 발전시켜 나갈 계획”이라고 밝혔다.
 

  이번 연구는 계명대 충격파 및 기체역학 실험실 소속 다부드 호세인자데(Davood Hoseinzade) 박사과정 연구원이 제1저자로 참여했으며, 김익현 교수가 교신저자로 연구를 지도했다. 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업의 지원을 받아 수행됐다.