The shock facility is a ground test facility that can generate test flows with high temperature and high pressure by heating and compressing the test gas through the propagation and reflection of a strong incident shock wave. Using the shock facility, a relatively wide range of high enthalpy test flows can be simulated with a small degree of contamination, but the test time is generally limited to several milliseconds. Because of the short test time, several constraints and limitations arise in ground tests using the shock facility.
For example, it is challenging to measure physical quantity using a measurement system with a slow reaction rate, and it is difficult to test large and complex test models with long flow development times around the test model.
Therefore, in the present work, in order to overcome the limitations caused by the short test time of the shock facility, the test time extension techniques of the shock facility were theoretically and experimentally investigated.
The techniques considered in the present work were the contact surface tailoring technique through the driver gas tailoring and the expansion wave delaying technique through the staged driver tube filling.
The contact surface tailoring technique suppresses the flow disturbance induced after the interaction between the reflected shock wave and the contact surface.
The driver gas tailoring technique is a representative technique of the contact surface tailoring technique that changes the composition and filling pressure of the driver gas to satisfy the contact surface tailoring condition without changing the test flow conditions. The expansion wave delaying technique delays the propagation of expansion waves reflected from the end of the driver tube to the test flow, and in the present work, the staged driver tube filling technique that fills a low-acoustic speed gas near the end of the driver tube was investigated. The driver tube staging valve was designed and applied to prevent the mixing of the driving gas and the low-acoustic speed gas. The variation in the test time and the flow conditions according to the application of the test time extension techniques was confirmed through the pressure measurement at the end of the driven tube.
As a practical application example of extending the test time of the shock facility, the force measurement in the shock facility was also performed. At first, free-flight, movable-support force balance, and stress-wave force balance technique systems were developed and investigated, and the simple cone model's drag measurements were performed to evaluate each technique's characteristics.
Among them, using the stress wave force balance technique, the drag measurement was performed in the shock facility with the application of the test time extension techniques.
Through the present work, the test time of the shock facility could be efficiently and significantly extended.
In addition, the practicality of the test time extension of the shock facility was experimentally confirmed by confirming that the effective measurement time was extended for the drag measurement through the test time extension of the shock facility.
충격파 시험 장비는 강한 충격파를 발생시켜 시험 기체를 고온 고압으로 압축 및 가열할 수 있는 지상 시험 장비다. 비교적 폭 넓은 범위의 고엔탈피 시험 유동을 적은 오염도로 모사할 수 있지만, 시험 시간이 수 미리초 수준으로 짧다. 이러한 짧은 시험 시간으로 인해 충격파 시험 장비를 이용한 지상 시험에는 몇 가지 제약 및 제한이 발생한다. 예를 들어, 반응 속도가 느린 계측 시스템을 이용한 물리량 측정이 어려우며, 시험물 주위 유동 발달 시간이 긴 대형 및 복잡한 시험물의 지상 시험이 어렵다.
따라서, 본 논문에서는 충격파 시험 장비의 짧은 시험 시간으로 인해 발생하는 제약들을 극복하기 위해, 충격파 시험 장비 시험 시간 연장 기법을 이론적 및 실험적으로 연구하였다. 본 연구에서는 구동 기체 맞춤을 통한 접촉면 맞춤 기술과 고압관 구분 충전을 통한 팽창파 지연 기술을 고려하였다.
접촉면 맞춤 기술은 반사충격파와 접촉면의 상호 작용으로 발생하는 유동 교란을 억제하는 기술이며, 이를 위해 구동 기체의 조성 및 충전 압력을 변화 시키는 것이 구동 기체 맞춤 기술이다. 팽창파 지연 기술은 고압관 끝단에서 반사되는 팽창파의 전파를 지연시키는 기술이며, 본 연구에서는 고압관 끝단에 저음속 기체를 충전하는 고압관 구분 충전 기술을 고압관 구분 밸브를 적용하여 구현하였다.
충격파 시험 장비의 시험 시간 연장의 실용적인 적용 예로써, 충격파 시험 장비의 공력 측정 역시 수행하였다. 자유 낙하, 가속도계, 응력파 힘 평형기 시스템을 개발 및 구축하였으며, 원뿔에 대한 항력 측정을 수행하여 각 기법의 특성을 평가하였다. 이 중 응력파 힘 평형기를 이용하여 시험 시간이 연장된 충격파 시험 장비에서의 항력 측정을 수행하였다.
이와 같은 연구를 통해 충격파 시험 장비의 시험 시간을 효율적으로 대폭 연장할 수 있었다. 또한 충격파 시험 장비의 시험 시간 연장을 통해 항력 측정에 대해 유효 측정 시간이 연장되는 것을 확인하여 충격파 시험 장비 시험 시간 연장 기법의 실용성을 확인하였다.
